基于模型预测控制MPC的光伏供电的DC-AC变换器设计研究附Simulink仿真

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🔥 内容介绍

在全球能源危机和环境问题日益严峻的当下，太阳能作为一种清洁、可再生的能源，受到了广泛关注。光伏供电系统作为利用太阳能的重要方式，其高效运行对于能源的充分利用至关重要。DC-AC 变换器作为光伏供电系统中的关键部件，负责将光伏阵列产生的直流电转换为符合电网标准或负载需求的交流电，其性能直接影响整个光伏系统的效率和稳定性。

传统的控制方法在 DC-AC 变换器控制中存在响应速度慢、抗干扰能力差等问题，难以满足光伏系统在复杂工况下的高性能要求。而模型预测控制（MPC）作为一种先进的控制策略，具有处理多变量约束、动态响应快、控制精度高等优势，为 DC-AC 变换器的高效控制提供了新的思路。

因此，开展基于模型预测控制 MPC 的光伏供电的 DC-AC 变换器设计研究，对于提高光伏系统的转换效率、增强系统的稳定性和可靠性，推动太阳能的广泛应用具有重要的理论意义和实际应用价值。

二、相关理论基础

（一）模型预测控制（MPC）

模型预测控制是一种基于滚动优化的控制方法，其基本原理是根据系统的数学模型，预测系统未来的输出状态。通过在每一个控制时刻求解一个有限时域的优化问题，得到当前时刻的控制量，并将其应用于系统。然后，在接下来的时刻，重复上述过程，不断更新预测和优化。

MPC 具有以下特点：

1. 处理约束能力强：能够直接处理系统中的各种输入、输出约束，保证系统的安全运行。

1. 动态响应好：可以根据系统的动态特性，快速调整控制量，使系统能够迅速跟踪参考值。

1. 鲁棒性较强：对于系统模型的不确定性和外部干扰具有一定的抑制能力。

（二）光伏供电系统

光伏供电系统主要由光伏阵列、储能装置、DC-AC 变换器等组成。光伏阵列将太阳能转化为直流电，但其输出电压和电流受光照强度、温度等环境因素的影响较大，具有较强的非线性和波动性。

为了保证光伏系统的高效运行，需要实现最大功率点跟踪（MPPT）。MPPT 技术能够根据环境变化，实时调整光伏阵列的工作点，使其输出最大功率。

（三）DC-AC 变换器

DC-AC 变换器是将直流电转换为交流电的装置，根据拓扑结构的不同，可分为全桥变换器、半桥变换器等。在光伏供电系统中，DC-AC 变换器需要具备高效率、高可靠性和良好的输出波形质量等特点。

三、基于 MPC 的 DC-AC 变换器设计方案

（一）系统总体结构

本设计的光伏供电 DC-AC 变换器系统主要由光伏阵列、MPPT 控制器、DC-AC 变换器主电路和 MPC 控制器组成。光伏阵列输出的直流电经过 MPPT 控制器进行最大功率点跟踪，然后送入 DC-AC 变换器主电路，在 MPC 控制器的控制下，将直流电转换为符合要求的交流电。

（二）MPPT 控制器设计

采用扰动观察法实现 MPPT 控制。扰动观察法通过不断地对光伏阵列的工作电压进行微小扰动，检测其输出功率的变化，从而判断当前工作点与最大功率点的位置关系，并调整工作电压，使光伏阵列工作在最大功率点附近。

（三）DC-AC 变换器主电路设计

选用全桥拓扑结构作为 DC-AC 变换器的主电路。全桥变换器具有输出功率大、效率高的特点，适合在光伏供电系统中应用。主电路主要由四个功率开关管、滤波电感和滤波电容组成。

（四）MPC 控制器设计

1. 系统模型建立：建立 DC-AC 变换器的数学模型，包括主电路的状态方程和输出方程。考虑到系统的非线性特性，采用离散化的模型进行描述，以便于 MPC 的实现。

1. 预测模型：根据建立的系统模型，预测未来一段时间内变换器的输出电压和电流。预测模型的准确性直接影响 MPC 的控制性能。

1. 目标函数设计：设计合适的目标函数，用于评价预测输出与参考值之间的偏差。目标函数应综合考虑输出电压的跟踪精度、开关频率的限制等因素。例如，目标函数可以表示为预测输出电压与参考电压的平方差加上控制量的变化率项，以保证系统的稳定性和控制的平滑性。

1. 滚动优化：在每一个控制周期内，根据预测模型和目标函数，求解优化问题，得到最优的控制量。优化过程需要考虑系统的各种约束条件，如功率开关管的最大电流、最大电压等。

1. 反馈校正：由于模型存在不确定性和外部干扰，需要通过实际测量的输出值对预测模型进行校正，以提高预测的准确性。

四、结论与展望

（一）结论

本研究设计了基于模型预测控制 MPC 的光伏供电 DC-AC 变换器系统。通过建立系统的数学模型，设计了 MPPT 控制器和 MPC 控制器，并进行了仿真实验。仿真结果表明，所设计的系统能够实现光伏阵列的最大功率点跟踪，DC-AC 变换器的输出波形质量良好，动态响应速度快，具有较好的控制性能。

（二）展望

在今后的研究中，可以进一步优化 MPC 控制器的算法，提高其计算效率，以适应更高频率的控制需求。同时，可以考虑将智能算法与 MPC 相结合，提高系统的自适应性和鲁棒性。此外，还可以进行硬件实验验证，进一步完善系统的设计。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 郑雪生,李春文,戎袁杰.DC/AC变换器的混杂系统建模及预测控制[J].电工技术学报, 2009, 024(007):87-92.DOI:10.3321/j.issn:1000-6753.2009.07.016.

[2] 王盼宝.基于双核控制器的单相光伏并网逆变器研究[D].哈尔滨工业大学,2011.DOI:10.7666/d.D263332.

[3] 贾紫蕊.基于V2G技术的双向AC-DC变换器及其关键技术研究[D].浙江大学,2014.

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