【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】

DP读书：新能源科学与工程------专业课「新能源发电系统」

[2025a 版本 MATLAB](#2025a 版本 MATLAB)
- 下面进入正题
[仿真一：Buck 电路](#仿真一：Buck 电路)
[仿真二：逆变电路与 SPWM 控制技术仿真](#仿真二：逆变电路与 SPWM 控制技术仿真)
[仿真三：PI 控制在 DC/DC 变换电路及 DC/AC 变换电路中的应用](#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
- 二、仿真内容
- - [（一）PI 控制在 DC/DC 变换电路中应用](#（一）PI 控制在 DC/DC 变换电路中应用)
  - [（二）PI 控制在单相 DC/AC 变换电路中应用](#（二）PI 控制在单相 DC/AC 变换电路中应用)
仿真四：光伏发电系统中最大功率点跟踪技术仿真

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。

P.S.:new_energy_coder_club也在今天迎来了第40位贡献者

Gitee排名---前沿技术-机器人 No.24 （欢迎各位大佬给个Star🌟）

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...

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

仿真一：Buck 电路

一、仿真目的

深入理解Buck电路的工作原理
掌握Buck电路的建模与仿真方法
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

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。
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。

然后打开MATLAB2025，建议淘宝买个密钥或者账号，可玩性高

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

bash 复制代码

Mosfet

bash 复制代码

Universal bridge

bash 复制代码

DC voltage

bash 复制代码

RLC Branch

bash 复制代码

Pulse Generator

bash 复制代码

Mux

bash 复制代码

Powergui

bash 复制代码

vollage measurement

bash 复制代码

scope

然后把这些都拖动到

（二）Buck电路仿真模型及元件连接

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。
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

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"
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"
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"
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

运行仿真：设置仿真参数，如仿真时间、步长等，运行仿真模型。
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

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。
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

学习单相及三相逆变变换电路的仿真方法
学习研究 SPWM 控制技术的作用
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

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。

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

建立三相逆变电路仿真模型。
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。
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。
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。
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。

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

学习 PI 控制在 DC/DC 变换电路中的应用
学习 PI 控制在 DC/AC 变换电路中的应用
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

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

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。

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

学习研究扰动观察法最大功率点跟踪技术的仿真方法
学习研究电导增量法最大功率点跟踪技术的仿真方法
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

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）：
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。
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

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：
运行仿真模型，观察最大功率点跟踪的过程。
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。
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