【2022研电赛】商业计划书赛道上海市一等奖：基于多目标排序预测控制的SL-qZSI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：科研创新队
指导老师：罗韡
参赛队员：吕哲李天皓陈兴辉

项目意义

为解决电源并网时可能产生的电压不稳定、功率不平衡等问题，微电网逐渐被人们所了解和深入研究。以光伏阵列为微电源并集成蓄电池和超级电容储能的微电网有效利用太阳能的同时能保证直流负载和交流负载的不间断供电。在太阳能充足的情况下如白天，将发电能量进行存储，在阴天或者夜晚的情况下，电池将储存的能量释放。储能电池可以看成是一个能量缓冲池，将多余的电能储存，并在需要时释放电能，对电网而言可以起到“削峰填谷”的作用。

本产品以储能、变流一体化的优势流入市场且功能实用，使相关企业容易在市场中发现该产品，从而推广增加该产品的销量。此外，本产品以其更好的电能质量会受到电力行业的信赖。该产品与电力息息相关，自然与人们的生活息息相关，它能够取代传统的电力变流装置，必将成为时代发展的一个必然产物。

解决方案

本团队以多目标优化排序模型预测控制的SL-qZSI光伏储能系统作为核心产品，其中包括应用于储能型SL-qZSI数学模型的建立、多目标排序FCS-MPC基本原理和控制流程以及代价函数的设计等，所提控制策略无需设计权重系数，通过将多目标优化预测与光伏储能系统深度融合，提高光储系统供电稳定性及效率，重塑光伏储能系统在行业应用中的生产力。储能技术的应用可以有效地解决相关问题，是对公共电网的有效补充，凸显其发电灵活、清洁高效的特点，能够产生更大的经济效益和社会价值。

产品原理

本项目基于SL-qZSI的数学模型，结合多目标优化排序的优点，设计基于多目标优化排序的SL-qZSI模型预测控制策略，控制算法流程如图3-3所示。SL-qZSI在直通模式下，SL-qZ源网络中电感L1的电流处于上升状态，在非直通模式下，电感L1的电流处于下降状态，可根据代价函数gL，利用电感电流分别在直通模式和非直通模式下的预测值，判断逆变器下一个开关状态是否处于直通模式。

若下一个开关状态是直通模式，开关管均导通；若下一个开关状态是非直通模式，则分别计算7个非直通模式电容电压和负载电流的代价函数gi和gc，并把gi 和gc的值按照[0,6]从小到大顺序进行排序，得到gi和gc的排序值，最后，把gi和gc的排序值进行求和计算，得到排序和，最小的排序和对应的开关状态应用到逆变器的下一个控制周期。

产品技术

信号采样电路主要是对负载相电流、相电压、电容电压以及电感电流等数据进行采样和处理。DSP在接收采样电路反馈回来的数据后对多目标优化排序模型预测控制算法进行运算,发送脉冲指令给FPGA，再经由一系列的处理后输出6路PWM脉冲信号，这些脉冲信号经由驱动电路放大后，驱动IGBT开关管的通断，从而实现逆变器交流电压和电流的输出。
驱动模块在IGBT开关管的控制中起到了至关重要的作用，驱动电路的作用主要是将控制核心的脉冲输出功率进行放大，以达到驱动IGBT功率开关的目的。为了保证IGBT功率开关管安全、可靠、稳定的运行，驱动电路可实现控制电路和被驱动IGBT栅极的电隔离，起着决定性的作用。
电流采样电路选用霍尔电流传感器LA100-P，电压采样电路选用霍尔电压传感器LV25-P；采样电路主要是对SL-qZSI光伏储能系统主电路中的输出电压、电流、电容电压以及电感电流等参数进行采样处理，然后将其传送回处理器当中用于算法的运算。

本实验主功率电路为SL-qZSI拓扑，通过控制6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。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。

总结与展望

光伏发电已成为目前我国电力能源的重要来源之一。本文采用的方案易于实现，成本低廉，凭借其电压变换范围大、允许桥臂直通、输出电能质量高等特性对于提高光储系统供电稳定性及效率具有重要意义，且实际效果优越，安全可靠，能够很好地解决蓄电池运维困难的问题，有效降低客户企业的运营成本，展现出良好的发展前景。