Frequency Constrained MPC for Efficient Grid Side Operation of Wind Power Conversion Systems

📄 arXiv: 2406.16158v1 📥 PDF

作者: Orcun Karaca, Georgios Darivianakis

分类: eess.SY, math.OC

发布日期: 2024-06-23

💡 一句话要点

提出频率约束MPC，用于风力发电并网变流器的高效控制

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 模型预测控制 风力发电 并网变流器 频率约束 电力电子

📋 核心要点

  1. 模型预测控制（MPC）在电力变换控制中展现出快速动态响应和约束处理能力，但计算负担仍然是挑战。
  2. 本文提出一种间接MPC方案，通过约束调制信号的频率成分来降低计算复杂度，从而实现快速求解。
  3. 实验结果表明，该MPC方案在故障情况下响应迅速，并能保证变流器在安全范围内运行。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种用于并网型风力发电变流器的间接模型预测控制（MPC）方案。该方案通过在后退 horizon 内求解一个带线性约束的二次规划问题，并结合后续的 PWM 调制器来实现控制。为了在几百微秒内完成求解，决策变量（调制信号）被限制在特定的频率范围内。这种方法限制了 horizon 长度增加导致的问题规模扩大。案例研究表明，所提出的 MPC 在故障情况下表现出快速响应，并使变流器在其安全限制内运行。

🔬 方法详解

问题定义：针对风力发电并网变流器，传统MPC方法虽然能实现快速动态响应和约束处理，但计算复杂度高，难以满足实时性要求，尤其是在较长的预测时域下。因此，需要一种计算效率更高的MPC方案，能够在保证控制性能的同时，降低计算负担。

核心思路：本文的核心思路是通过限制MPC决策变量（即调制信号）的频率成分，来降低优化问题的维度，从而减少计算量。通过预先设定调制信号的频率范围，可以有效约束解空间，加速求解过程。

技术框架：该方案采用间接MPC结构，首先，在每个控制周期内，求解一个带线性约束的二次规划问题，得到最优的调制信号。然后，将这些调制信号输入到PWM调制器，生成实际的开关信号，驱动变流器。整个过程在后退 horizon 内重复进行，实现闭环控制。

关键创新：该方法最重要的创新点在于引入了频率约束。与传统的MPC方法相比，该方法不再直接优化开关信号，而是优化具有特定频率成分的调制信号。这种方法显著降低了优化问题的维度，从而提高了计算效率。

关键设计：该方案的关键设计包括：1）选择合适的频率范围，既要保证控制性能，又要降低计算复杂度；2）设计合适的二次规划问题，包括目标函数和约束条件，以实现期望的控制目标，如功率因数校正、电流谐波抑制等；3）选择合适的PWM调制器，将调制信号转换为实际的开关信号。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

案例研究表明，所提出的频率约束MPC在故障情况下表现出快速响应，能够迅速将变流器控制在安全运行范围内。与传统MPC方法相比，该方法在保证控制性能的同时，显著降低了计算时间，使其更适用于实际应用。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于风力发电、光伏发电等新能源并网变流器的控制，提高电网的稳定性和电能质量。通过降低MPC的计算复杂度，该方法有望在资源受限的嵌入式平台上实现，从而推动新能源发电技术的广泛应用。此外，该方法也可推广到其他电力电子变换器的控制领域。

📄 摘要（原文）

Model predictive control (MPC) has proven its applicability in power conversion control with its fast dynamic response to reference changes while ensuring critical system constraints are satisfied. Even then, the computational burden still remains a challenge for many MPC variants. In this regard, this paper formulates an indirect MPC scheme for grid-side wind converters. A quadratic program with linear constraints is solved in a receding horizon fashion with a subsequent PWM modulator. To facilitate its solution within a few hundreds of microseconds, its decision variables (modulating signals) are restricted to a specific frequency content. This approach limits the increase in problem size due to horizon length. In case studies, the proposed MPC exhibits fast response in faults and operates the converter within its safety limits.