考虑直流侧电压稳定的电池储能系统改进MPC控制方法

《Symmetry》：An Improved MPC-Based Control Method Considering DC Side Voltage Stabilization for Battery Energy Storage Systems Peiyu Chen, Wenqing Cui, Huiqiao Liu, Bin Xu, Li Zhang, Huanxi Cao, Yu Jin and Qian Xiao

　　

电池储能系统（BESS）的传统控制策略无法实现DC/DC与DC/AC变换级之间的对称协调控制，导致直流电容电压波动抑制效果不理想，威胁系统安全稳定运行。针对此问题，本研究提出一种明确考虑直流电容电压波动抑制的改进模型预测控制（MPC）方法。首先，通过联合考虑BESS的DC/DC和DC/AC能量变换级，建立其动态数学模型。然后，采用一阶前向欧拉法对模型进行离散化，以便于控制器实现。其次，所提出的MPC控制方法的代价函数被设计为同时包含直流电容电压波动抑制以及直流侧和交流侧的输出电流跟踪误差。最后，选择直流和交流变换器的开关状态作为控制集，并通过优化上述代价函数确定BESS的最优开关信号。验证结果表明，与传统控制策略相比，所提策略实现了更对称的稳态和动态性能，并将直流侧电容电压波动降低约80%，从而有效保证系统安全稳定运行。

在全球能源结构加速向低碳清洁转型的关键时期，以风能和太阳能为代表的可再生能源装机容量持续增长，但其固有的间歇性和波动性对电力系统的安全稳定运行构成严峻挑战。电池储能系统（Battery Energy Storage System, BESS）作为实现高效能源利用和系统平衡调节的核心组件，其功率转换系统（Power Conversion System, PCS）的控制策略直接决定了系统在多种应用场景下的效率、稳定性、响应速度和适应性。然而，传统控制策略（如PI控制）存在动态响应慢、参数整定困难以及无法实现DC/DC与DC/AC变换级之间对称协调控制的问题，导致直流侧电容电压波动抑制效果不佳，威胁系统安全稳定运行。为此，本研究提出一种明确考虑直流侧电容电压波动抑制的改进模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）方法。研究人员首先建立了联合DC/DC和DC/AC能量变换级的BESS动态数学模型，并采用一阶前向欧拉法进行离散化；随后设计了包含直流电容电压波动抑制及交直流侧输出电流跟踪误差的统一代价函数，并引入误差硬约束预筛机制；最后通过优化代价函数确定最优开关信号。仿真验证结果表明，与传统PI控制和双MPC策略相比，所提策略在稳态和动态性能上均实现更对称的控制效果，并将直流侧电容电压波动降低约80%，有效保障系统安全稳定运行，为BESS多目标协调控制提供了新思路。该论文发表在《Symmetry》。

本研究采用的主要关键技术方法包括：1）建立BESS的联合DC/DC和DC/AC级动态数学模型，包含交流侧αβ坐标系下的电压电流方程及直流侧电容电压与电池电流方程；2）运用一阶前向欧拉法对模型离散化，推导出交流输出电流、直流电容电压和储能电池输出电流的预测方程；3）设计包含误差硬约束预筛机制的统一代价函数，并结合粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）算法对权重系数进行整定，以最小化直流电容电压和电池电流误差为目标；4）通过遍历16种开关状态并优化代价函数，选取最优开关信号生成驱动脉冲。仿真验证基于MATLAB/SIMULINK（R2020b版本）平台，利用Intel Core i9-14900HX CPU和16GB RAM硬件环境执行。

### 4.1 权重系数选择（Selection of Weight Coefficients）
为确定多目标MPC代价函数中权重系数的优化值，本研究设计了粒子群优化（PSO）算法。以交流侧输出电流误差控制项权重系数ω₁=1为基准，通过迭代优化目标函数（最小化直流电容电压和储能电池输出电流误差），得到ω₂=1.5和ω₃=1的最优组合。灵敏度分析显示，该组合在直流母线电压纹波、交流电流总谐波失真（Total Harmonic Distortion, THD）和动态调节时间上均处于较低水平，验证了选择的合理性。

### 4.2 稳态性能验证（Static Performance Verification）
在额定工况下（交流侧功率约186 W），对比所提控制策略、传统PI控制和双MPC策略的稳态表现。结果显示：所提策略的交流侧电流THD为0.28%，显著低于PI控制的1.32%和双MPC策略的1.32%；直流侧电容电压峰峰值波动从PI控制的2.5 V降至0.5 V，降低约80%；储能电池输出电流峰峰值波动从PI控制的4.5 A降至1.3 A，降低约71.1%。表明所提MPC方法通过预测项主动补偿电压波动，实现了更高的功率质量和更平滑的电池电流波形。

### 4.3 动态性能验证（Dynamic Performance Verification）
在t=3 s时，交流侧功率指令从186 W阶跃至2倍值以及功率反方向的切换测试中，所提策略展现出极快的动态响应：功率调节时间约2.5 ms（PI控制约80 ms），且无超调；交流电流波形在动态过程中保持良好正弦性，无明显畸变；直流电容电压在扰动后迅速恢复稳态，无自然频率振荡；储能电池输出电流响应快速平滑，无振荡。相比之下，双MPC策略的调节时间为10 ms，且存在较大直流电容电压超调。表明所提策略在应对功率扰动时具有更强的鲁棒性和抗扰动能力。

### 4.4 鲁棒性验证（Robustness Verification）
通过依次对直流母线电容（200 μF→210 μF，偏差5%）、等效串联电阻（Equivalent Series Resistance, ESR）（50 mΩ→52.5 mΩ，偏差5%）、滤波电感L_b（0.75 mH→0.7875 mH，偏差5%）以及电网电阻R_g和电感L_g（均偏差5%）进行参数偏差模拟，所提策略均保持稳定运行：直流母线电压波动≤1.5 V，交流电流THD在0.29%–0.31%范围内，无性能显著退化。此外，在零均值高斯白噪声干扰下（噪声均方根值为额定幅值的1%），经20次独立仿真统计，直流母线电压纹波均值2 V（标准差0.15 V），交流电流THD均值1.35%（标准差0.015%），动态响应时间均值3 ms（标准差0.06 ms），所有指标均在满意范围内，验证了所提策略在实际工程场景中对参数变化和测量噪声的强鲁棒性。

**讨论与结论**：
本文聚焦于由逆变器和双向DC/DC变换器组成的BESS，旨在解决直流侧电压波动问题并提升系统的整体性能和可靠性。所设计的MPC目标函数集成了直流电容电压和电池电流的多个预测项，为储能变换器的协调控制提供了新思路。仿真实验从稳态和动态两个维度对所提策略与传统PI控制进行了对比验证，得出以下结论：（1）在稳态性能方面，所提MPC控制策略的直流侧电容电压峰峰值波动较PI控制降低约80%，交流侧电流THD更低，电池侧电流纹波减少，有利于延长电池循环寿命；（2）在动态性能方面，MPC策略在功率阶跃时响应速度极快，调节时间极短且无超调，能有效抑制动态过程中电容电压的波动和振荡，增强系统应对功率扰动的稳定性。