【2023研电赛】商业计划书赛道上海市一等奖：基于双矢量优化谐波预测控制的MMC-PET光伏储能系统

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团队介绍

参赛单位：上海理工大学
参赛队伍：Dream explorers
参赛队员：吕哲李天皓赵安杰
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项目意义

为了保证光伏储能系统的正常工作，往往通过采用两级结合的拓扑(DC-DC与DC-AC)来接入电网或供应负载，但功率级数增多，总效率下降，且硬件电路较多，可靠性较差，总成本增加。附带光储系统的模块化电力电子变压器，由于存在储能和光伏发电系统,通过协调控制可实现应对电压深度跌落和光储互补功能，储能环节解决了光伏系统间隙性发电对配电网的影响，提高配电网对新能源的消纳能力，减少弃光概率。

本产品旨在将光伏变流与储能变换一体化控制，深度融合光伏变流与储能功能的场景化应用，拥有大量的子模块级联的变换器具有最高的模块化程度和最低的冗余成本以及最低的谐波含量，该产品与电力息息相关，能够取代传统的电力变流装置，更适用于大功率高电压等级的输电场合，必将成为时代发展的一个必然产物。
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解决方案

本团队设计了一种带光储系统的模块化多电平电力电子变压器，并提出一种储能变流器的协调控制，并设计了输入侧MMC变流器的双矢量预测控制，以实现输入级单位功率因数运行，输出级电压恒定，以及应对电压深度跌落和光储互补的功能，与单段式MPC相比，无需复杂的权重因子整定过程，减小控制器设计的难度；与两段式MPC相比，利用当前时刻电流采样值重新定义同一采样周期内两阶段的开关状态，进一步优化交流侧电流，降低交流侧电流谐波畸变率，可实现交流侧电流的高精度跟踪和谐波电流二次优化；同时，提出一种附加冗余子模块的方法抑制桥臂环流；成功消除了传统MPC中的权重系数且保证交流侧电流的高精度跟踪，并能够灵活控制带光储系统MMC-PET的一次侧和二次侧的电压、电流及功率。这对于提高光储系统供电稳定性及效率具有重要意义。
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产品原理

本文提出一种改进两段式优化谐波MPC，利用当前时刻电流值重新定义同一采样周期内双矢量各自的占空比，可进一步实现输出电流良好跟踪，并根据二倍频环流方向附加冗余子模块以实现环流抑制，保证MMC稳定运行。
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根据第j相输出侧电流误差的轨迹选择该相控制策略输出的上、下桥臂投入的子模块数目，进一步确定该相输出的电平数目；具体流程图如下图所示。
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产品技术

MMC-PET光伏储能系统的模型预测控制结构如图所示，包括光伏电池功率控制和储能电池功率控制。光伏功率控制采用扰动观测法追踪最大功率点并获得输入电压参考值，与实际值比较后，经过PI控制器，得到交流侧电流幅值。电池电流误差经PI控制器得到dq坐标系下输出电流幅值指令id_ref，交流侧调整输出功率以维持功率平衡。
输出功率控制与传统的电压源逆变器一样，储能型MMC-PET的输出功率可以在dq模型的基础上进行控制，有功、无功参考id_ref、iq_ref经dq–abc坐标变换后得到ia_ref、ib_ref、ic_ref。控制环开始时测量当前采样周期 tk的上、下桥臂电流ipx(k)、inx(k)与各子模块电容电压vC1(k)、vC2(k)等，并采集三相电流 ia(k)、ib(k)、ic(k)。根据tk时刻测量值，用预测函数式去预测未来tk+1时刻不同电压矢量对应的开关状态下输出电流预测值ia(k+1)、ib(k+1)、ic(k+1)。
控制板采用TI公司的TMS320F28335型32位浮点数字处理器DSP芯片作为核心处理器，ALTERA公司的EP3C5E1448C8N型FPGA芯片作为信号发生器，传输延时小，兼容5V和3.3V信号，24mA 负载电流，TQ100封装具有81个可用VO。一方面，通过SMC与上层主控制器的通信来实现对SM的控制。
其中，SMC与主控制器的通信包括:子模块向主控制器传递工作状态信息,主控制器向子模块传递IGBT控制信号;工作状态信息包括正常、欠压、过压1、过压2、过热、IPM故障、脉冲异常和其他状况;主控制器下发的控制信号包括脉冲控制信号CTR和脉冲驱动信号PWM。

MMC-PET光伏储能系统实验测试平台总体结构如图3-11所示。测试实验控制算法基于dSPACE半实物仿真平台，为避免电磁干扰，dSPACE输出控制信号。经光纤传输给驱动电路，由驱动电路控制IGBT功率开关管。子模块采用集成控制器的设计方案,使用FPGA作为子模块控制器(SMC)的核心，这样可以实现对子模块的本地控制和保护，有利于系统的分级控制并降低对主控系统的要求；同时，简化了子模块与上层主控系统的通信，采用占空比的方式传递子模块状态信息。
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本实验主功率电路为MMC单桥臂4个子模块的拓扑结构，开关器件选用集成驱动和保护的IPM，可以大大简化子模块的设计；设计旁路电路，由压敏电阻提供过压保护，接触器提供过流保护；设计了分层级电压检测电路，可以检测欠压、过压1和过压2三种工作状态，并采用硬件检测与软件判断相结合的方式保证对子模块状态的可靠检测，当硬件电压状态持续时间超过5us时才对信号进行确认，可以有效避免干扰造成的误判断；设计了过温检测电路，通过温度继电器采集电平信号；通过控制4个功率开关的开通和关断从而实现直流电到交流电的转换。