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电动汽车驱动 多电平 模型预测控制MPC 微电网 ★ 5.0

基于模块化多电平变换器的中压微电网模型预测控制

Model Predictive Control of MMC-Based Medium Voltage Microgrid for Grid Connected and Islanded Operation

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中文摘要

本文聚焦于基于模块化多电平变换器(MMC)的中压微电网模型预测控制(MPC)的开发。所开发的模型预测控制旨在有效控制基于 MMC 的微电网在并网(GC)和孤岛(IS)两种模式下的运行,并实现两种模式间的无缝切换。该模型预测控制能够预测状态变量的行为,并利用成本函数确定最优开关序列。因此,与传统的矢量控制方法不同,所开发的模型预测控制无需脉冲宽度调制方案、比例 - 积分控制器,也无需进行大量的参数整定工作。所开发的模型预测控制通过融入电能质量改善和交流故障穿越能力来提升系统性能。此外,该模型预测控制还具备子模块容错功能,以确保系统的可靠性和稳定性。通过基于 MATLAB/Simulink 的仿真验证了所开发模型预测控制的有效性和鲁棒性。此外,利用 dSPACE 1202 在五级 MMC 的缩比实验室样机上进行了大量实验研究。性能评估涵盖了各种运行工况,包括并网和孤岛运行、两种模式间的平滑切换、交流故障穿越、电网不平衡和畸变工况、子模块故障以及电能质量改善。将所开发模型预测控制的性能与传统矢量控制方法进行了比较,结果表明其在管理中压微电网运行方面具有优越性。

English Abstract

This article focuses on the development of a model predictive control (MPC) for a modular multilevel converter (MMC)-based medium voltage microgrid. The developed MPC is aimed to effectively control MMC-based microgrid during both grid-connected (GC) and islanded (IS) modes, with seamless transitions between the two. The developed MPC anticipates state variables behavior and uses a cost function to determine an optimal switching sequence. As a result, unlike classical vector control methods, the developed MPC eliminates need for pulse width modulation schemes, proportional-integral controllers, and extensive tuning efforts. The developed MPC enhances system performance by incorporating power quality improvement and AC fault ride-through capabilities. Additionally, the developed MPC also provides a submodule fault-tolerant feature to ensure system reliability and stability. The effectiveness and robustness of the developed MPC are validated through MATLAB/Simulink-based simulations. Further, extensive experimental studies are performed on a scaled-down laboratory prototype of a 5-level MMC, using dSPACE 1202. The performance evaluation encompasses various operating conditions, including GC and IS operations, smooth transitions between these modes, AC fault ride-through, unbalanced and distorted grid conditions, submodule fault and power quality enhancement. The performance of the developed MPC is compared with traditional vector control methods, demonstrating its superiority in managing medium-voltage microgrid operations.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇论文提出的基于模块化多电平换流器(MMC)的模型预测控制(MPC)技术具有重要的战略价值。该技术直接契合公司在中压微电网、储能系统和分布式能源管理领域的核心业务需求。

MMC拓扑结构本身具有模块化、可扩展性强的特点,这与阳光电源在大型地面电站和工商业储能系统中追求的高功率、高电压等级应用场景高度吻合。论文提出的MPC方案通过预测状态变量并优化开关序列,省去了传统矢量控制中的PWM调制、PI控制器及繁琐的参数整定过程,这将显著降低我们在中压逆变器和储能变流器产品开发中的控制系统复杂度和调试成本。

特别值得关注的是该技术的三大核心优势:首先,并离网无缝切换能力对于我们的微电网解决方案至关重要,可提升系统在电网故障时的供电连续性;其次,交流故障穿越和电能质量改善功能直接满足国内外并网标准的严格要求;第三,子模块容错特性显著提升了系统可靠性,这对降低运维成本、提高客户满意度具有实际意义。

从技术成熟度评估,该研究已完成仿真验证和5电平原型实验,但距离工程化应用仍有距离。主要挑战包括:MPC算法的实时计算负荷在高电平数MMC中可能面临硬件瓶颈;不同工况下成本函数权重系数的自适应优化需要大量现场数据积累;以及如何与现有产品平台的控制架构兼容。建议我们的中央研究院跟踪该方向,在1500V储能系统和中压SVG产品线开展预研,逐步积累面向商业化的技术储备。