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

一、引言

在全球能源转型与 “双碳” 目标的推动下，太阳能作为清洁、可再生的新能源，其开发利用已成为能源领域的研究热点。光伏发电系统通过光伏阵列将太阳能转化为直流电，而实际用电负载（如家用电器、工业设备）多为交流电，因此 DC-AC 变换器作为光伏发电系统与交流电网或负载之间的关键接口，其性能直接决定了电能传输的效率、稳定性与电能质量。

传统的 DC-AC 变换器控制方法，如比例 - 积分 - 微分（PID）控制、空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制等，虽在一定程度上能实现电能转换，但存在动态响应速度慢、抗干扰能力弱、对非线性负载适应性差等不足。尤其在光伏发电系统中，光伏阵列输出功率受光照强度、温度等环境因素影响具有强波动性，传统控制方法难以快速跟踪功率变化，易导致变换器输出电压谐波畸变率升高、电能质量下降。

模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）作为一种先进的控制策略，具有建模灵活、能处理多约束条件、动态响应快等优势，可有效应对光伏发电系统的不确定性与非线性特性。将 MPC 应用于光伏供电的 DC-AC 变换器控制，能够实时预测变换器的输出状态，优化控制信号，提高变换器的动态性能与抗干扰能力，对于提升光伏发电系统的整体运行效率与可靠性具有重要的理论意义和实际应用价值。

二、相关基础理论

（一）光伏供电系统与 DC-AC 变换器基础

1. 光伏供电系统结构

光伏供电系统主要由光伏阵列、DC-DC 变换器、DC-AC 变换器、储能单元及负载（或电网）组成。光伏阵列将太阳能转化为直流电，由于其输出特性具有非线性（输出电压随光照、温度变化），需通过 DC-DC 变换器实现最大功率点跟踪（MPPT），使光伏阵列始终工作在最大功率输出状态；DC-AC 变换器则将经 DC-DC 变换器稳压后的直流电转换为符合电网或负载要求的交流电，是连接光伏系统与交流侧的核心环节。

1. DC-AC 变换器拓扑结构

光伏供电系统中常用的 DC-AC 变换器拓扑为三相两电平逆变器，其结构由 6 个功率开关管（如 IGBT）组成，通过控制开关管的导通与关断，将直流母线电压逆变为三相交流电。该拓扑具有结构简单、成本低、控制方便等优点，适用于中低压光伏发电系统（如 10-100kW 级）。其工作原理为：根据控制信号，依次导通不同桥臂的开关管，使直流母线电压在交流侧形成对称的三相正弦波电压，通过滤波器滤除谐波后，为负载或电网供电。

1. DC-AC 变换器性能指标

衡量 DC-AC 变换器性能的关键指标包括：

• 电能质量：输出电压谐波畸变率（THD）需满足国家标准（如 GB/T 14549-1993 要求 THD≤5%）、输出电压幅值与频率稳定性（电压偏差≤±5%，频率偏差≤±0.5Hz）；

• 动态响应：当光伏阵列输出功率或负载发生突变时，变换器输出电压的恢复时间需短（通常要求≤10ms），超调量小（≤5%）；

• 转换效率：变换器在不同负载率下的转换效率需高（额定负载下效率≥95%），以减少电能损耗。

（二）模型预测控制（MPC）基础

1. MPC 的核心原理

MPC 基于系统的数学模型，通过预测未来一段时间内系统的输出状态，结合优化目标与约束条件，求解最优控制序列，并仅将当前时刻的控制信号作用于系统。其核心思想是 “滚动时域优化”，即每一个控制周期内，都基于当前系统状态更新预测模型，重新求解优化问题，实现动态跟踪与实时调整，从而应对系统的不确定性与扰动。

1. MPC 的基本组成与流程

• 预测模型：构建能够描述系统输入与输出之间动态关系的数学模型，是 MPC 的基础。对于 DC-AC 变换器，常用的预测模型包括状态空间模型、离散时间模型等，用于预测未来 k 个采样周期内变换器的输出电压、电流等状态量。

• 滚动优化：根据预测模型，定义优化目标函数（如最小化输出电压与参考电压的误差、最小化开关损耗等），并考虑系统约束（如开关管最大电流、直流母线电压限制等），在每个控制周期内求解最优控制序列。

• 反馈校正：由于模型误差、外部扰动等因素，实际系统输出与预测输出可能存在偏差，通过采集系统实际输出状态，对预测模型进行校正，提高预测精度，增强系统的鲁棒性。

MPC 的具体流程为：

1. 状态采集：在当前控制周期，采集 DC-AC 变换器的输入（如直流母线电压）、输出（如三相输出电流、电压）等状态量；

1. 模型预测：基于预测模型，结合当前状态量，预测未来 N 个采样周期内变换器的输出状态；

1. 优化求解：根据优化目标函数与约束条件，求解未来 N 个周期内的最优控制序列；

1. 控制执行：将最优控制序列中的第一个控制信号作用于变换器，控制功率开关管的导通与关断；

1. 反馈更新：进入下一控制周期，重复上述步骤，实现滚动优化控制。

1. MPC 的优势与适用场景

• 优势：建模灵活，可适用于线性与非线性系统；能直接处理多变量、多约束问题，满足变换器的安全运行要求；动态响应速度快，可快速跟踪光伏功率波动与负载变化；鲁棒性强，对模型参数摄动与外部干扰具有较好的抑制能力。

• 适用场景：尤其适用于具有不确定性、非线性及多约束的动态系统，如光伏供电的 DC-AC 变换器、新能源汽车逆变器、储能系统变流器等。

三、基于 MPC 的光伏供电 DC-AC 变换器设计

（一）系统整体设计架构

基于 MPC 的光伏供电 DC-AC 变换器系统整体架构分为光伏阵列与 DC-DC 变换器模块、DC-AC 变换器模块、MPC 控制模块及负载 / 电网接口模块，具体如下：

1. 光伏阵列与 DC-DC 变换器模块

光伏阵列采用多块光伏组件串联或并联组成，根据系统功率需求确定容量（如 50kW 系统采用 20 块 250W 光伏组件串联）。DC-DC 变换器采用 Boost 拓扑，通过扰动观察法或增量电导法实现 MPPT 控制，将光伏阵列输出电压稳定在 DC-AC 变换器所需的直流母线电压（如 700V），并为 DC-AC 变换器提供稳定的直流输入。

1. DC-AC 变换器模块

采用三相两电平逆变器拓扑，功率开关管选用 IGBT（如英飞凌 FF300R12ME4），配备快速恢复二极管与缓冲电路，减少开关损耗与电压尖峰。变换器输出侧连接 LC 滤波器，滤除高频谐波，使输出电压满足电能质量要求。

1. MPC 控制模块

作为系统的核心控制单元，MPC 控制模块由数据采集单元、预测模型单元、优化求解单元与控制信号生成单元组成：

• 数据采集单元：通过电压传感器（如 LEM LV25-P）、电流传感器（如 LEM LA55-P）实时采集直流母线电压、变换器三相输出电流与电压，经 AD 转换器（如 TI ADS8688）转换为数字信号，输入预测模型单元；

• 预测模型单元：基于 DC-AC 变换器的数学模型，预测未来 N 个采样周期内的输出电压与电流；

• 优化求解单元：根据优化目标函数与约束条件，求解最优开关状态序列；

• 控制信号生成单元：将最优开关状态转换为 PWM 驱动信号，控制 IGBT 的导通与关断。

1. 负载 / 电网接口模块

若系统接入电网，接口模块需包含孤岛检测单元与并网同步单元，确保变换器输出电压与电网电压同频同相；若为离网系统，接口模块直接连接交流负载，需具备负载保护功能（如过流、过压保护）。

四、研究趋势与展望

（一）研究趋势

1. 多电平 DC-AC 变换器 MPC 控制

随着光伏发电系统功率等级的提升（如 MW 级光伏电站），传统两电平逆变器已难以满足高压大容量需求，多电平逆变器（如三电平 NPC 逆变器、五电平 ANPC 逆变器）成为发展方向。未来需研究多电平变换器的 MPC 控制策略，解决多开关状态下的优化求解复杂度问题，进一步降低输出电压 THD，提高系统容量与效率。

1. 基于深度学习的 MPC 优化

传统 MPC 的预测精度依赖于系统数学模型，当系统存在强非线性或建模误差时，控制性能会下降。将深度学习（如长短期记忆网络 LSTM、卷积神经网络 CNN）与 MPC 结合，利用深度学习模型预测光伏输出功率与负载变化，优化 MPC 的预测模型与参考电流生成，提高系统对不确定性的适应能力。

1. 分布式光伏并网系统 MPC 协同控制

分布式光伏发电系统中，多台 DC-AC 变换器并联运行，需实现多逆变器之间的协同控制，避免环流产生，提高并网稳定性。未来需研究基于 MPC 的分布式协同控制策略，通过通信网络共享各逆变器状态信息，优化整体控制目标，实现多逆变器的同步运行与功率均衡分配。

（二）展望

1. 硬件加速与实时控制

当前 MPC 优化求解依赖 DSP 或微处理器，对于复杂多电平变换器或大规模分布式系统，计算负担较重。未来可采用现场可编程门阵列（FPGA）实现 MPC 算法的硬件加速，利用 FPGA 的并行计算能力，减少优化求解时间，满足更高采样频率（如 50kHz）的实时控制需求。

1. 考虑电网稳定性的 MPC 控制

随着高比例光伏发电接入电网，DC-AC 变换器需具备支撑电网的能力（如低电压穿越、无功功率调节）。未来需在 MPC 控制策略中融入电网稳定约束，当电网电压跌落时，快速调整变换器输出无功功率，帮助电网恢复电压，提高光伏并网系统的电网友好性。

1. 全生命周期能效优化

当前研究多关注变换器的运行效率，未来需结合光伏系统的全生命周期（如光伏组件衰减、功率器件老化），设计基于 MPC 的能效优化策略，通过实时调整控制参数，减少功率器件损耗，延长系统使用寿命，降低全生命周期成本。

总之，基于 MPC 的光伏供电 DC-AC 变换器设计研究，为提升光伏发电系统的性能提供了有效途径。随着控制算法的不断优化与硬件技术的发展，该研究将在大规模光伏并网、分布式光伏系统等领域发挥重要作用，推动新能源发电技术的进一步发展。

⛳️ 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] 杨兴武,牛梦娇,李豪,等.基于开关状态函数计算的改进模型预测控制[J].电工技术学报, 2018, 33(20):11.DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.171018.

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