[align=left] 作 者 ：丹麥奧爾堡大學(xué)　能源技術(shù)學(xué)院　M　Ciobotaru　T Kerekes　R Teodorescu　　　法國里爾大學(xué) 　A Bouscayrol 摘 要 ：本文描述了光電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及其控制的仿真。在實(shí)時(shí)執(zhí)行之前，為了測試控制算法的有效性，需要進(jìn)行該系統(tǒng)的仿真研究。另外，為了直接生成dSPACE控制板的實(shí)時(shí)代碼，必須利用MATLAB/Simulink開發(fā)控制系統(tǒng)。本文利用MATLAB/Simulink，首次研究了電力系統(tǒng)的仿真。在第二步中，利用PLECS工具箱仿真了電力系統(tǒng)，而且比較了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的仿真模型和所提供的選擇性仿真結(jié)果。 英文摘 要 ：In this paper a photovoltaic （PV） energy conversion system is simulated jointly with its control. The simulation of the system is developed for testing control algorithm before a real-time implementation. The control part is developed using MATLAB/Simulink in order to ensure a direct generation of the real-time code for the dSPACE control board. The simulation of the power system is first realized using MATLAB/Simulink. In a second step, the simulation of the power system is realized using the PLECS toolbox. Both simulation models are tested and selective simulation results are provided for a comparative study. 關(guān)鍵詞： 換流器　仿真 1　引言 　　利用電力電器仿真現(xiàn)代電子系統(tǒng)一直是一個(gè)挑戰(zhàn)，這是因?yàn)殡娏﹂_關(guān)的非線性性能，與連續(xù)子系統(tǒng)的連接和離散時(shí)間控制的設(shè)計(jì)[1]。如今，為了設(shè)計(jì)有效的控制對策，在越來越多的復(fù)雜系統(tǒng)中也采用仿真研究。例如，可再生能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[2]，完整的牽引系統(tǒng)[3]等。在這些案例中，需要實(shí)際控制有效的仿真。 　　目前，已開發(fā)出大量的仿真軟件，它們中的部分一直致力于基于特定電路庫，例如PSCAD（電力系統(tǒng)仿真的專業(yè)工具），CASPOC（電力電子和電氣驅(qū)動建模與仿真軟件），PSPICE （設(shè)計(jì)和仿真模擬和數(shù)字電路），PSIM（電力電子、電機(jī)控制和動態(tài)系統(tǒng)仿真的仿真軟件設(shè)計(jì)）等電力電子性能的仿真。其他軟件能有效地控制開發(fā)，基于特定的系統(tǒng)庫或者工具箱，例如:MATLAB/Simulink。使用這種軟件對于直接生成實(shí)時(shí)控制算法，如獲取dSPACE控制器板是有價(jià)值的。 　　因此，需要改編所利用的單個(gè)的軟件，以確?？紤]了電力電子的非線性性能和控制法則的直接實(shí)施的整個(gè)系統(tǒng)的有效仿真[4][5][6]。 　　本文以一個(gè)光電（PV）能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為例，研究了MATLAB /Simulink工具箱PLECS仿真了如文獻(xiàn)[7]中的電力電子控制系統(tǒng)。 　　在第二節(jié)中，描述了兩個(gè)圖形環(huán)境。本文第三節(jié)是專門用來仿真光電應(yīng)用。最后，在第四節(jié)中給出了仿真結(jié)果的比較。 2　圖形環(huán)境 　　兩種圖形軟件被視為學(xué)習(xí)電力電子控制系統(tǒng)。第一種更適合描述物理結(jié)構(gòu)的電力系統(tǒng)，第二種更適合描述數(shù)字控制的信號流。 　　電路仿真程序是基于利用物理連接表示的線路所連接的物理元件庫。然后，通過連接物理元件建立一個(gè)系統(tǒng)。該軟件必須利用幾個(gè)數(shù)值方法內(nèi)部解決連接問題。例如，如果有兩個(gè)電感串聯(lián)，只計(jì)算一個(gè)狀態(tài)變量，因?yàn)閮蓚€(gè)電流都是平等的。這種軟件是十分有益于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析。 系統(tǒng)仿真程序是基于功能庫。通過利用代表通用變量的線路聯(lián)合多種基本功能來描述該系統(tǒng)。通過一個(gè)整體的功能來描述幾個(gè)元件。比如，兩個(gè)串聯(lián)的電感通過一個(gè)帶有單一時(shí)間常數(shù)的單獨(dú)的傳遞函數(shù)來描述。這類軟件提供了大量的分析和自動化工具，因此廣泛應(yīng)用于控制設(shè)計(jì)。 　　為了描述可觀察的系統(tǒng)并組織必須設(shè)計(jì)的控制功能，需要結(jié)合兩種圖形環(huán)境。但是，它們的思路完全不同，因此很難統(tǒng)一仿真。不僅如此，當(dāng)無實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的用戶操作時(shí)，可能會造成一些錯(cuò)誤。 　　在本文中，對著名的MATLAB/Simulink仿真環(huán)境（系統(tǒng)仿真程序包含用于自動控制的功能強(qiáng)大的庫和工具箱）和新的PLECS（電路仿真程序包括電力電子庫）的聯(lián)合裝置進(jìn)行了測試。目的是為了開發(fā)用于電力電子的數(shù)字控制，從仿真到實(shí)際執(zhí)行。因此，MATLAB/Simulink環(huán)境較好的適應(yīng)于控制開發(fā)同時(shí)包含了自動代碼產(chǎn)生器。PLECS工具箱是用來在實(shí)際執(zhí)行過程之前提供電廠的仿真模型。 2.1　MATLAB/Simulink環(huán)境 　　為有效設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入式控制系統(tǒng)并準(zhǔn)確預(yù)測其性能，設(shè)計(jì)者必須了解包含控制系統(tǒng)的整個(gè)系統(tǒng)的性能。MATLAB和Simulink形成了基于模型設(shè)計(jì)的核心環(huán)境，用于創(chuàng)造物理系統(tǒng)性能的精確數(shù)學(xué)模型。MATLAB/Simulink環(huán)境的圖形和塊圖范例使得用戶拖放預(yù)先造型的元件，并把它們連接起來，同時(shí)創(chuàng)造動態(tài)系統(tǒng)模型。這些動態(tài)系統(tǒng)是時(shí)間連續(xù)、多速率或者時(shí)間離散或是這三個(gè)的任何組合。建模環(huán)境是分等級的，自動形成的文件如圖1所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能可通過群組合模型來表示。 [/align] 2.2　PLECS工具箱 　　PLECS是在Simulink環(huán)境中仿真電氣電路的Simulink工具箱。由于提供理想元件，所以仿真速度快。 　　如圖2所示，利用PLECS形成的電路，包括電阻器、電感器、電容器、開關(guān)、電壓和電流源都可當(dāng)作理想元件?？梢杂锰结槣y量電壓和電流。這些測量可以作為Simulink環(huán)境中的控制反饋或者只用于在線觀察的范圍。 　　利用特殊探針，只能在圖形窗口觀察到電壓和電流。在處理仿真結(jié)果方面，MATLAB/Simulink具有非常好的仿真效果。實(shí)際上，大部分仿真工具都提供了一個(gè)Simulink接口。 使用此工具箱，可能實(shí)時(shí)仿真電力轉(zhuǎn)換器和其它電氣線路，這與PLECS子系統(tǒng)及其控制和標(biāo)準(zhǔn)的Simulink子系統(tǒng)一樣。 2.3　實(shí)時(shí)控制的最后一步 　　利用系統(tǒng)模型和實(shí)時(shí)工藝，在生產(chǎn)任務(wù)處理器上進(jìn)行測試,驗(yàn)證和嵌入式實(shí)施的實(shí)時(shí)代碼可以自動生成, dSPACE的硬件舉例[8]。由于它的創(chuàng)造，該代碼自動優(yōu)化，快速執(zhí)行并有效利用儲存器。系統(tǒng)模型自動產(chǎn)生代碼可避免因人工轉(zhuǎn)換模型代碼的錯(cuò)誤，又可以節(jié)省時(shí)間,允許軟件開發(fā)商集中處置更加需要的任務(wù)。 　　利用電氣驅(qū)動仿真dSPACE系統(tǒng)的典型樣例如文獻(xiàn)[9]中所示，利用風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)仿真dSPACE系統(tǒng)的典型樣例如（PWM）在文獻(xiàn)[10]中所示。 　　但是在實(shí)際執(zhí)行之前，所利用的電廠模型仿真的控制部分必須有效。這種模型可選用Simulink傳遞函數(shù)或PLECS工具箱開發(fā)。 3　光電（PV）轉(zhuǎn)換器的仿真 3.1　研究系統(tǒng)和控制 　　單級單相電網(wǎng)連接光電（PV）轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)如圖３所示，包含兩大部分—電廠部分（硬件部分），例如光電（PV）陣列, 光電（PV）轉(zhuǎn)換過濾器和公用電網(wǎng);—以及由算法組成的控制部分，如最高功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），鎖相環(huán)（PLL）,直流電壓控制器和電流控制器等。 　　利用Simulink環(huán)境的圖形顯示的功能，已經(jīng)建立了仿真模型，如圖4中所示。仿真模型分為控制部分和電廠部分，這樣在應(yīng)用dSPACE實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，可在實(shí)時(shí)應(yīng)用中直接執(zhí)行控制部分。利用控制系統(tǒng)模型和實(shí)時(shí)車間，自動生成dSPACE系統(tǒng)上的代碼測試，驗(yàn)證和嵌入式實(shí)施。（參見圖5）。 　　因此，圖4和圖5中的控制塊是一致的并首次利用一個(gè)電廠和PWM模型進(jìn)行離線仿真，如圖4中所示，通過除去電廠模型并向?qū)嶋H電廠增加接口，可進(jìn)行在線測試使得控制開發(fā)時(shí)間可以大大的縮短，如圖5所示。 　　單級單相光電（PV）轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。該控制結(jié)構(gòu)主要是基于鎖相環(huán)（PLL），MPPT算法，直流電壓控制器和電流控制器的同步算法。 　　光電（PV）轉(zhuǎn)換器控制結(jié)構(gòu)仿真模型是基于直覺上的圖形方式建立的，如圖7所示。 　　圖8表示單相鎖相環(huán)（PLL）結(jié)構(gòu)，包括電網(wǎng)電壓監(jiān)控[11]。PLL用于提供單元電力因素操作，包含轉(zhuǎn)換器輸出電流和電網(wǎng)電壓的同步，也提供一個(gè)規(guī)則的正弦電流參考。 單相鎖相環(huán)（PLL）結(jié)構(gòu)的等效Simulink模型列于圖8和圖9中。 　　利用適當(dāng)?shù)闹C振（PR）控制器實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流控制器，公式定義如下[12]: PR控制器可連接諧波補(bǔ)償器（HC），Gn（s）,定義如下: 電網(wǎng)電流控制器（PR+HC）的Simulink模型描述在圖10中，其中雙積分器的相同方塊被用于不同共振頻率。 　　利用MATLAB/Simulink環(huán)境中提供的Sisotool工具箱已經(jīng)完成電流控制器的調(diào)諧。電網(wǎng)電流控制器（PR+HC）的根軌跡和波德圖的分析如圖11所示。該工具允許人工設(shè)定控制器的增益，強(qiáng)加一定帶寬，同時(shí)通過調(diào)整相位差以確保穩(wěn)定。 　　MATLAB/Simulink環(huán)境是控制設(shè)計(jì)的一個(gè)有效工具，但模型切換轉(zhuǎn)換器也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。因此，為了測試電力線路仿真的性能，本文使用兩種不同的技術(shù)開發(fā)出相同的一個(gè)電廠:一個(gè)采用傳遞函數(shù)方法，另一個(gè)則利用了PLECS工具箱。 3.2　利用MATLAB/Simulink環(huán)境仿真電廠 　　首次使用導(dǎo)向電路中不同接點(diǎn)處、高復(fù)雜性和艱巨性的監(jiān)控信號的傳遞函數(shù)方法開發(fā)出電廠模型。 　　圖12為模擬的電力電路圖，圖13為模擬的電壓源反向器Simulink模型圖。圖14顯示了LCL濾波器以及公用電網(wǎng)的Simulink轉(zhuǎn)換功能途徑。因?yàn)樗强梢圆煊X的,所以在電路板上很難跟蹤不同節(jié)點(diǎn)的信號,特別是電路板復(fù)雜度很高的情況下，難度更明顯。 3.3　使用PLECS進(jìn)行設(shè)備模擬 　　用PLECS搭建電路非常簡單直接。只要把拖拉所需部件在一起然后連接起來就可以做成理想的電路板。使用PLECS的PV系統(tǒng)模擬模塊與圖4表示的一樣,只是設(shè)備子系統(tǒng)使用PLECS工具箱改變,控制方法同圖7所描述的一致。設(shè)備子系統(tǒng)是用PLECS進(jìn)行建模的電路。電板包括DC電源,反相器,LCL濾波器和公用電網(wǎng)的模型。設(shè)備的詳細(xì)電板如圖15所示。這些模型組成了以下描述的子系統(tǒng)。DC電源使用電壓源建成。反相器是基于4個(gè)IGBT和內(nèi)置反平行二極管而建成。這些開關(guān)由門控信號（Sa-Sb-Sc-Sd）,使用特別門控信號端口來從Simulink控制部件轉(zhuǎn)給PLECS電路。電子端口在電子信號的輸入輸出子系統(tǒng)中使用（DC+, DC-, L, N）。 　　為了對反相器的高頻脈沖進(jìn)行過濾,使用了一個(gè)LCL濾波器。電感和電容值在子系統(tǒng)表征碼中設(shè)置。對于前面提到的電子信號,特別使用了電子端口。柵極使用了感應(yīng)的抗阻型電容部件,參數(shù)由子系統(tǒng)的表征碼進(jìn)行設(shè)置。另外,如圖15所示,在電路任何部分的電流和電壓都可以通過測量,在示波器顯示; 或者在Simulink環(huán)境中的控制辦法以反饋信息得到使用。 4　模擬結(jié)果 （a）設(shè)備使用PLECS模型的反相器電壓和電流波形； （b）設(shè)備使用PLECS模型的柵極電壓和電源波形 （c）設(shè)備使用Simulink的反相器電壓和電源波形 （d）設(shè)備使用Simulink的柵極電壓和電源（圖中文字）波形。 　　圖16顯示了使用兩種不同設(shè)備建模技術(shù)的模擬結(jié)果比較。一個(gè)使用了PLECS工具箱（前兩組圖），另一個(gè)使用了Simulink轉(zhuǎn)換功能途徑（最后兩組圖）。模擬結(jié)果通過使用相同控制結(jié)構(gòu)和相同設(shè)備參數(shù)得到（如圖所示）。兩組不同設(shè)備應(yīng)用幾乎無任何不同。然而,使用PLECS模型設(shè)備所用時(shí)間比使用Simulink轉(zhuǎn)換功能途徑要少四倍。所以，一秒的實(shí)際時(shí)間使用了PLECS為59s的時(shí)間，而使用了Simulink轉(zhuǎn)換功能途徑為3分46s。 5　結(jié)束語 　　本文集中討論了在實(shí)時(shí)執(zhí)行之前的電力系統(tǒng)控制模擬操作。首先主要在控制設(shè)計(jì)中特別討論了一個(gè)單相PV反相器在Simulink的模擬操作?？刂破骺梢允褂胐SPACE系統(tǒng)自動在線測試。第二以一個(gè)電路模擬器的身份介紹了PLECS這個(gè)新型部件裝置。兩個(gè)工具的組合為電源轉(zhuǎn)換模擬器的開關(guān)提供了一個(gè)很好的環(huán)境。 　　PLECS是一個(gè)非常適合在MATLAB/Simulink環(huán)境中電路板建模的工具。把PLECS和Simulink組合在一塊的優(yōu)勢不僅在于加快了模擬操作,簡便了電板制作過程, 而且在電路板的模擬和在標(biāo)準(zhǔn)Simulink環(huán)境中的部件建?？刂埔蔡幱陬I(lǐng)先。然而,與系統(tǒng)軟件一起的電路組合軟件可能會給初學(xué)的用戶帶來混淆。另外,部件之間的線路連接也并不是相同概念。