手把手教你学simulink(95.2)--光伏逆变器实例:基于Simulink的最大功率点跟踪(MPPT)的光伏逆变器建模仿真
目录
基于Simulink的最大功率点跟踪(MPPT)的光伏逆变器建模仿真
1. 背景介绍
1.1 项目背景
1.2 系统描述
1.3 应用场景
2. 具体的仿真建模过程
2.1 系统模型构建
2.1.1 光伏电池模型
2.1.2 MPPT控制器模型
2.1.3 逆变桥模型
2.1.4 滤波器模型
2.1.5 电网接口模型
2.2 连接各模块
2.3 添加输出显示
3. 仿真设置与运行
3.1 设置仿真参数
3.2 运行仿真
3.3 分析仿真结果
4. 结果分析与讨论
4.1 结果分析
4.2 讨论
5. 总结
基于Simulink的最大功率点跟踪(MPPT)的光伏逆变器建模仿真
1. 背景介绍
1.1 项目背景
随着全球范围内对清洁能源的需求呈现持续上升趋势,在太阳能光伏发电系统作为一种重要的可再生能源应用领域中占据了越来越重要的地位的同时得到了大规模的实际应用。在太阳能光伏发电系统架构中占据核心地位的是光伏逆变器这一关键组件它主要负责将光伏电池板所产生的直流电转变为交流电进而满足家庭工业或与电网并网运行的需求
该技术用于优化光伏电池的最大输出功率点,并通过Simulink软件构建基于MPPT控制策略的光伏逆变器模型,并对其动态行为进行仿真分析。本研究重点通过Simulink软件构建基于MPPT控制策略的光伏逆变器模型,并对其动态行为进行仿真分析。重点关注其在不同工作状态下的运行特性、动态响应特性和系统的稳定性问题。
1.2 系统描述
基于MPPT的光伏逆变器主要包括以下几个部分:
- 光伏电池行为模拟系统 :分析并仿真太阳能电池的工作特性以计算直流电压与电流值。
- 最大功率点跟踪控制器设计 :旨在找到在不同光照及温度条件下的最佳工作点,并通过反馈调节实现系统的高效运行。
- 三相逆变桥电路构成 :包含六个开关元件(如IGBT或MOSFET),能够实现三相交流电的有效合成。
- 滤波电路设计 :去除高频噪声成分以消除电源系统的非正弦谐波分量。
- 电网连接模块设计 :负责将逆变器的交流电接入电网系统以完成能量输送。
1.3 应用场景
- 住宅光伏发电系统:为家庭居民提供清洁、安全的电力支持,并在特定条件下实现家庭能源自主供能目标。
- 商业和工业光伏发电系统:通过高效运营降低企业的电费支出成本,并为日常运营提供持续稳定的电力供应保障。
- 分布式发电系统:整合多个小型光伏电站形成统一网络,在提升电网运行效率的同时显著增强系统的稳定性和适应性。
- 并网发电系统:将发电设备产生的电能接入国家电网系统,在满足用电需求的同时优化整体能源资源配置效率。
2. 具体的仿真建模过程
2.1 系统模型构建
在Simulink环境中,我们将依次搭建光伏电池模型,MPPT控制器,逆变桥,滤波器以及电网接口,并使它们被集成到一个完整的光伏逆变器系统控制平台上。
2.1.1 光伏电池模型
光伏电池模型用于模拟太阳能电池板的行为,生成直流电压和电流。
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% 添加光伏电池模型
add_block('simulink/Simscape/Foundation Library/Electrical/Elements/Solar Cell', [modelName '/SolarCell']);
set_param([modelName '/SolarCell'], 'Area', '0.5'); % 设置光伏电池面积为0.5平方米
set_param([modelName '/SolarCell'], 'Iph', '8'); % 设置光生电流为8A
set_param([modelName '/SolarCell'], 'Voc', '45'); % 设置开路电压为45V
set_param([modelName '/SolarCell'], 'Rs', '0.5'); % 设置串联电阻为0.5欧姆
set_param([modelName '/SolarCell'], 'Rsh', '1000'); % 设置并联电阻为1000欧姆
set_param([modelName '/SolarCell'], 'Ncell', '72'); % 设置光伏电池单元数为72
2.1.2 MPPT控制器模型
该型控制器旨在优化光伏电池输出的最大功率点,并通过动态调节使系统在各种光照及温度条件下正常运行,并持续输出最大能量。其中一种常用的方法是扰动观察法(简称P&O法),其通过动态调节光伏系统的操作点以最大化能量捕获。
matlab
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% 添加MPPT控制器模型
add_block('simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function', [modelName '/MPPTController']);
set_param([modelName '/MPPTController'], 'MATLABFunction', 'function y = fcn(u)\n % Perturb and Observe MPPT algorithm\n persistent prev_power duty_cycle\n if isempty(prev_power)\n prev_power = u(1) * u(2);\n duty_cycle = 0.5;\n end\n step_size = 0.01;\n delta_P = (u(1) * u(2)) - prev_power;\n if delta_P > 0\n duty_cycle = duty_cycle + step_size * sign(delta_P);\n else\n duty_cycle = duty_cycle - step_size * sign(delta_P);\n end\n prev_power = u(1) * u(2);\n y = duty_cycle;\nend');
set_param([modelName '/MPPTController'], 'SampleTime', '1e-3'); % 设置采样时间为1ms
2.1.3 逆变桥模型
逆变桥由六个开关器件构成,一般会选择IGBT或MOSFET器件。建议采用Universal Bridge模块来模拟逆变桥的功能。
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% 添加逆变桥模型
add_block('simulink/Simscape/Electrical/Specialized Technology/Fundamental Blocks/Power Electronics/Universal Bridge', [modelName '/InverterBridge']);
set_param([modelName '/InverterBridge'], 'SnubberResistance', 'inf'); % 无缓冲电阻
set_param([modelName '/InverterBridge'], 'SnubberCapacitance', '0'); % 无缓冲电容
set_param([modelName '/InverterBridge'], 'Ron', '0.01'); % 开关导通电阻
set_param([modelName '/InverterBridge'], 'Lon', '0'); % 开关导通电感
set_param([modelName '/InverterBridge'], 'Roff', '1e6'); % 开关截止电阻
set_param([modelName '/InverterBridge'], 'Loff', '0'); % 开关截止电感
set_param([modelName '/InverterBridge'], 'Configuration', '3-level bridge (6 legs)'); % 三相逆变桥配置
2.1.4 滤波器模型
滤波器用于抑制高频谐波并消除高频噪声的影响。通过引入LC电感和电容组件来优化电路设计能够有效改善系统性能。
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% 添加LC滤波器模型
add_block('simulink/Simscape/Foundation Library/Electrical/Elements/Capacitor', [modelName '/Capacitor']);
set_param([modelName '/Capacitor'], 'C', '100e-6'); % 电容值为100uF
add_block('simulink/Simscape/Foundation Library/Electrical/Elements/Inductor', [modelName '/Inductor']);
set_param([modelName '/Inductor'], 'L', '1e-3'); % 电感值为1mH
2.1.5 电网接口模型
该逆变器的交流电经由该电网接口接入电网系统。通过采用理想变压器和负载组件,我们可以模拟真实的电网环境。
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% 添加电网接口模型
add_block('simulink/Simscape/Foundation Library/Electrical/Elements/Ideal Transformer', [modelName '/IdealTransformer']);
set_param([modelName '/IdealTransformer'], 'TurnsRatio', '1'); % 设置变压器匝比为1
add_block('simulink/Simscape/Foundation Library/Electrical/Elements/Resistor', [modelName '/GridLoad']);
set_param([modelName '/GridLoad'], 'R', '10'); % 设置负载电阻为10欧姆
2.2 连接各模块
将上述各个模块连接起来,形成完整的基于MPPT的光伏逆变器控制系统。
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% 连接光伏电池到MPPT控制器
add_line(modelName, '/SolarCell/1', '/MPPTController/1', 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, '/SolarCell/2', '/MPPTController/2', 'autorouting', 'on');
% 连接MPPT控制器到逆变桥的输入端口
add_line(modelName, '/MPPTController/1', '/InverterBridge/1', 'autorouting', 'on');
% 连接逆变桥输出到LC滤波器
add_line(modelName, '/InverterBridge/1', '/Inductor/1', 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, '/Inductor/1', '/Capacitor/1', 'autorouting', 'on');
% 连接LC滤波器输出到电网接口
add_line(modelName, '/Capacitor/1', '/IdealTransformer/1', 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, '/IdealTransformer/1', '/GridLoad/1', 'autorouting', 'on');
2.3 添加输出显示
使用Scope块显示系统输出。
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% 添加Scope块显示系统输出
add_block('simulink/Sinks/Scope', [modelName '/Scope']);
connect_blocks(modelName, {'/SolarCell', '/Scope'}); % 连接光伏电池输出到Scope
connect_blocks(modelName, {'/MPPTController', '/Scope'}); % 连接MPPT控制器输出到Scope
connect_blocks(modelName, {'/InverterBridge', '/Scope'}); % 连接逆变桥输出到Scope
connect_blocks(modelName, {'/Capacitor', '/Scope'}); % 连接滤波器输出到Scope
connect_blocks(modelName, {'/IdealTransformer', '/Scope'}); % 连接电网接口输出到Scope
3. 仿真设置与运行
3.1 设置仿真参数
在上述代码中,已经设置了仿真时间为0.5秒,并保存了模型。
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% 设置仿真时间
set_param(modelName, 'StopTime', '0.5'); % 设置仿真时间为0.5秒
save_system(modelName); % 保存模型
3.2 运行仿真
打开Simulink模型,点击工具栏中的“Run”按钮运行仿真。
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% 打开Simulink模型并运行仿真
open_system(modelName); % 打开Simulink模型
sim(modelName); % 运行仿真
3.3 分析仿真结果
在Simulink模型中,打开Scope块查看系统响应曲线。
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% 打开Scope窗口
open_system([modelName '/Scope']);
4. 结果分析与讨论
4.1 结果分析
在Scope窗口中,你可以看到以下主要曲线:
- 光伏电池输出信号:通过光伏组件实现的能量转换过程及其工作状态呈现。
- MPPT控制器输出信号:动态调节系统运行工况的关键控制参数——占空比。
- 逆变桥输出信号:详细描述逆变器组的工作特性及其对后续电路的影响。
- 滤波器输出电压:分析LC滤波网络在电网侧端子处产生的动态响应特性。
- 电网接口输出信号:完整表征电力电子装置与主电网之间的交互过程及其影响特征。
通过这些曲线,你可以评估系统的性能:
- 最大功率点追踪精确度:验证MPPT控制器能否精准捕获并维持光伏电池组的最大出力点。
- 逆变器输出品质:检测逆变器输出的三相交流电压与电流与理想标准相符。
- 滤波性能:检测滤波器能否有效地平滑输出电压曲线,并降低谐波含量。
- 系统电网兼容性:分析系统在多光谱光照及不同温度条件下运行的兼容性及其对电网系统的总体影响。
4.2 讨论
为了在不同光照强度下评估基于MPPT的光伏逆变器的性能并同时观察其输出特性, 实验者可以通过分析Scope窗口中的波形图来总结出相关特性.
- 最大功率点追踪精度:当MPPT控制器电路在各种光照强度条件下精确识别并维持光伏电池组的最大功率点时,则说明该MPPT算法设计科学合理,并确保了系统的高效能量收集能力。
- 逆变器输出品质:若逆变器设备输出的三相交流电压与电流形态接近理论上的正弦曲线形态,则表明其整流电路设计合理且具备优秀的输出特性。
- 滤波效果:若滤波电路能够有效地平滑输出电压波动并显著降低谐波含量,则说明该滤波电路设计科学、性能优越。
- 电网连接稳定性:无论光照强度或环境温度如何变化,在电网连接方面表现稳定的系统均具备良好的适应性和可靠性。
5. 总结
通过本项目的实施,在Simulink平台上我们取得了显著进展,在光伏逆变器领域成功搭建了一个基于最大功率点跟踪(MPPT)的仿真模型,并对其进行了深入的仿真实验与系统分析。该模型不仅有助于我们深入了解其工作机理及其在不同光照与温度条件下的性能特性,并且为太阳能光伏发电技术的发展提供了重要支撑
