基于Simulink的微电网场景下的微电网逆变器建模仿真

目录

基于Simulink的微电网场景下的微电网逆变器建模仿真

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 分布式电源模型

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

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基于Simulink的微电网场景下的微电网逆变器建模仿真

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1. 背景介绍

1.1 项目背景

随着分布式能源系统的快速发展，微电网作为一种灵活、可靠的供电解决方案，得到了广泛关注。微电网通常由多种分布式电源（如太阳能光伏、风力发电、储能系统等）和负载组成，并通过微电网逆变器实现与主电网的连接或独立运行。

本项目旨在通过Simulink对微电网中的微电网逆变器进行建模与仿真，重点研究其在不同工况下的性能表现、动态响应特性以及稳定性。

1.2 系统描述

基于微电网的逆变器主要包括以下几个部分：

• 分布式电源模型：模拟微电网中各种分布式电源的行为，生成直流电压和电流。
• 最大功率点跟踪（MPPT）控制器：用于优化分布式电源输出的最大功率点，确保系统在不同工况下都能获得最大能量输出。
• 逆变桥：由六个开关器件（如IGBT或MOSFET）组成的三相逆变桥电路，用于将直流电压转换为三相交流电压。
• 滤波器：用于平滑输出电压波形，减少谐波成分。
• 电网接口：用于将逆变器输出的交流电接入主电网或供本地负载使用。

1.3 应用场景

• 住宅微电网系统：为家庭提供清洁电力，减少电费支出，并在某些情况下实现能源自给自足。
• 商业和工业微电网系统：为企业提供稳定、可靠的电力供应，降低运营成本。
• 偏远地区微电网系统：为远离主电网的偏远地区提供稳定的电力供应。
• 并网/离网切换微电网系统：根据实际需求，微电网可以灵活地在并网模式和离网模式之间切换，以提高系统的可靠性和灵活性。

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2. 具体的仿真建模过程

2.1 系统模型构建

在Simulink中，我们将分别建立分布式电源模型、MPPT控制器、逆变桥、滤波器以及电网接口，并将其集成到一个完整的微电网逆变器控制系统中。

2.1.1 分布式电源模型

假设我们使用太阳能光伏发电作为分布式电源。我们可以使用Simulink中的Solar Cell模块来模拟太阳能电池板的行为，生成直流电压和电流。

matlab

深色版本

% 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

MPPT控制器用于优化光伏电池输出的最大功率点，确保系统在不同光照和温度条件下都能获得最大能量输出。可以采用扰动观察法（Perturb and Observe, P&O）来实现MPPT控制。

matlab

深色版本

% 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组成，通常采用IGBT或MOSFET。我们可以使用Universal Bridge模块来模拟逆变桥的行为。

matlab

深色版本

% 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

滤波器用于平滑输出电压波形，减少谐波成分。我们可以使用LC滤波器来实现。

matlab

深色版本

% 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

电网接口用于将逆变器输出的交流电接入主电网或供本地负载使用。我们可以使用理想变压器和负载来模拟电网接口。

matlab

深色版本

% 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，形成完整的微电网逆变器控制系统。

matlab

深色版本

% 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

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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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深色版本

% 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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深色版本

% 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。

matlab

深色版本

% 打开Scope窗口
open_system([modelName '/Scope']);

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