手把手教你学simulink（30.1）--电力电子场景示例：基于Simulink的三相光伏逆变器设计与优化
目录
项目实例：基于Simulink的三相光伏逆变器设计与优化
项目背景
项目结构
1. 光伏阵列建模
1.1 光照强度与温度模型
1.1.1 光照强度与温度模型实现
1.2 光伏阵列模型
1.2.1 光伏阵列模型实现
2. DC-DC升压变换器建模
2.1 DC-DC升压变换器模型
2.1.1 DC-DC升压变换器模型实现
3. DC-AC逆变器建模
3.1 三相DC-AC逆变器模型
3.1.1 三相DC-AC逆变器模型实现
4. 最大功率点跟踪（MPPT）
4.1 扰动观察法（P&O）
4.1.1 扰动观察法实现
4.2 增量电导法（INC）
4.2.1 增量电导法实现
5. 并网控制
5.1 锁相环（PLL）
5.1.1 锁相环实现
5.2 比例积分（PI）控制器
5.2.1 PI控制器实现
6. 滤波器设计
6.1 LC滤波器设计
6.1.1 LC滤波器模型实现
7. 性能评估与优化
7.1 效率分析
7.1.1 效率分析实现
7.2 稳定性测试
7.2.1 稳定性测试实现
7.3 可靠性评估
7.3.1 可靠性评估实现
8. 硬件在环仿真（HILS）
8.1 硬件连接
8.1.1 硬件连接实现
8.2 实时仿真
8.2.1 实时仿真实现
总结
关键功能总结：
进一步扩展
详细说明
1. 光伏阵列建模
2. DC-DC升压变换器建模
3. DC-AC逆变器建模
4. 最大功率点跟踪（MPPT）
5. 并网控制
6. 滤波器设计
7. 性能评估与优化
8. 硬件在环仿真（HILS）
项目实例：基于Simulink的三相光伏逆变器设计与优化
项目背景
随着可再生能源技术的发展态势日益加快，在太阳能发电系统中光伏逆变器作为关键组件发挥着不可替代的作用。该设备不仅能够将直流电转换为符合电网质量标准的交流电，并且支持最大功率点追踪技术的应用以提升能量利用率。同时保证输出的电能质量和并网要求，并支持最大功率点追踪技术的应用以提升能量利用率的同时还需要具备高效、稳定且可靠的工作性能以确保系统的长期运行安全与经济性
本项目的目的是以Simulink为平台构建一个三相光伏逆变器模型。整合最大功率点跟踪（MPPT）、并网控制以及滤波器设计等多种功能，并以此实现以下目标：
- 光伏阵列建模: 开发光伏阵列的数学模型, 分析其输出特性.
- DC-DC升压变换器建模: 开发DC-DC升压变换器的数学模型以优化光伏阵列的工作电压.
- DC-AC逆变器建模: 开发三相DC-AC逆变器的数学模型以实现直流转交流.
- 最大功率点跟踪(MPPT): 研发MPPT算法, 确保光伏系统稳定运行于最佳发电状态.
- 并网控制: 研发并网控制策略以确保逆变器输出符合电网电能质量要求.
- 滤波器设计: 研发LC滤波电路以减少谐波影响, 提高系统电能质量.
- 性能评估与优化: 全面评估逆变器效率参数后实施优化方案, 提升系统整体效能.
- 硬件在环仿真(HILS): 搭建Simulink-Hardware-in-the-Loop连接框架, 验证控制算法的实际效能.
项目结构
该项目将分为以下几个主要模块：
- 光伏阵列模型构建
- DC-DC升压变换器的模型建立
- DC-AC逆变器的模型构建
- 最大功率跟踪技术（MPPT）
- 并网控制系统设计
- 滤波电路的设计方案制定
- 系统性能评估方案制定及优化措施探讨
- 硬件在环仿真的实现方案确定
1. 光伏阵列建模
光伏组件阵列作为光伏逆变器系统的主要供电来源之一，在其运行过程中受到光照强度、温度变化以及光伏板特性的影响。为了准确预测和分析该系统的行为模式我们计划开发一个数学模型用于模拟光伏组件阵列的输出功率。
1.1 光照强度与温度模型
光照强度与温度作为影响光伏阵列输出功率的主要因素。我们可以通过Simulink中的Signal Builder模块生成随机变化的光照强度与温度信号；此外还可以通过历史数据分析来进行仿真研究。
1.1.1 光照强度与温度模型实现
Matlab
深色版本
% 添加光照强度生成模块
add_block('simulink/Sources/Signal Builder', 'Solar_Irradiance');
% 设置光照强度信号
set_param('Solar_Irradiance', 'TimeValues', [0, 6, 12, 18, 24], 'SignalValues', [0, 200, 1000, 200, 0]); % 不同时段的光照强度
% 添加温度生成模块
add_block('simulink/Sources/Signal Builder', 'Temperature');
% 设置温度信号
set_param('Temperature', 'TimeValues', [0, 6, 12, 18, 24], 'SignalValues', [15, 20, 30, 25, 15]); % 不同时段的温度
% 连接光照强度和温度到光伏阵列
connect_blocks('Solar_Irradiance', 'PV_Array');
connect_blocks('Temperature', 'PV_Array');1.2 光伏阵列模型
太阳能电池板集合的发电量可通过其I-V特性曲线进行计算。可用Simulink中的Simscape Electrical工具箱搭建光伏系统模型。
1.2.1 光伏阵列模型实现
Matlab
深色版本
% 添加光伏阵列模块
add_block('simscape/electrical/Specialized Power Systems/Renewable Energy Sources/Photovoltaic Panel', 'PV_Array');
% 设置光伏阵列参数
set_param('PV_Array', 'NominalPower', '5'); % 额定功率为5 kW
set_param('PV_Array', 'NominalVoltage', '400'); % 额定电压为400 V
set_param('PV_Array', 'NominalCurrent', '12.5'); % 额定电流为12.5 A
% 连接光伏阵列到DC-DC升压变换器
connect_blocks('PV_Array', 'Boost_Converter');2. DC-DC升压变换器建模
旨在提高光伏阵列的输出电压，并使其适应逆变器的工作范围；为此，在光伏阵列与逆变器之间应配置一个DC-DC升压变换器。该变换器可将输入端较低的直流电压转换为输出端较高的直流电压。
2.1 DC-DC升压变换器模型
在Simulink环境中集成Simscape Electrical工具箱以开发DC-DC升压变换器模型
2.1.1 DC-DC升压变换器模型实现
Matlab
深色版本
% 添加DC-DC升压变换器模块
add_block('simscape/electrical/Specialized Power Systems/Power Electronics/Boost Converter', 'Boost_Converter');
% 设置升压变换器参数
set_param('Boost_Converter', 'DutyCycle', '0.5'); % 初始占空比为50%
set_param('Boost_Converter', 'SwitchingFrequency', '100e3'); % 开关频率为100 kHz
% 连接升压变换器到光伏阵列和逆变器
connect_blocks('PV_Array', 'Boost_Converter');
connect_blocks('Boost_Converter', 'Inverter');3. DC-AC逆变器建模
DC-AC逆变器作为光伏发电系统的核心组件，在直流与交流电转换方面发挥着关键作用。专业的建模与仿真平台Simulink提供了Simscape Electrical工具箱的支持以实现三相DC-AC逆变器模型的搭建。
3.1 三相DC-AC逆变器模型
该系统中可以通过Simulink平台运用Simscape Electrical工具箱来搭建三相DC-AC逆变器模型
3.1.1 三相DC-AC逆变器模型实现
Matlab
深色版本
% 添加三相DC-AC逆变器模块
add_block('simscape/electrical/Specialized Power Systems/Power Electronics/Three-Phase Inverter', 'Inverter');
% 设置逆变器参数
set_param('Inverter', 'ModulationIndex', '0.9'); % 调制指数为0.9
set_param('Inverter', 'SwitchingFrequency', '100e3'); % 开关频率为100 kHz
% 连接逆变器到升压变换器和电网
connect_blocks('Boost_Converter', 'Inverter');
connect_blocks('Inverter', 'Grid');4. 最大功率点跟踪（MPPT）
为了保证光伏阵列持续运行于最大功率点位置以实现能量最大化输出我们需开发相应的MPPT调控系统。其中主要采用的方法包括扰动观察方法（Perturb and Observe P&O）以及增量导纳法（Incremental Conductance INC）等
4.1 扰动观察法（P&O）
动态调整法是一种被广泛采用的MPPT方案，在光伏系统中通过动态优化光伏阵列的工作状态来定位最大输出功率值。
4.1.1 扰动观察法实现
Matlab
深色版本
function [duty_cycle] = mpptControl(pv_voltage, pv_current)
% 计算光伏阵列的输出功率
power = pv_voltage * pv_current;
% 使用扰动观察法（P&O）实现MPPT
if power > last_power
duty_cycle = duty_cycle + 0.01; % 增加占空比
else
duty_cycle = duty_cycle - 0.01; % 减小占空比
end
% 更新上一时刻的功率
last_power = power;
end4.2 增量电导法（INC）
增量电导法是一种更为精确的MPPT算法，并采用电流与电压变化关系的变化规律来识别系统是否已达到最大功率点。
4.2.1 增量电导法实现
Matlab
深色版本
function [duty_cycle] = incMpptControl(pv_voltage, pv_current)
% 计算光伏阵列的电导
conductance = pv_current / pv_voltage;
% 计算增量电导
delta_conductance = (pv_current - last_current) / (pv_voltage - last_voltage);
% 使用增量电导法（INC）实现MPPT
if conductance < delta_conductance
duty_cycle = duty_cycle + 0.01; % 增加占空比
else
duty_cycle = duty_cycle - 0.01; % 减小占空比
end
% 更新上一时刻的电压和电流
last_voltage = pv_voltage;
last_current = pv_current;
end5. 并网控制
为了保证逆变器输出的电能质量达到电网标准要求, 应致力于设计相应的并网控制策略. 常见的并网控制方案主要包括锁相环（PLL）和比例积分（PI）控制器等.
5.1 锁相环（PLL）
锁相环（PLL）不仅用于实现逆变器输出信号的相位角与频率的同步控制，并以确保其交流电与电网系统达到一致的运行状态。
5.1.1 锁相环实现
Matlab
深色版本
% 添加锁相环模块
add_block('simscape/electrical/Specialized Power Systems/Additional Components/PLL', 'PLL');
% 设置锁相环参数
set_param('PLL', 'Kp', '10'); % 比例增益
set_param('PLL', 'Ki', '1'); % 积分增益
% 连接锁相环到电网
connect_blocks('PLL', 'Grid');5.2 比例积分（PI）控制器
比例-积分（PI）调节器用于控制逆变器输出的电压和电流值，并保证输出电能的质量达到电网要求的标准。
5.2.1 PI控制器实现
Matlab
深色版本
% 添加PI控制器模块
add_block('simscape/electrical/Specialized Power Systems/Additional Components/PI Controller', 'PI_Controller');
% 设置PI控制器参数
set_param('PI_Controller', 'Kp', '10'); % 比例增益
set_param('PI_Controller', 'Ki', '1'); % 积分增益
% 连接PI控制器到逆变器
connect_blocks('PI_Controller', 'Inverter');6. 滤波器设计
为了解决这一问题...提升电网功率质量...必须安装在逆变器的输出端口之前...能够有效地抑制高频谐波干扰...从而使得交流电更加平稳
6.1 LC滤波器设计
通过Simulink平台中的Simscape Electrical模块库来搭建LC滤波器系统模型。
6.1.1 LC滤波器模型实现
Matlab
深色版本
% 添加LC滤波器模块
add_block('simscape/electrical/Specialized Power Systems/Elements/LC Filter', 'LC_Filter');
% 设置滤波器参数
set_param('LC_Filter', 'L', '100e-6'); % 电感值为100 μH
set_param('LC_Filter', 'C', '10e-6'); % 电容值为10 μF
% 连接滤波器到逆变器和电网
connect_blocks('Inverter', 'LC_Filter');
connect_blocks('LC_Filter', 'Grid');7. 性能评估与优化
为了测定逆变器的性能参数，必须进行一系列仿真测试。这些测试涵盖效率分析、稳定性测试以及可靠性评估等多个方面。采用Simulink平台中的Simscape Electrical系统建模模块以及Simulink Design Optimization优化求解器来进行系统性能分析与参数优化。
7.1 效率分析
通过调用该工具箱模块`Simscape Electrical`$进行逆变器工作状态的建模与分析，并对系统中能量转换的整体效率进行评估。
7.1.1 效率分析实现
Matlab
深色版本
% 添加效率分析模块
add_block('simscape/electrical/Specialized Power Systems/Measurements/Efficiency Measurement', 'Efficiency_Analysis');
% 连接效率分析模块到逆变器
connect_blocks('Efficiency_Analysis', 'Inverter');7.2 稳定性测试
通过Simulink Control Design工具箱在Simulink环境中执行稳定性评估以验证逆变器在各种工作条件下的稳定性能
7.2.1 稳定性测试实现
Matlab
深色版本
% 添加稳定性测试模块
add_block('simulink_control_design/Analysis/Linear Analysis', 'Stability_Test');
% 连接稳定性测试模块到逆变器
connect_blocks('Stability_Test', 'Inverter');7.3 可靠性评估
通过应用Simulink中的Reliability Block Diagram工具箱来完成逆变器的可靠性评估工作，并保证其在长时间运行过程中的可靠度
7.3.1 可靠性评估实现
Matlab
深色版本
% 添加可靠性评估模块
add_block('reliability_toolbox/Reliability Block Diagram', 'Reliability_Assessment');
% 连接可靠性评估模块到逆变器
connect_blocks('Reliability_Assessment', 'Inverter');8. 硬件在环仿真（HILS）
为了评估控制算法的实际效果, 可以通过将Simulink模型与实际硬件设备进行物理连接, 并执行硬件在环仿真测试（Hardware-in-the-Loop Simulation Testing, HILS）。通过Simulink平台中的HILS Toolbox功能模块能够完成HILS操作。
8.1 硬件连接
硬件连接指为将Simulink模型与实际设备（如光伏组件、逆变器、传感器等）建立接口以实现实时数据传输与系统控制的过程。我们借助于Simulink中的HILS Toolbox工具箱来完成这一操作。
8.1.1 硬件连接实现
Matlab
深色版本
% 添加硬件连接模块
add_block('hils_toolbox/Hardware Interface', 'Hardware_Interface');
% 设置硬件连接参数
set_param('Hardware_Interface', 'Device', 'PV_Array'); % 连接到光伏阵列
set_param('Hardware_Interface', 'Port', 'COM1'); % 串口为COM1
% 连接硬件到系统
connect_blocks('Hardware_Interface', 'System_Model');8.2 实时仿真
实时仿真指的是于实际硬件环境中运行Simulink模型，并持续进行系统状态的实时监控。我们可以通过借助Simulink中的HILS Toolbox工具箱来实现持续性的 realtime simulation.
8.2.1 实时仿真实现
Matlab
深色版本
% 启用实时仿真
set_param('System_Model', 'SimulationMode', 'External');
% 启动实时仿真
sim('System_Model');总结
基于以下代码实现的系统架构设计中
- 光伏阵列建模: 搭建光伏阵列的数学模型以便仿真其输出功率。
- DC-DC升压变换器建模: 开发DC-DC升压变换器的数学模型以便提升光伏阵列的最大输出电压。
- DC-AC逆变器建模: 开发三相DC-AC逆变器以便实现直流转交流转换。
- 最大功率点跟踪(MPPT): 优化算法设计以便确保光伏系统持续处于最佳能量转换状态。
- 并网控制: 制定并网控制策略以便确保逆变器输出符合电网质量标准。
- 滤波器设计: 优化滤波电路设计以便减少谐波影响并提升系统效率。
- 性能评估与优化: 进行系统性能分析与调优以提高效率、稳定性和可靠性。
- 硬件在环仿真(HILS): 将Simulink模型部署至实际硬件进行硬件在环测试验证控制系统的实际表现。
关键功能总结：
- 光伏阵列建模：开发光伏阵列系统的数学模型，并预测其输出功率表现。
- DC-DC升压变换器建模：构建DC-DC升压变换器系统的数学模型，并优化光伏系统电源电压。
- DC-AC逆变器建模：开发三相DC-AC逆变器的数学模型以实现直流转交流转换。
- 最大功率点跟踪（MPPT）：设计并开发最大功率跟踪算法以优化系统效率。
- 并网控制：制定并网控制策略以确保逆变器输出符合电网标准要求。
- 滤波器设计：开发LC滤波电路以减少逆变器谐波影响并提高电能质量。
- 性能评估与优化：评估逆变器运行效率、稳定性和可靠性，并持续改进系统性能。
- 硬件在环仿真（HILS）：将Simulink仿真与实际逆变器硬件进行集成测试以验证控制算法效果。
进一步扩展
- 多模式运行：实现逆变器的多种运行模式功能，支持孤立运行、电网互联等多种工作状态。
- 智能调度与优化：通过引入先进的AI算法和机器学习技术，在智能化调度与优化的基础上提升系统自适应能力。
- 故障检测与诊断：具备故障检测能力的系统架构，在持续监控健康状态的同时能够及时发现并处理潜在问题以保障安全运行。
- 用户交互与响应：采用需求响应机制鼓励用户参与负荷调节策略，并进一步提高系统的整体效率。
- 远程监控与管理：通过集成物联网技术实现逆变器系统的远程监控与管理功能，在方便用户随时了解系统状态的同时提供灵活的配置选项。
详细说明
1. 光伏阵列建模
通过简化光伏阵列建模流程能够显著提升效率。该系统采用Simulink平台下的Simscape Electrical模块库作为基础架构，并提供了一个完整的光伏组件与逆变器接口模块库。通过配置基本参数就能实现从组件级到系统级的完整建模。
2. DC-DC升压变换器建模
为了简化DC-DC升压变换器建模的过程, 可以利用Simulink中的Simscape Electrical工具箱来实现. 该模块集通过配置相应的参数设置后能够便捷地搭建复杂的DC-DC变换器系统.
3. DC-AC逆变器建模
为了简化DC-AC逆变器建模的过程, 可以通过Simulink软件实现DC-AC逆变器模型的简化搭建过程. 该软件工具包提供了构建复杂逆变器系统的简便方法, 其中包含了一系列可供直接应用的三相逆变器模块. 通过设定相应的参数配置即可高效地搭建出复杂的逆变器系统.
4. 最大功率点跟踪（MPPT）
为了提高复杂度的MPPT算法实现需求，在仿真软件Simulink中可调用Control System Toolbox提供的相关工具包以完成相关控制系统的开发工作
5. 并网控制
为提升并网控制策略的复杂性，在Simulink平台上的Control System Toolbox提供了丰富的工具箱。这些预装的功能模块包括锁相环（PLL）、比例积分（PI）控制器等多种功能模块，并可帮助用户轻松完成并网控制任务较为便捷。通过这些功能模块完成并网控制任务较为便捷，并可确保逆变器输出的电能质量符合电网标准。
6. 滤波器设计
为了降低滤波器设计复杂度，可以通过Simulink平台提供的Simscape Electrical工具箱实现相应的功能集成。该工具箱集成了标准化的LC滤波器模型库，并支持通过配置基础参数快速搭建复杂滤波网络以满足工程需求
7. 性能评估与优化
为了更全面地评估逆变器的各项性能指标, 此功能模块提供现成的优化求解器, 支持效率分析. 稳定性测试以及可靠性评估等多种性能指标的优化.
8. 硬件在环仿真（HILS）
为了评估控制算法的实际效果, 我们可以在Simulink平台上的HILS Toolbox集成套件中搭建相应的开发环境. 该集成套件集成了现成的硬件连接模块和实时仿真功能, 支持将Simulink模型直接部署至实际 hardware 设备, 并通过硬件在环测试验证 control algorithm 的稳定性和可靠性.
按照以下步骤进行：搭建一个完整的三相光伏逆变器模型并对其进行深入的性能分析和优化。