【新能源科学与技术】MATALB/Simulink小白教程（一）实验文档【新能源电力转换与控制仿真】

很久没有发博客了，停更也快接近大半年，时间更多花在了PPT和项目上，最近找了不少朋友一起做 开源人形机器人，于是 索性在课程作业和项目之余更新下我的课程笔记—— MATLAB从0基础到 新能源发电系统仿真，感谢陈磊教授，下面的笔记在他的课上我逐渐学会如何使用MATLAB和Simulink。

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2025a 版本 MATLAB

在这之前看过各种MATLAB的书本只是觉得，《***快速教学》《***3小时看完》…用处不大，十多行语法对不起近百的价格（甚至还不如阿坤的MATLAB配色教程），在踩了一大堆坑之后，我终于意识到 一个好的课或者教程需要什么…

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下面进入正题

三篇关于新能源电力转换与控制仿真的实验指导文档

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仿真一：Buck 电路

一、仿真目的

1. 深入理解Buck电路的工作原理
2. 掌握Buck电路的建模与仿真方法
3. 学会分析Buck电路的性能特性

二、仿真内容

（一）Buck电路基本构成及工作原理

1. 基本构成：Buck电路由直流电压源、MOSFET管、二极管、电感电容滤波电路等组成。其中，MOSFET管和二极管构成开关电路，控制电能的传输；电感电容滤波电路用于平滑输出电压和电流。
2. 工作原理：Buck电路是一种降压型直流-直流变换器。当MOSFET管导通时，输入电压通过电感为负载和电容供电；当MOSFET管截止时，电感储存的能量通过二极管释放给负载和电容。通过调节MOSFET管的占空比，可以控制输出电压的大小。

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第一次打开会慢一点，左下角显示如下：


上面的是模型的打开，选中空白模型

模型界面（首次打开）会等待几分钟

打开库管理器就可以找到下面的模型，用到的如下，可以挨个复制

Mosfet

Universal bridge

DC voltage

RLC Branch

Pulse Generator

Mux

Powergui

vollage measurement

scope

然后把这些都拖动到

（二）Buck电路仿真模型及元件连接

1. 建立仿真模型：使用Matlab/Simulink等仿真软件，搭建Buck电路的仿真模型。包括直流电压源、MOSFET管、二极管、电感电容滤波电路、负载电阻等元件的添加和连接。
2. 元件连接：
   • 直流电压源连接到MOSFET管的漏极
   • MOSFET管的源极连接到电感的一端
   • 电感的另一端连接到负载电阻的一端和电容的一端
   • 电容的另一端连接到负载电阻的另一端和地
   • 二极管的阳极连接到MOSFET管的源极，阴极连接到电感的另一端

（三）Buck电路关键模块参数设置

1. 直流电压源（DC Voltage Source）：
   • 模块参数设置：在“Block Parameters (DC Voltage Source)”对话框中，设置“Sample based”为“off”，“Sample time (-1 for inherited)”为“-1”，“Input signal (v)”为“0”，“Output voltage (V)”为“100”，“Source impedance (ohms)”为“0”，“Output current (A)”为“0”，“Sample time (-1 for inherited)”为“-1”，“Input signal (v)”为“0”，“Output voltage (V)”为“100”，“Source impedance (ohms)”为“0”，“Output current (A)”为“0”，“Sample time (-1 for inherited)”为“-1”
2. MOSFET管（MOSFET）：
   • 模块参数设置：在“Block Parameters (MOSFET)”对话框中，设置“Type”为“N-channel enhancement mode”，“Rs (ohms)”为“0.1”，“Cs (F)”为“1e-12”，“Rs (ohms)”为“0.1”，“Cs (F)”为“1e-12”
3. 电感（Inductor）和电容（Capacitor）：
   • 电感：在“Block Parameters (Inductor)”对话框中，设置“Inductance (H)”为“1e-3”，“Series resistance (ohms)”为“0.1”
   • 电容：在“Block Parameters (Capacitor)”对话框中，设置“Capacitance (F)”为“1e-3”，“Series resistance (ohms)”为“0.01”
4. 负载电阻（Resistor）：
   • 在“Block Parameters (Resistor)”对话框中，设置“Resistance (ohms)”为“1”

（四）运行仿真与结果分析

1. 运行仿真：设置仿真参数，如仿真时间、步长等，运行仿真模型。
2. 结果分析：
   • 输出电压波形分析：观察输出电压波形，检查是否稳定在目标值附近。如果输出电压波动较大，可能需要调整电感、电容或占空比。
   • 效率分析：计算Buck电路的效率，分析能量转换效率。
   • 纹波分析：测量输出电压的纹波大小，评估滤波效果。如果纹波过大，可以考虑增加电容值或调整占空比。
   • 动态响应分析：改变输入电压或负载条件，观察输出电压的动态响应，评估电路的稳定性和响应速度。

（五）故障诊断与排除

1. 常见故障及原因分析：
   • 输出电压过高或过低：可能是占空比设置不当或反馈控制环节出现问题。
   • 输出电压纹波过大：可能是电感、电容值选择不合适或开关频率过低。
   • 电路无法正常工作：可能是元件连接错误或参数设置不合理。
2. 故障诊断与排除方法：
   • 使用示波器等工具，检查关键节点的波形，如输入电压、输出电压、MOSFET管的栅极驱动信号等。
   • 根据波形特征，判断故障类型和位置。
   • 针对故障原因，调整参数或修复连接，重新运行仿真，验证故障是否排除。

仿真二：逆变电路与 SPWM 控制技术仿真

一、仿真目的

1. 学习单相及三相逆变变换电路的仿真方法
2. 学习研究 SPWM 控制技术的作用
3. 掌握逆变电路中滤波与信号频谱分析方法

二、仿真内容

（一）单相逆变电路仿真

1. 建立单相逆变电路的仿真模型，对比研究逆变电路的控制信号分别为简单控制信号（即某个开关管的控制信号为 “半周期高电平半周期低电平” 的形式，可以不含有死区时间的设置）与 SPWM 信号时，逆变结果的差异。
   • 对比观察逆变控制信号的差异 ：通过对比两种控制信号，可以直观地看到简单控制信号和 SPWM 信号在波形上的不同。简单控制信号是一种较为基础的开关控制方式，而 SPWM 信号则具有更高的频率和更复杂的调制特性，能够更精确地控制逆变电路的输出。
   • 对比观察逆变输出信号的波形以及频谱结构的差异 ：信号频谱分析步骤如下：
     • 待分析信号从示波器中导出
     • 选择 “powergui\Tools\FFT Analysis”
     • 分析相应信号的频谱

简单控制信号的逆变输出信号频谱较为复杂，谐波成分较多，而 SPWM 信号的逆变输出信号频谱则相对集中，谐波含量较低，这使得 SPWM 控制技术在逆变电路中具有更好的性能和更高的电能质量。

2. 建立含有 LC 滤波电路的单相逆变电路的仿真模型，对比研究逆变电路的控制信号分别为简单信号与 SPWM 信号时，最终逆变输出结果的差异，以及滤波电路的截止频率对最终逆变输出的影响。
   • 对比观察最终逆变输出信号的波形以及频谱结构的差异 ：添加 LC 滤波电路后，两种控制信号下的逆变输出波信号形和频谱结构进一步得到改善。简单控制信号的逆变输出信号经过滤波后，谐波成分有所减少，但仍不如 SPWM 信号控制下的逆变输出信号纯净。而 SPWM 信号控制下的逆变输出信号在经过 LC 滤波后，能够更接近理想的正弦波，频谱特性更加优良。
   • 研究 LC 滤波电路的参数（滤波截止频率）对最终逆变输出的影响 ：通过改变 LC 滤波电路的参数，如电感 L 和电容 C 的值，可以调整滤波电路的截止频率。一般来说，截止频率的选择需要根据逆变电路的输出频率和负载特性来确定。当截止频率时较低，滤波效果较好，但可能会导致信号的相位移和幅值衰减；而截止频率较高时，虽然滤波效果相对较弱，但能够更好地保留信号的高频特性。经过实验发现，当 L、C 的参数均取为 1/(2pi50) 或其他合适参数时，能够取得较好的滤波效果，使逆变输出信号的质量得到显著提高。

（二）三相逆变电路仿真

1. 建立三相逆变电路仿真模型。
2. 观察三相逆变电路在简单控制信号控制时的输出相电压、线电压等信号的波形图。在简单控制信号下，三相逆变电路的输出相电压和线电压呈现出方波的特性，波形较为粗糙，谐波含量较高。
3. 对比观察三相逆变电路的简单控制信号与 SPWM 控制信号的波形图。SPWM 控制信号的波形则要平滑得多，其调制特性使得输出的相电压和线电压更接近正弦波，谐波成分得到了有效的抑制。
4. 观察三相逆变电路在 SPWM 信号控制时的输出相电压、线电压等信号的波形图，并与步骤 2 中的情况作对比。通过对比可以看出，SPWM 控制技术在三相逆变电路中具有明显的优势，能够显著提高电能质量，减少对电网的谐波污染。
5. 给三相逆变电路添加 LC 滤波，观察滤波后的有关输出。添加 LC 滤波后，三相逆变电路的输出信号得到了进一步的优化，波形更加平滑，谐波含量进一步降低，能够更好地满足负载对电能质量的要求。

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仿真三：PI 控制在 DC/DC 变换电路及 DC/AC 变换电路中的应用

一、仿真目的

1. 学习 PI 控制在 DC/DC 变换电路中的应用
2. 学习 PI 控制在 DC/AC 变换电路中的应用
3. 练习 PI 参数调节的相关方法

二、仿真内容

（一）PI 控制在 DC/DC 变换电路中应用

1. 建立基于 PI 控制的 buck 电路仿真模型。

   • 输入电压 Ui 设为 100V，电感 L 和电容 C 的量值可以均设为：1e-3，电阻取值为 1，PID 控制器的设置为：

     • 在此模型中，PI 控制器的输出量被用作 buck 电路中开关管的占空比控制信号。通过调节 PI 参数，可以实现对输出电压的精确控制。当 PI 控制器的输出超过 1 时，可能会导致开关管一直处于导通或截止状态，无法正常工作，因此需要将其限制在 0~1 之间，以确保电路的稳定运行。

   • 调节 PI 参数，观察电路的输出电压是否能够很好地趋向并稳定在目标值：50V ：PI 参数调节可以按照先调 P 参数（比例参数），再调 I 参数（积分参数）的方式进行。先调 P 参数时可以把 I 参数定为 0，P 参数调整得比较合适后，再添上 I 参数。通过反复试验和调整 PI 参数，可以观察到当 PI 参数设置合理时，电路的输出电压能够快速地趋向并稳定在 50V 的目标值，实现对输出电压的精确控制。

（二）PI 控制在单相 DC/AC 变换电路中应用

1. 建立基于 PI 控制的单相 DC/AC 变换电路仿真模型。

   • 输入电压 Ui 设为 380V，电感 L 和电容 C 的量值可以均设为：1/(2pi50)，电阻取值为 1，Sin 信号模块的参数设置为：

     • 在此模型中，PI 控制器的输出量被用作逆变电路中开关管的调制信号，通过与正弦波信号的比较产生 PWM 控制信号，从而控制逆变电路的输出电压。由于正弦波信号的幅值范围在 -1~1 之间，因此需要将 PI 控制器的输出限制在 -1~1 之间，以确保 PWM 控制信号的正确性。

   • PID 控制器的设置为：

     • 调节 PI 参数，观察电路的输出电压是否能够很好地趋向并稳定在目标值：220V/50Hz 的正弦交流电。PI 参数同样可以按照先调 P 参数（比例参数），再调 I 参数（积分参数）的方式进行调节。通过合理设置 PI 参数，可以使逆变电路的输出电压波形接近理想的正弦波，频率稳定在 50Hz，幅值稳定在 220V 左右。此时的 PI 控制器只需要稍微设置参数，即可获得很好的控制效果，这说明在单相 DC/AC 变换电路中，PI 控制具有较高的控制精度和稳定性。

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仿真四：光伏发电系统中最大功率点跟踪技术仿真

一、仿真目的

1. 学习研究扰动观察法最大功率点跟踪技术的仿真方法
2. 学习研究电导增量法最大功率点跟踪技术的仿真方法
3. 掌握有关仿真电路的搭建方法与技巧

二、仿真内容

（一）扰动观察法最大功率点跟踪技术

1. 建立由光伏阵列及 buck 电路构成的电路系统模型。其中最大功率点跟踪子系统（subsystem，可以改名为 mppt）的电路结构如下：

   • 其中 PWM 信号产生子系统（pwm）的电路结构（此部分可以用软件自带的模块 “PWM Generator (DC-DC)” 代替，更方便）：
   • 部分模块的参数设置：
     • PV Array：
     • Zero-Order Hold 与 Zero-Order Hold1：
     • Merory 与 Merory1：
     • Merory2：
     • Saturation（限幅项）：

2. 运行仿真模型，观察最大功率点跟踪的过程，并进行以下探究。

   • 探究 buck 电路控制信号的占空比调整步长 (ΔD) 对最大功率点跟踪过程的影响 ：占空比调整步长 ΔD 的大小会影响 MPPT 的速度和精度。较大的 ΔD 可以加快跟踪速度，但可能会导致在最大功率点附近振荡，影响跟踪精度；较小的 ΔD 则能够提高跟踪精度，但跟踪速度较慢。通过实验可以观察不同 ΔD 值下最大功率点跟踪过程的变化，找出适合的 ΔD 值以达到较好的跟踪效果。
   • 探究电路信号的采样时间 (Zero-Order Hold 的时间设置) 对最大功率点跟踪过程的影响 ：采样时间的长短也会影响 MPPT 的性能。较短的采样时间能够更及时地反映光伏阵列的输出变化，加快跟踪速度；但过短的采样时间可能会引入更多的噪声和干扰，影响跟踪精度。较长的采样时间则会使跟踪速度变慢，无法及时响应光照强度和温度等环境参数的变化。通过调整 Zero-Order Hold 的时间设置，可以观察采样时间对最大功率点跟踪过程的影响，确定合适的采样时间。
   • Merory2 模块的初始值可以设为 0 或 0.4 或其它值，对比仿真结果会有怎样的不同，思考原因 ：Merory2 模块的初始值会影响 MPPT 的起始状态和收敛过程。不同的初始值可能导致最大功率点跟踪的初始方向和速度不同，进而影响整个跟踪过程的收敛时间和稳定性。例如，当初始值设置为 0 时，可能需要较长的时间才能逐渐寻找到最大功率点；而当初始值设置为 0.4 时，可能会更快地接近最大功率点，但也可能会出现一定的振荡。通过对比不同初始值下的仿真结果，可以更好地理解初始值对 MPPT 算法的影响。
   • 思考负载电阻值的取值要求 ：负载电阻值的大小与光伏阵列的最大功率输出密切相关。为了使光伏阵列能够在最大功率点运行，负载电阻值需要满足一定的条件。一般来说，负载电阻值应该与光伏阵列在最大功率点的等效内阻相匹配，这样才能够实现最大功率传输。如果负载电阻值过大或过小，都会导致光伏阵列的输出功率降低，无法达到最大功率点。
   • 尝试创造出光伏阵列所处的环境参数变化 (光照强度、温度变化)，观察相应的最大功率点跟踪过程 ：通过改变光伏阵列的光照强度和温度等环境参数，可以模拟实际应用中光伏系统的运行工况。观察在环境参数变化时最大功率点跟踪过程的变化，可以验证 MPPT 算法的适应性和鲁棒性。例如，当光照强度突然增加或减小时，MPPT 算法能够及时调整控制策略，使光伏阵列迅速跟踪到新的最大功率点，确保系统的稳定运行。

3. 尝试建立由光伏阵列与 boost 电路构成的电路系统模型，并在此模型中演示扰动观察法最大功率点跟踪过程。与 buck 电路相比，boost 电路具有不同的拓扑结构和工作原理，但 MPPT 的基本思想和方法是类似的。通过建立 boost 电路模型并进行仿真，可以进一步加深对扰动观察法最大功率点跟踪技术的理解和掌握，同时了解不同拓扑结构电路在光伏发电系统中的应用特点。

（二）电导增量法最大功率点跟踪技术

1. 建立由光伏阵列及 buck 电路构成的电路系统模型。其中最大功率点跟踪子系统 (mppt) 的电路结构如下：
2. 运行仿真模型，观察最大功率点跟踪的过程。
3. 对比扰动观察法与电导增量法，找出两者的差异。扰动观察法是通过周期性地扰动光伏阵列的工作点，观察功率的变化趋势来判断是否接近最大功率点；而电导增量法则是基于光伏阵列的伏安特性，通过测量光伏阵列的电压和电流变化率来确定最大功率点的方向。电导增量法具有跟踪精度高、响应速度快等优点，但其算法相对复杂，对电路参数的精度要求较高。
4. 探究电导增量法最大功率点跟踪过程中的影响因素。例如，光伏阵列的参数变化、电路元件的精度、环境因素等都可能对电导增量法的跟踪效果产生影响。通过分析这些影响因素，可以采取相应的措施来提高电导增量法的最大功率点跟踪性能，确保光伏发电系统在各种工况下都能稳定、高效地运行。

2025.04.23 源自于 陈磊教授的新能源电力转换与控制仿真课