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人工智能辅助的三相单级光伏逆变器系统黑箱建模
Artificial Intelligence Aided Black-Box Modeling of Three-Phase Single-Stage Photovoltaic Inverter Systems
| 作者 | Yuxi Men · Junhui Zhang · Xiaonan Lu · Tianqi Hong |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 技术标签 | 光伏逆变器 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 光伏发电系统 黑箱建模 人工神经网络 三相单级光伏逆变器 数据驱动算法 |
语言:
中文摘要
随着太阳能在配电系统中的渗透率不断提高,对光伏(PV)发电系统进行精确建模和适当控制变得越来越重要。然而,基于逆变器的电源(IBR)的建模和系统辨识颇具挑战性,因为制造商可能不会提供敏感信息(如电气元件的拓扑结构或参数)。仅利用经验数据而无需系统内部细节的黑箱建模方法,可能是解决上述问题的有效途径。同时,鉴于人工神经网络(ANN)具有强大的逼近能力,其可增强用于逆变器主导系统辨识的传统建模方法。本文对电力电子变换器(PEC)的黑箱建模方法进行了综述。此外,本文提出了一种使用非线性自回归外生神经网络(NARX NN)的数据驱动黑箱建模算法,旨在对采用分层控制方案的三相单级光伏逆变器的动态行为进行估计。所提出的方法仅基于具有未知拓扑结构和参数的黑箱系统的输入和输出测量值,即可预测目标输出。最后,通过仿真和实验结果验证了所提工作的有效性。
English Abstract
With the increasing penetration of solar energy in distribution systems, the precise modeling and appropriate control of photovoltaic (PV) generation systems are becoming increasingly significant. However, the modeling and system identification of inverter-based resources (IBRs) are challenging since sensitive information (e.g., topologies or parameters of electrical components) could not be provided by manufacturers. Black-box modeling methods that only utilize empirical data without the need for internal system details could be a useful method to solve the aforementioned issues. Meanwhile, given the strong approximation capability, artificial neural networks (ANNs) can augment the conventional modeling approaches for inverter-dominated system identification. In this paper, the black-box modeling approaches for power electronic converters (PECs) are reviewed. Furthermore, this paper proposes a data-driven black-box modeling algorithm using a nonlinear autoregressive exogenous neural network (NARX NN), aiming to estimate the dynamic behaviors of three-phase single-stage PV inverters with a hierarchical control diagram. The proposed method can predict the target output only based on the input and output measurements of the black-box system with unknown topology and parameters. Finally, simulation and experimental results are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed work.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于人工智能的光伏逆变器黑箱建模技术具有重要的战略价值和应用前景。
**业务价值方面**,该技术解决了逆变器系统建模中的核心痛点。在实际应用场景中,电网公司、系统集成商或第三方运维机构往往难以获取逆变器的详细拓扑结构和控制参数,而这项技术仅依靠输入输出数据即可建立精确的动态模型。对阳光电源而言,这为产品在复杂电网环境中的并网特性分析、故障诊断和预测性维护提供了新工具,有助于提升SG系列组串式逆变器和SG250HX等大型集中式逆变器的智能化水平。
**技术成熟度评估**显示,NARX神经网络在非线性系统建模中已有成熟应用基础,该研究通过仿真和实验验证了有效性,表明技术已具备工程化应用条件。这与阳光电源在iSolarCloud智慧能源管理平台的AI算法积累形成良好协同,可快速集成到现有数字化产品体系中。
**应用机遇**包括:一是增强储能系统PCS产品的自适应控制能力,通过实时建模优化多机并联协调;二是为电网侧提供精准的逆变器等效模型,支持高比例新能源接入的电网稳定性分析;三是构建基于数据驱动的产品数字孪生体系,赋能全生命周期管理。
**潜在挑战**在于黑箱模型的泛化能力依赖训练数据质量,在极端工况下的预测精度需要验证,且神经网络的可解释性相对较弱。建议阳光电源结合物理模型与数据驱动方法,发展灰箱建模技术,在保护知识产权的同时提升模型可靠性,为构建新型电力系统提供更智能的逆变器解决方案。