面向独立微电网的电压源变流器快速动态响应有限控制集模型预测控制实验研究

《Scientific African》：Experimental Implementation of a Fast Dynamic Response Finite Set Control–Model Predictive Control for Voltage Source Converter in Standalone Microgrid

本文推荐介绍了一种针对独立运行微电网中光伏三相两电平电压源逆变器(VSI)的鲁棒电流预测控制策略。为克服传统控制器在参数不确定性、外部扰动和非线性工况下的局限性，研究人员开展了基于有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)的研究。结果表明，该方案通过延迟补偿的两步预测 horizon 算法，显著提升了动态响应速度（0.4 ms），并将输出电流THD降至2.2%，完全符合IEEE Std 519-2014标准，为可再生能源分布式发电系统提供了高效可靠的解决方案。

　　

在全球能源转型和实现联合国可持续发展目标7（SDG 7）的背景下，为偏远地区（如沙漠、山区和孤岛）提供可靠、可持续的电力供应已成为当务之急。独立运行的微电网，尤其是基于太阳能、风能等可再生能源的系统，成为解决这些地区 electrification 问题的关键途径。然而，独立微电网的核心部件——电压源逆变器(Voltage Source Inverter, VSI)，其控制性能直接决定了整个系统的稳定性和电能质量。传统的线性控制器，如比例积分(Proportional-Integral, PI)控制，虽然应用广泛，但在面对系统参数变化、外部干扰和非线性负载时，其性能往往大打折扣，导致电流跟踪不准确、谐波失真(Total Harmonic Distortion, THD)增高，甚至引发设备过热、保护系统误动等一系列问题，严重制约了独立微电网的可靠运行。因此，开发一种兼具快速动态响应、高鲁棒性和优越电能质量的新型控制策略，对于推动可再生能源在独立微电网中的规模化应用具有至关重要的意义。为此，Mohammed TEBAA 和 Mohammed OUASSAID 在《Scientific African》上发表了他们的最新研究成果，对一种先进的有限控制集模型预测控制(Finite Control Set Model Predictive Control, FCS-MPC)策略进行了深入的实验验证。

为开展本研究，作者主要应用了几个关键技术方法：首先是建立了三相两电平电压源变流器(Two-Level Voltage Source Converter, 2L-VSC)及其RL滤波器的离散时间数学模型，为预测控制提供了理论基础。其次，核心是设计并实现了一种带有延迟补偿的两步预测horizon FCS-MPC算法。该算法通过预计算离散系数（σ, γ），对逆变器八个可能的开关状态对应的未来电流进行实时预测，并利用成本函数最小化原则选择最优开关状态，从而省去了传统的脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)环节。实验验证平台基于dSPACE DS1202 MICROLABBOX 实时仿真系统搭建，通过LEM电流/电压传感器进行测量，并使用功率分析仪对输出波形质量和THD进行评估。研究还特别考察了控制器在系统参数（如滤波电感L_f、电阻R_f）大范围波动（±50%）以及存在测量噪声情况下的鲁棒性。

静态性能分析

研究人员首先对比了FCS-MPC和传统PI控制器在稳态运行下的表现。实验结果清晰表明，FCS-MPC控制下的负载电流波形正弦度更高，纹波更小。关键的THD指标显示，FCS-MPC将输出电流THD成功降低至2.2%，输出电压THD也为2.2%。相比之下，PI控制器的电流和电压THD分别高达4.4%和4.3%。这一结果不仅证明了FCS-MPC在稳态下具有更优的电能质量，而且其性能完全满足IEEE Std 519-2014对THD的限值要求（电流<5%，电压<3%）。此外，积分性能指标（如IAE, ITAE, ISE）的对比也显示，FCS-MPC在所有指标上均优于PI控制器，表明其具有更精确的参考跟踪能力和更小的累积误差。

鲁棒性分析

为了验证控制器在面对实际系统不确定性时的稳定性，研究团队进行了深入的鲁棒性测试。当滤波器参数（L_f, R_f）发生-50%和+50%的剧烈变化时，FCS-MPC控制器依然能够保持良好的电流跟踪性能，其电流THD仅略微上升至2.7%，且积分误差指标保持相对稳定。反观PI控制器，在同样的参数扰动下，其电流跟踪出现明显偏差，THD恶化至6.5%以上，积分误差显著增大，表现出对参数变化的敏感性。此外，在人为注入4mA测量噪声的干扰下，FCS-MPC控制下的电流波形受噪声影响较小，THD仅增加0.4%，而PI控制器的THD恶化程度是其四倍。这些实验有力地证明了FCS-MPC策略在面对内部参数不确定性和外部干扰时，具有远优于传统PI控制的鲁棒性。

动态响应性能分析

动态性能是衡量控制器优劣的另一关键指标。通过令负载参考电流阶跃变化，研究人员观察了两种控制器的跟踪速度。结果表明，FCS-MPC能够实现超快的动态响应，响应时间仅为0.4毫秒，并且无超调。而PI控制器的响应时间约为1毫秒，且存在轻微的过冲和稳态误差。FCS-MPC的动态响应速度比PI控制器快约0.6毫秒，这使其能够更快速地适应负载突变或参考指令变化，极大地提升了独立微电网运行的稳定性。

本研究通过严谨的实验设计，充分验证了所提出的延迟补偿两步预测FCS-MPC策略对于独立运行三相电压源逆变器的优越性。该方案成功解决了传统PI控制在动态响应、稳态精度和鲁棒性方面的不足。其重要意义在于，提供了一种结构相对简单、计算效率高（无需PWM调制器和内环控制器）、且易于在DSPACE等硬件平台上实时实现的先进控制解决方案。相比于其他复杂的预测控制或智能控制方法（如基于观测器的无模型方法或强化学习），该策略在保证高性能的同时，避免了巨大的计算负担和复杂的参数整定，更适用于实际工程应用。这项研究为提升偏远地区独立可再生能源微电网的供电可靠性和电能质量提供了强有力的技术支撑，直接契合非洲联盟《2063年议程》和联合国可持续发展目标7关于普及可持续能源的愿景，展示了电力电子控制技术在推动全球能源公平与可持续发展中的巨大潜力。