基于模型预测的交流电力弹簧电流控制策略研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.24201

发电技术 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (5): 968-976.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.24201

基于模型预测的交流电力弹簧电流控制策略研究

范巍瀚¹, 滕青芳¹, 降志文¹, 郑智杰¹, 钟晴¹, 马喜平²

^1.兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃省兰州市 730070
^2.国网甘肃省电力科学研究院，甘肃省兰州市 730070

收稿日期:2024-09-09 修回日期:2024-10-18 出版日期:2025-10-31 发布日期:2025-10-23
作者简介:范巍瀚(1998)，男，硕士研究生，主要研究方向为电力弹簧控制技术，1009964840@qq.com；
滕青芳(1964)，女，博士，教授，主要研究方向为控制理论与工程、电气工程控制，本文通信作者，tengqf@mail.lzjtu.cn；
降志文(2001)，男，硕士研究生，主要研究方向为逆变器控制，1352167503@qq.com；
郑智杰(2000)，男，硕士研究生，主要研究方向为微网并联逆变器鲁棒控制，1215858461@qq.com；
钟晴(1997)，男，硕士研究生，主要研究方向为光伏微电网控制，786419521@qq.com；
马喜平(1987)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为新能源并网技术及电网降损节能技术，maxpgs@163.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目(62063015)

Research on Model Predictive Current Control Strategy for AC Electric Springs

Weihan FAN¹, Qingfang TENG¹, Zhiwen JIANG¹, Zhijie ZHENG¹, Qing ZHONG¹, Xiping MA²

^1.School of Automation and Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, Gansu Province, China
^2.State Grid Gansu Electric Power Research Institute, Lanzhou 730070, Gansu Province, China

Received:2024-09-09 Revised:2024-10-18 Published:2025-10-31 Online:2025-10-23
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(62063015)

摘要/Abstract

摘要：

目的为提高交流电力弹簧(AC electric spring，ACES)在负载投切和网侧电压波动场景下稳定关键性负载(critical load，CL)电压的能力，提出一种模型预测电流控制(model predictive current control，MPCC)策略。方法首先，针对可变负载工况，将关键性负载电流参考模型搭建为下一时刻关键性负载参考电压与当前时刻关键性负载等效阻抗值之比，通过可变的关键性负载电流参考值，提高了负载投切时ACES的动态响应能力。其次，针对关键性负载电压波动，控制策略通过ACES工作在不同的模式，使得关键性负载电流预测值追踪变化的电流参考值，从而使关键性负载电压追踪给定值。结果所提控制策略在负载投切和网侧电压波动的工况下，将关键性负载电压波动抑制在0.45%以内的同时兼顾了非关键性负载的电能质量，并且关键性负载电压的畸变率被控制在0.6%以下。结论该控制策略有效地提高了电力弹簧抑制负载电压波动的能力，为电力弹簧并入电网的工作提供了参考。

关键词: 电流控制, 模型预测控制, 交流电力弹簧, 关键性负载

Abstract:

Objectives To improve the ability of AC electric springs (ACES) to stabilize the voltage of critical load (CL) under load switching and grid-side voltage fluctuations, a model predictive current control (MPCC) strategy is proposed. Methods Firstly, for variable load conditions, the reference model of the critical load current is established as the ratio of the next critical load reference voltage to the critical load equivalent impedance at the current moment. The dynamic response capability of ACES during load switching is improved by using the variable critical load current reference value. Secondly, to address critical load voltage fluctuations, the control strategy operates the ACES in different modes, enabling the predicted critical load current to track the varying current reference value. This further ensures that the critical load voltage tracks the given value. Results Under the conditions of load switching and grid-side voltage fluctuations, the proposed control strategy suppresses the critical load voltage fluctuations within 0.45% while maintaining the power quality of the non-critical load, and controls the total harmonic distortion of the critical load voltage below 0.6%. Conclusions The control strategy effectively improves the ability of ACES to suppress load voltage fluctuations and provides a reference for its integration into the power grid.

Key words: current control, model predictive control, AC electric spring, critical load

中图分类号:

TK 01

范巍瀚, 滕青芳, 降志文, 郑智杰, 钟晴, 马喜平. 基于模型预测的交流电力弹簧电流控制策略研究[J]. 发电技术, 2025, 46(5): 968-976.

Weihan FAN, Qingfang TENG, Zhiwen JIANG, Zhijie ZHENG, Qing ZHONG, Xiping MA. Research on Model Predictive Current Control Strategy for AC Electric Springs[J]. Power Generation Technology, 2025, 46(5): 968-976.

图/表 19

图1 单个ACES及其典型应用拓扑

Fig. 1 Individual ACES and its typical application topology

表1 物理量及单位

Tab. 1 Physical quantities and units

物理量	单位
初始网侧电源 $V ˙ G$	V
传输线路电阻R_L	Ω
传输线路电感L_L	mH
非关键性负载Z_{NCL_}_n	Ω
关键性负载Z_{CL_}_n	Ω
ACES直流侧电压V_DC	V
ACES滤波电感L_f	mH
ACES滤波电容C_f	mF
传输线电流 $I ˙ Z L$	A
非关键性负载电流 $I ˙ N C L$	A
关键性负载电流 $I ˙ C L$	A
半桥逆变电路电容 $C 1$ 、 $C 2$	F
逆变电路交流侧输出电压 $V ˙ i n$	V
逆变电路交流侧输出电流 $I ˙ L f$	A
ACES输出电压 $V ˙ E S$	V
非关键性负载电压 $V ˙ N C L$	V
关键性负载电压 $V ˙ C L$	V

表1 物理量及单位

Tab. 1 Physical quantities and units

物理量	单位
初始网侧电源 $V ˙ G$	V
传输线路电阻R_L	Ω
传输线路电感L_L	mH
非关键性负载Z_{NCL_}_n	Ω
关键性负载Z_{CL_}_n	Ω
ACES直流侧电压V_DC	V
ACES滤波电感L_f	mH
ACES滤波电容C_f	mF
传输线电流 $I ˙ Z L$	A
非关键性负载电流 $I ˙ N C L$	A
关键性负载电流 $I ˙ C L$	A
半桥逆变电路电容 $C 1$ 、 $C 2$	F
逆变电路交流侧输出电压 $V ˙ i n$	V
逆变电路交流侧输出电流 $I ˙ L f$	A
ACES输出电压 $V ˙ E S$	V
非关键性负载电压 $V ˙ N C L$	V
关键性负载电压 $V ˙ C L$	V

图2 ACES工作向量图

Fig. 2 ACES working vectors

图3 V˙CL_ref生成结构

Fig. 3 Structure of V˙CL_ref generation

图4 MPCC的工作过程

Fig. 4 Working process of MPCC

图5 ACES的PI控制框图

Fig. 5 PI control block diagram of ACES

表2 仿真参数

Tab. 2 Simulation parameters

参数	数值
初始网侧电源 $V ˙ G$ /V	313
传输线路电阻R_L/Ω	0.1
传输线路电感L_L/mH	1.22
非关键性负载 $Z N C L 1 / Ω$	30+j10
非关键性负载 $Z N C L 2 / Ω$	30+j10
关键性负载 $Z C L 1 / Ω$	50+j10
关键性负载 $Z C L 2 / Ω$	50+j10
ACES直流侧电压V_DC/V	400
ACES滤波电感L_f/mH	4
ACES滤波电容C_f/mF	0.75
采样周期T_S/s	10^-4
参考电压有效值V_{CL_refRMS}/V	220

表2 仿真参数

Tab. 2 Simulation parameters

参数	数值
初始网侧电源 $V ˙ G$ /V	313
传输线路电阻R_L/Ω	0.1
传输线路电感L_L/mH	1.22
非关键性负载 $Z N C L 1 / Ω$	30+j10
非关键性负载 $Z N C L 2 / Ω$	30+j10
关键性负载 $Z C L 1 / Ω$	50+j10
关键性负载 $Z C L 2 / Ω$	50+j10
ACES直流侧电压V_DC/V	400
ACES滤波电感L_f/mH	4
ACES滤波电容C_f/mF	0.75
采样周期T_S/s	10^-4
参考电压有效值V_{CL_refRMS}/V	220

图6 工况1关键性负载电压有效值

Fig. 6 RMS of critical load voltage under condition 1

图7 工况1关键性负载电流

Fig. 7 Critical load current under condition 1

图8 工况1非关键性负载电压有效值

Fig. 8 RMS of non-critical load voltage under condition 1

图9 MPCC控制下工况1关键性负载电压波形畸变率

Fig. 9 Total harmonic distortion of critical load voltage under MPCC control in condition 1

图10 PI控制下工况1关键性负载电压波形畸变率

Fig. 10 Total harmonic distortion of critical load voltage under PI control in condition 1

图11 工况1 ACES的无功功率

Fig. 11 Reactive power of ACES in condition 1

图12 工况2关键性负载电压有效值

Fig. 12 RMS of critical load voltage under condition 2

图13 工况2关键性负载电流

Fig. 13 Critical load current under condition 2

图14 工况2非关键性负载电压有效值

Fig. 14 RMS of non-critical load voltage under condition 2

图15 MPCC控制下工况2关键性负载电压波形畸变率

Fig. 15 Total harmonic distortion of critical load voltage under MPCC control in condition 2

图16 PI控制下工况2关键性负载电压波形畸变率

Fig. 16 Total harmonic distortion of critical load voltage under PI control in condition 2

图17 工况2 ACES的无功功率

Fig. 17 Reactive power of ACES in condition 2

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Research on Model Predictive Current Control Strategy for AC Electric Springs

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