安全约束下基于大语言模型的光伏高增益直流变换器自整定预测控制，适用于非平稳辐照度和未知负载条件

《Electric Power Systems Research》：Safety-constrained LLM-based self-tuning predictive control of PV high-gain DC-DC converters under non-stationary irradiance and unknown loads

　　

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  提出了一种安全约束下的 FCS-MPC 框架，用于在光伏高增益直流-直流变换器中同时实现最大功率点追踪和直流母线电压调节。
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  基于大语言模型（LLM）的监管调参机制可根据光照度和负载条件的变化自适应更新预测时域和代价函数权重。
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  安全门限和后备控制器在在线调参过程中对占空比、电感电流和输出电压强制执行硬约束。
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  所提框架在非平稳光照度和未知负载扰动条件下提升了瞬态响应、电压调节能力和运行鲁棒性。

引言

光伏（PV）电力转换系统需要高效的最大功率提取以及对下游负载、微电网和并网接口的稳定直流供电 [1], [2]。在实际光伏部署中，通常需要一种高增益直流-直流（DC-DC）变换器将光伏电压提升至受控的直流水平，尤其是在光伏阵列电压较低而直流母线显著较高时 [3], [4]。然而，光伏运行具有非平稳特性，因为光照度变化迅速，而在直流微电网和混合能源系统中连接的负载可能不可预测地变化 [4], [5], [6]。这些变化会移动最大功率点（MPP）并扰动变换器动态特性，如果控制器不具备自适应能力，则可能降低能量捕获效率和电压调节精度。

模型预测控制（MPC）已被广泛应用于光伏电力电子领域，因为它能够预测变换器响应并选择切换动作，从而在条件变化时改善瞬态跟踪性能 [5], [7], [8]。基于 MPC 的最大功率点追踪（MPPT）也已与高升压变换器结构和简化传感相结合，以提升动态响应并降低实现成本 [3], [4]。预测控制进一步扩展应用于光伏并网变换器和多级逆变器阶段，包括有限控制集 MPC（FCS-MPC）和定频预测策略，以调节直流母线电压并改善电能质量 [9], [10], [11]。在无变压器光伏微型逆变器系统中，预测控制已与高增益前端转换和漏电流抑制目标结合使用，以提升安全性和并网合规性 [12], [13], [14]。

尽管取得了上述进展，光伏高增益 DC-DC 变换器在非平稳光照度和未知负载条件下仍面临严格的安全要求。占空比偏离、电感过电流和输出电压过冲会增加半导体应力并威胁可靠运行，特别是当控制器参数针对额定工况离线整定时。这些局限性促使我们提出一种安全约束的自调参预测控制方法，该方法可在运行期间自适应调节，同时在整个运行范围内保持约束满足。

各章节摘要

光伏 DC-DC 转换与 MPPT 的预测控制

光伏能量转换通常依赖一个前端 DC-DC 阶段来提升光伏电压，并使用 MPPT 将工作点调节至最大功率点（MPP）。MPC 已被广泛应用于 MPPT，因为它能够预测变换器响应并借助代价函数选择下一个控制动作，从而在光照度快速变化时改善跟踪性能。Mosa 等人将 MPC 与增量电导率 MPPT 相结合，并在动态气象条件下验证了改进的跟踪效果 [5]。Abdel-Rahim 和 Wang 进一步

系统模型

图 1 展示了所提出的闭环架构，其中光伏组件为高增益 DC-DC 变换器供电，而预测开关控制器利用测量的光伏侧和变换器侧信号来调节直流母线。关键设计目标是在非平稳事件（包括光照度/温度的快速变化和负载突变）期间维持快速电压调节和稳定电流动态特性，这些事件通常会降低预测精度并导致约束违反。

数学建模

本节包含所提出的基于 LLM 的光伏高增益 DC-DC 变换器自调参预测控制的数学建模公式。与基于拓扑锁定的多区间（逐模式）推导和基于机器学习的参数搜索不同，我们建立了一个预测就绪模型、一个带硬约束的有限时域控制公式，以及一个受安全门限和后备策略保护的大语言模型监督自调参层。该结构与广泛使用的平均化/离散

LLM 监管工作流与自调参过程

图 2 展示了位于预测开关控制器之上的监管工作流，该工作流在光伏工作点和直流母线动态因光照度/温度变化及未知负载阶跃而发生漂移时，对其调参进行自适应更新。在以往基于 MPC 的 MPPT 和光伏调节研究中，控制器时域和权重通常被固定（或通过有限启发式方法调整），这可能导致性能下降，并在快速

所提算法

算法 1 总结了所提出的监管工作流，其中经过调理的测量信号（v_pv、i_pv、v_o、i_L）被转化为趋势特征以检测非平稳运行漂移，大语言模型代理提出预测控制参数（例如时域和权重向量）的有界更新。与固定调参的 MPC-MPPT 实现不同——后者在光照度斜坡变化和负载动态漂移超出额定包络时可能失去鲁棒性——调参更新经过安全

仿真设置与参数

所提出的闭环验证遵循图 1 中的架构和图 2 中的工作流，使用 (17)–(25) 中的预测就绪被控对象模型和 (1)–(8) 中的光伏源模型。仿真采用 MATLAB/Simulink，离散控制回路采样时间为 T_s，其中测量信号（v_pv、i_pv、v_o、i_L）经过调理后用于在硬安全集 $\mathcal{S}$（见公式 (35)）约束下，针对公式 (45) 中的占空比候选集 $\mathcal{D}$ 计算 FCS-MPC 决策。测试用例施加非平稳光照度/温度

结论

本文针对非平稳光照度和未知负载动态条件下的光伏高增益 DC-DC 变换器，提出了一种安全约束的 LLM 辅助自调参预测控制方案。该方法将 (17)–(25) 中的预测就绪平均化/离散被控对象模型与 (1)–(8) 中的光伏源建模相结合，并采用 (40)–(46) 中带硬约束的有限时域目标函数及安全集 $\mathcal{S}$（见公式 (35)），同时通过 LLM 监管器依据 (47)–(50) 更新 ?[k]，并经安全门限 (57)–(59) 过滤

资助

作者感谢泰夫大学研究生院与科学研究所对本工作的资助。

CRediT 作者贡献声明

Kashmala Salim：撰写 – 初稿、软件、形式化分析、概念构思。Farman Ali：撰写 – 审阅与编辑、撰写 – 初稿、验证、软件。Ishtiaq Ahmad：撰写 – 审阅与编辑、资源、调查、形式化分析。Haleem Afsar：撰写 – 审阅与编辑、方法论、资金获取。Ali Alshamrani：撰写 – 审阅与编辑、调查、数据整理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究、作者署名和/或发表的任何竞争性经济利益、个人关系或已知利益冲突。

Kashmala Salim|Farman Ali|Ishtiaq Ahmad|Haleem Afsar|Ali Alshamrani