微电网仿真-光伏系统

一、光储微电网系统架构

微电网常用matlab simulink仿真模块：Simscape->Electrical->Speclialized Power Systems->Sensors Measurements（目录下）

示例图片

二、光伏电池模型搭建

参考文献：光伏微电网混合储能系统控制策略研究_唐国强.pdf（根据原理公式搭建）

1、光伏电池拓扑图

示例图片

2、光伏电池搭建流程

  1. 设置模型采样模式（离散）和采样步长（默认）
示例图片
  1. 新建一个子系统，设置输入端口为光照S和温度T，删除输出端口
示例图片
  1. 新建一个受控电流源，表示光伏的电流输出，设置模式为DC，参数默认
示例图片

  1. 新建一个表达式模块，表示受控的信号，它是光伏建模的表达式，将会作为受控电流源的输入

    光伏建模表达式为：

示例图片 示例图片
  1. 新建一个母线信号，设置参数为5，它将作为表达式模块的5个输入
示例图片

  1. 然后按照参考文献的修正公式逐步搭建模块

    （1）修正方案

    其中：开路电压Uoc，短路电流Isc，最大功率时电压Um，最大功率时电流Im

示例图片

（2）各项参数的设定值

示例图片
  1. 首先搭建
示例图片

新建一个add模块（表示加减法，将其符号列表设置为+-）+一个constants模块（表示常量tref，将其常量值设置为25），用dt表示deta t

示例图片
  1. 接下来搭建
示例图片

（1）新建一个div模块（表示乘除法）+一个constant常量模块（表示常量Sref，将其常量值设置为1000）

（2）在新建一个ada模块（表示加减法）+一个constant常量模块（表示常量1）

示例图片
  1. 接下来搭建
示例图片

（1）新建一个三输入的Product模块（表示乘法）+两个constant模块（表示Isc和S/Sref输入）

（2）新建一个Product模块（表示乘法）+一个constant模块（表示a）

（3）一个constant模块（表示1），然后作为Product输入

示例图片
  1. 接下来搭建
示例图片

其中，新建一个ln模块，一个constant模块（参数为exp(1)）

示例图片
  1. 接下来搭建
示例图片 示例图片
  1. 接下来搭建
示例图片 示例图片
  1. 接下来搭建，这里面的Um等参数都要用对应修正后的参数
示例图片 示例图片
  1. 接下来搭建（先除后乘需要注意，直接拆成两个除即可）
示例图片

  1. 然后搭建输入U

    （1）新建两个Connection Port（外端口）+一个Voltage Measurement（测量电压作用，测量值作为fcn的输入）

    (2)加一个delay模块（信号延迟，形成了闭环回路）

示例图片

  1. 最后搭建(先除后乘需要注意)

    fn模块的表达式为：u(1)×(1-u(2)×(exp(u(3)/u(4)/u(5))-1))

示例图片
  1. 调整走线布局
示例图片
  1. 设置光伏电池的参数

（1）右键Subsystem模块创建封装

示例图片

（2）点击编辑，新建四个参数，然后保存

示例图片

（3）双击Subsystem模块，就可以看到封装的四个参数

示例图片

（4）新建一个pv array模块，将四个参数输入Subsystem模块中

示例图片
  1. 至此，光伏电池模型已经搭建好

三、光伏发电系统的特性仿真分析

参考文献：微电网接入配电网协同优化控制研究_蔡晓钦.pdf

采用控制变量法对于理想条件下的光伏阵列进行模拟分析，通过改变光照强度或温度的方式，保证另一条件不变的方式分析该种因素对光伏系统的影响，由此得到不同条件下的P—U及I—U输出特性曲线

1、特性分析拓扑图

示例图片

（2Ramp模块：是为了提供一个阶跃信号，用于模拟光照强度随时间的变化或其他变量的变化，设定参数为40/0.05（Uoc=36.4，仿真时间为0.05s）

(3)To Workspace模块：将V、P和I变量保存至工作区，设定保存格式为数组，同时将二维信号另存为二维数组

（4）Controlled Voltage Source：受控电压源，其输出电压取决于输入信号

（5）Diode：二极管模块，可能用于保护电路或限制电流方向

（6）仿真时间：0.05s

2、光照强度变化

在恒温 25°C下，光照强度为 1000W/m2、800W/m2、600W/m2 的顺序转换下，查看光伏电池的输出特征转换曲线。

注意：由于光伏输出的电流I到了一定阶段会出现异常，因此画图前需要将这部分数据做处理

未处理前的P—U曲线：

示例图片

做处理后

（1）光照变化P-U曲线

示例图片

（2）光照变化I-U曲线

示例图片

（3）实现代码

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
for S=600:200:1000
    T=25;
    out=sim("Pv_Battery.slx")
    % 找到第一个功率值小于0的索引
    idx = find(out.P1 < 0, 1, 'first');
    
    if ~isempty(idx)
        % 将该索引及其之后的所有元素设为0
        out.P1(idx:end) = 0;
        out.I1(idx:end) = 0;
    end
    
    figure(1)
    plot(out.V1,out.P1,'DisplayName',['S=',num2str(S)])
    hold on
    axis([0 50 -10 400])
    xlabel("U/V")
    ylabel("P/W")
    title("光照变化P-U曲线")
    legend
    print(gcf, '-djpeg', 'S_P_U_Curve.jpg')  % 保存为 JPEG
    
    figure(2)
    plot(out.V1,out.I1,'DisplayName',['S=',num2str(S)])
    hold on
    axis([0 50 -1 20])
    xlabel("U/V")
    ylabel("I/A")
    title("光照变化I-U曲线")
    legend
    print(gcf, '-djpeg', 'S_P_I_Curve.jpg')  % 保存为 JPEG
    
end

3、温度变化

（1）温度变化P-U曲线

示例图片

（2）温度变化I-U曲线

示例图片

（3）实现代码

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
for T=10:10:40 %从10开始增长到40，每次增量为10
    S=1000;
    out=sim("Pv_Battery.slx")
    % 找到第一个功率值小于0的索引
    idx = find(out.P1 < 0, 1, 'first');
    
    if ~isempty(idx)
        % 将该索引及其之后的所有元素设为0
        out.P1(idx:end) = 0;
        out.I1(idx:end) = 0;
    end

    figure(3)
    plot(out.V1,out.P1,'DisplayName',['T=',num2str(T)])
    hold on
    axis([0 50 -10 400])
    xlabel("U/V")
    ylabel("P/W")
    title("温度变化P-U曲线")
    legend
    print(gcf, '-djpeg', 'T_P_U_Curve.jpg')  % 保存为 JPEG

    figure(4)
    plot(out.V1,out.I1,'DisplayName',['T=',num2str(T)])
    hold on
    axis([0 50 -1 20])
    xlabel("U/V")
    ylabel("I/A")
    title("温度变化I-U曲线")
    legend
    print(gcf, '-djpeg', 'T_P_I_Curve.jpg')  % 保存为 JPEG
    
end

四、boost电路搭建

参考文献：直流微电网多状态运行控制策略研究—张忆然.pdf

在光伏PV电池板中，boost电路被用作MPPT控制

示例图片

1、开环boost电路搭建

1.1、开环boost电路拓扑图

开环Boost电路又称为升压斩波电路（Boost Chopper），没有反馈机制（没有电压或者电流反馈，控制器不会根据输出电压的变化来调整开关的占空比），稳定性差，不能实现精确的输出电压调节

IGBT模块：脉冲宽度为0.3，则IGBT的导通为0.3ms，关断时间为0.7ms（上升沿导通，下降沿关闭）

电路工作原理（PWM为0.5）

  • IGBT的断开和闭合状态：IGBT在上升沿阶段处于闭合状态（开关导通），IGBT在下降沿阶段处于断开状态（开关断开）

  • 电路充电：IGBT处于闭合时，电感L处于充电状态，此时电容为负载供电

示例图片
  • 电路放电：IGBT处于断开时，电感L处于放电阶段，此时直流电源和电感同时为负载充电
示例图片
工作模式 负载工作状态 能量流动方向
工作模式 1 吸收能量 光伏单元→电感，电容→负载
工作模式 2 吸收能量 电感和电感→电容和负载
示例图片
1.2、搭建流程

1、新建一个pv array模块+两个constant模块（一个光照设定1000W/m2，一个温度设定25℃）

2、新建一个Series RLC Branch模块（可以动态调节RLC的组合或者单个器件），搭建时都为默认参数，R=1，C=1e-6，L=1e-3

3、新建一个IGBT模块（控制和放大电力）+diode模块（控制、保护和转换电路，具有单向导电性质）

4、新建一个Pulse Generator模块（模拟开关动作，决定IGBT何时导通和关断），参数设定为：周期为1/100，脉冲宽度（周期百分比）：50（这里的D就是脉冲宽度，所以升压以后就是100*2=200V）

示例图片

5、仿真时间：2s

1.3、参数微调

目的：确认开环boost电路的电容和电感参数）

（1）默认参数下，负载电压波形

示例图片

（2）纹波过大，增大与负载并联的电容C的值：1e-1

示例图片

（3）出现以上现象说明，IGDT开关频率过小，采样数过少，增加Pulse Generator模块的周期为：1/1e3

示例图片

（4）出现升压的时候，波形存在一定的波动，增大电路中的电感L为：1e-1

示例图片

（5）如果构图过慢，可以提升powergui的采样方式:Discrete和continuous都可以

2、双闭环Boost电路搭建

特性+目的：电压电流双反馈+PWM产生脉冲宽度为50%的周波

2.1、双闭环boost电路拓扑图
示例图片
2.2、搭建流程

1、设定值200与电压的反馈值相减作为PID的输入，再将其与电流的反馈值相减作为PID的输入，然后将其输入PWM generator输出方波（理想状况下输入PWM generator的数值为0.5）

2、通过调节两个PID控制器的参数，使输入PWM generator的数值为0.5（通过第二个示波器观看）

五、MPPT原理和控制方法

1、MPPT原理

  • MPPT，即MaximumPowerPointTracking的简称，中文为“最大功率点跟踪”，它是指逆变器根据外界不同的环境温度、光照强度等特性来调节光伏阵列的输出功率，使得光伏阵列始终输出最大功率
  • 光伏电池阵列与负载通过DC/DC电路连接，最大功率跟踪装置不断检测光伏阵列的电流电压变化（实时控制），并根据其变化对DC/DC变换器的PWM驱动信号占空比进行调节
示例图片

2、恒压跟踪法CVT

2.1、原理

基于一个经验性的观察：在大多数情况下，光伏板的最大功率点对应的电压大约为开路电压𝑉oc的0.7到0.8倍左。因此，在使用恒压法进行MPPT控制时，可以将光伏板的工作电压设定为一个固定值，这个值通常为0.7×𝑉𝑜𝑐 至0.8×𝑉𝑜𝑐，从而使得光伏板尽可能地工作在最大功率点附近（光伏板的电流基本上一直处于不变的状态）

2.2、光强变化实验
2.2.1、拓扑图

实验目的：在0.5s的时候，光强从1000降到250，查看端电压是否能够稳定在给定值

示例图片
2.2.2、搭建流程

搭建参数：

仿真时间：1s

元件 电感L RC串联支路 RC并联电路 负载R
参数 L=1e-2 c=1e-4,R=0.01(内阻) C=1e-3 R=200

（1）开环boost电路，先调整L和C使得负载R的输出电压平衡稳定

示例图片

（2）根据系统光伏板的参数，得知最大功率的电压为290V

示例图片

（3）当PWM Generator(DC-DC)的脉冲宽度输入从0.2升至0.5时，负载端的电压变小了（R=2Ω—>200Ω），因此负载电压与脉宽成反比（给定值290V为差值）

示例图片

（4）将输出电压U与给定值290V做差，输入PID控制器中，再将其输出输入PWM Generator中，作为IGBT的输入

其中，PID的参数设置为

示例图片 示例图片
2.2.3、总结与分析

当光强发生变化的时候，端电压始终能维持在290V

示例图片
2.3、光强和给定电压都变化

实验目的：在0.5s的时候，光强和给定电压都发生变化，查看电路的端电压是否能够与给定值保持一致

2.3.1、拓扑图
示例图片
2.3.2、结果图

在0.5s的时候，光强和给定电压都发生变化，查看电路的端电压能够与给定值保持一致

示例图片

3、扰动观察法P&O

3.1、原理

计算当前功率（光伏的电压和电流）与最大功率的差值，Pc<Pm则需要增加负载工作端电压，Pc>Pm则需要减小负载工作端电压

分析功率的时候，还需要考虑I的大小，所以P(k-1)>P(k)时，此时还不能确定采样点是否位于最大功率点的左侧还是右侧

功率比较

  • 比较当前功率 P(k)与上一时刻功率 P(k−1)：

    • **情况 1：P(k)=P(k−1)**：系统已达到稳态，参考电压 Uref 不变

    • **情况 2：P(k)>P(k−1)**：表示功率增加，说明系统接近最大功率点。此时根据电压的扰动方向调整：

      • 如果 U(k)>U(k−1)，说明增加电压使功率增加，因此继续增加电压：
示例图片
  • 如果 U(k)<U(k−1)，说明减小电压使功率增加，因此继续减小电压：
示例图片

  • **情况 3：P(k)<P(k−1)**：表示功率减小，说明系统远离最大功率点。此时改变电压的扰动方向：

    • 如果 U(k)>U(k−1)，说明增加电压使功率减小，因此应减小电压：
示例图片
  • 如果 U(k)<U(k−1)，说明减小电压使功率减小，因此应增加电压：
示例图片 示例图片
3.2、拓扑图

PQ控制算法模块还可以用matlab function搭建

主电路模块：

示例图片

PQ控制算法模块：这个模块搭建的流程是按照dp/du=0搭建的

示例图片

搭建逻辑：先判断dp是否为0，接着判断dp.dv是否为0

仿真时间：1s

元件 电感L RC串联支路 RC并联电路 负载R
参数 L=1e-3 c=1e-3,R=0.01(内阻) C=1e-3 R=2
示例图片
3.3、搭建流程

（1）memory模块：记忆模块，默认保存上一个功率点（也可以设定默认值）

示例图片

（2）switch模块：切换模块，条件判断（根据输入的情况改变输出分支）

示例图片 示例图片

（3）Saturation模块：限幅模块，规定占空比输出的上下限

示例图片 示例图片
3.4、总结与分析

0.5s时，光照强度从1000降为500的时候，光伏电池的输出电压和功率与光伏特性曲线一致

（1）光伏特性曲线

1000Kw/m2：最大功率为213.15✖40✖10

示例图片

（2）光伏电池端电压变化

示例图片

（3）光伏电池输出功率变化

示例图片

4、电导增量法INC

4.1、原理

最大功率处，功率P 对电压 𝑈 的导数为零===>电导增量法的控制目标是使电导增量 𝑑𝐺等于电导 𝐺的负值

示例图片

电导增量法通常会先判断 ΔV=0和 ΔI=0原因：
1、避免计算分母为零的情况

如果直接计算 ΔI/ΔV，而 ΔV=0，则会导致分母为零，产生数学错（除零异常）。通过先判断 ΔV=0，可以提前排除这种情况，并直接处理

如果 ΔV=0：

  • 若 ΔI=0，说明系统已经处于稳态（功率未变化）
  • 若 ΔI≠0，则判断功率变化趋势而不必计算电导比

2、简化不必要的计算

  • 在光伏系统的运行中，如果 ΔV=0，直接计算 I+ΔI/ΔV⋅VI 是多余的，因为已经知道分母为零，无法得出有意义的结果
  • 通过单独判断 ΔV=0 和 ΔI=0，可以快速得出系统是否处于稳态，减少不必要的计算量

判断条件

  • 第一步：ΔV=0
    如果电压增量为零：
    • 如果 ΔI=0，说明工作点已达到最大功率点，不需要调整参考电压
    • 如果 ΔI>0，表示功率增加，需要提高 Vref
    • 如果 ΔI<0，表示功率减小，需要降低 Vref
  • 第二步：电导比判断
    如果 ΔV≠0，计算增量电导比 ΔI/ΔV与当前电流电压比 −I/V 比较：
    • 如果 I+ΔV/ΔI⋅V=0，说明当前已在最大功率点
    • 如果 I+ΔV/ΔI⋅V>0，说明工作点在最大功率点左侧，需要提高 Vref
    • 如果 I+ΔV/ΔI⋅V<0，说明工作点在最大功率点右侧，需要降低 Vref

调整参考电压 根据判断结果，动态调节参考电压 Vref，使系统不断逼近最大功率点。

示例图片
4.2、拓扑图

电路参数

仿真时间：1s

元件 电感L RC串联支路 RC并联电路 负载R
参数 L=1e-3 c=1e-3,R=0.01(内阻) C=1e-3 R=2

主电路模块：

示例图片

INT模块：

示例图片
4.3、搭建流程

将P&Q模块更改为INT

4.4、结论与分析

0.5s时，光照强度从1000降为500的时候，光伏电池的输出电压和功率与光伏特性曲线一致

（1）光伏特性曲线

1000Kw/m2：最大功率为213.15✖40✖10

示例图片

（2）光伏电池端电压变化

示例图片

（3）光伏电池2输出功率变化

示例图片

5、光伏多峰功率曲线

多个光伏板的特性探讨曲线

6、PID控制

P：比例控制，调节响应速度

I：积分控制，调节精度

D：微分控制，调节稳定性

情形：开车的时候想要将车速稳定在100的时候

1、车速过慢，我们想要快速响应车速的提升，就增加P

![d93b3778c057f2c80e9515cec7b4ef9](C:\Users\lenovo\Documents\WeChat Files\wxid_l19w4rhr0mmv21\FileStorage\Temp\d93b3778c057f2c80e9515cec7b4ef9.jpg)

2、快速提速容易导致车速波动过大，这时候我们就需要增加D

![5973c9233c145c713f1a58fd475ae10](C:\Users\lenovo\Documents\WeChat Files\wxid_l19w4rhr0mmv21\FileStorage\Temp\5973c9233c145c713f1a58fd475ae10.jpg)

3、设定速度与实际速度是有偏差的，当实际速度大于设定速度，我们就减小I

![5fee45e0d1d5c8e17515707561655d1](C:\Users\lenovo\Documents\WeChat Files\wxid_l19w4rhr0mmv21\FileStorage\Temp\5fee45e0d1d5c8e17515707561655d1.jpg)