基于simulink的单相光伏并网逆变器的MPPT与LVRT控制仿真

目录

手把手教你学Simulink

——基于光伏发电系统的场景实例：单相光伏并网逆变器的MPPT与LVRT控制仿真

一、背景介绍

二、系统结构设计

三、建模与仿真流程详解

第一步：创建 Simulink 模型

第二步：搭建主电路

第三步：MPPT控制器设计（扰动观察法 P&O）

第四步：并网电流控制器设计（d-q解耦PI控制）

第五步：LVRT检测与控制切换

第六步：系统集成与闭环连接

第七步：设置仿真参数

四、仿真运行与结果分析

关键波形观察（Scope）

性能评估

五、进阶建议

六、总结

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手把手教你学Simulink–基于光伏发电系统的场景实例：单相光伏并网逆变器的MPPT与LVRT控制仿真

手把手教你学Simulink

——基于光伏发电系统的场景实例：单相光伏并网逆变器的MPPT与LVRT控制仿真

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一、背景介绍

随着可再生能源的快速发展，光伏发电系统已成为智能电网的重要组成部分。在并网运行中，光伏逆变器承担着两大核心功能：

最大功率点跟踪（MPPT）：实时调整工作点，使光伏阵列在各种光照和温度条件下输出最大功率。低电压穿越（LVRT）：当电网发生短路等故障导致电压骤降时，逆变器需保持并网，并向电网注入无功功率以支撑电压恢复，避免大规模脱网引发系统崩溃。

MATLAB/Simulink 提供了强大的电力电子与控制系统建模能力，是设计和验证光伏并网逆变器控制策略的理想平台。

本教程将带你从零开始，构建一个 单相光伏并网逆变器系统，实现：

光伏阵列建模与MPPT控制（P&O算法）单相全桥逆变器建模并网电流控制（PI控制器）电网电压故障模拟（LVRT场景）LVRT期间的无功支撑控制系统级仿真与性能评估

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二、系统结构设计

我们构建一个完整的单相光伏并网系统，包含以下模块：

模块	功能说明
光伏阵列（PV Array）	模拟太阳能电池输出特性
DC-Link 电容	稳定直流母线电压
单相全桥逆变器	DC/AC变换，连接电网
L型滤波器	滤除开关谐波，平滑电流
电网（Grid）	220V/50Hz交流电源，可模拟故障
MPPT控制器	扰动观察法（P&O）实现最大功率跟踪
电流控制器	d-q解耦PI控制，实现单位功率因数并网
LVRT检测与切换逻辑	检测电压跌落，切换控制模式
测量与显示	电压、电流、功率、MPPT轨迹等

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三、建模与仿真流程详解

第一步：创建 Simulink 模型

matlab

深色版本

modelName = 'SinglePhase_PV_Grid_Inverter';
new_system(modelName);
open_system(modelName);

所需模块库：

Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Fundamental BlocksSimscape > Electrical > Semiconductors & ConvertersSimscape > Electrical > SensorsSimulink > Continuous：Integrator, Transfer FcnSimulink > Math Operations：Sum, Gain, ProductSimulink > Logic and Bit Operations：Relational Operator, SwitchSimulink > Sources：Constant, StepSimulink > Sinks：Scope, To Workspace

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第二步：搭建主电路

光伏阵列 (PV Array)

使用 Solar Cell 模块或 PV Array 模块。参数设置（以250W组件为例）：
Number of series cells: 60Number of parallel cells: 1Irradiance (光照): 1000 W/m² (标准测试条件)Temperature: 25°C 或使用 Controlled Current Source + Function 模拟I-V曲线。

DC-Link 电容

使用 Series RLC Branch 设置为 Capacitor。典型值：
C = 4700 µF，
V_rated = 800 V。

单相全桥逆变器

使用 Universal Bridge 模块。设置：
Type: 
IGBT/DiodesNumber of legs: 
2 (单相)Snubber: 
RC (可选，用于数值稳定) 连接：直流侧接PV和电容，交流侧接滤波器。

L型滤波器

电感 
L_filter：使用 Series RLC Branch (Inductor)，典型值 
3 mH。电阻 
R_filter：串联小电阻（如 
0.1 Ω）模拟铜损。

电网 (Grid)

使用 AC Voltage Source。参数：
Amplitude: 
220*sqrt(2) ≈ 311 VFrequency: 
50 HzPhase: 
0 deg 故障模拟：使用 Three-Phase Fault 模块（配置为单相接地故障）或 Breaker 模块串联一个低阻抗支路。

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第三步：MPPT控制器设计（扰动观察法 P&O）

MPPT目标：通过调整逆变器的功率输出，使PV工作在最大功率点（MPP）。

P&O算法流程：

深色版本

测量 Vpv, Ipv
计算 P = Vpv * Ipv
与上一次功率 P_prev 比较
  if P > P_prev: 继续同方向扰动 (duty++)
  if P < P_prev: 反向扰动 (duty--)
更新 Vref (或直接生成调制信号)

在Simulink中实现：

测量模块：

使用 Voltage Measurement 和 Current Measurement 获取 
Vpv, 
Ipv。使用 Product 计算 
Ppv = Vpv * Ipv。

P&O核心逻辑（使用 MATLAB Function 或 Simulink 模块）：

matlab

深色版本

function [Vref] = P_and_O(Vpv, Ipv, Pprev, Vprev, dV, Ts)
% dV: 扰动步长 (e.g., 1V)
% Ts: 采样时间
 
persistent Vref_prev;
if isempty(Vref_prev)
    Vref_prev = 300; % 初始参考电压
end
 
Ppv = Vpv * Ipv;
 
if Ppv > Pprev
    % 功率增加，继续同向扰动
    if Vpv > Vprev
        Vref = Vref_prev + dV;
    else
        Vref = Vref_prev - dV;
    end
else
    % 功率减小，反向扰动
    if Vpv > Vprev
        Vref = Vref_prev - dV;
    else
        Vref = Vref_prev + dV;
    end
end
 
% 限幅
Vref = max(min(Vref, 600), 200); % 假设MPPT范围200-600V
 
% 更新历史值
Vref_prev = Vref;
end

将此函数放入 MATLAB Function 模块。输入：
Vpv, 
Ipv, 
Pprev, 
Vprev（需用 Unit Delay 模块存储上一时刻值）输出：
Vref（直流母线电压参考值）

✅
Vref 是MPPT的输出，作为电流控制器的功率/电压外环参考。

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第四步：并网电流控制器设计（d-q解耦PI控制）

目标：控制逆变器输出电流
Ig 跟踪参考电流
Iref，实现单位功率因数（
Ig 与
Vg 同相）。

控制策略：

锁相环 (PLL)：跟踪电网电压相位
θ。

使用 Synchronous Reference Frame PLL (3ph) 模块（即使单相，也可用）或自建单相PLL。输出：
θ (电网相位)。

坐标变换：

将测量的并网电流 
Ig 从静止αβ坐标系转换到旋转dq坐标系。使用 abc to dq0 Transformation 模块（输入 
Ig_alpha=Ig, 
Ig_beta=0）。

PI控制器：

d轴控制有功功率/电流：
参考值 
Id_ref 由MPPT的 
Vref 与实际 
Vdc 的PI控制器生成（外环）。
Id_ref = Kp_v*(Vref - Vdc) + Ki_v*integral(Vref - Vdc)实际 
Id 通过PI控制器生成调制电压 
Vd_ref。 q轴控制无功功率/电流：
正常时 
Iq_ref = 0（单位功率因数）。LVRT时 
Iq_ref 由LVRT策略设定（提供无功支撑）。实际 
Iq 通过PI控制器生成调制电压 
Vq_ref。

反变换与PWM：

将 
Vd_ref, 
Vq_ref 通过 dq0 to abc Transformation 转回αβ坐标系，得到 
V_alpha_ref, 
V_beta_ref。使用 PWM Generator (2-Level) 模块生成IGBT驱动信号。调制方式：SPWM 或 SVPWM。

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第五步：LVRT检测与控制切换

LVRT要求（以中国标准为例）：

电压跌落至20%额定电压时，应能保持并网0.625秒。在故障期间，应向电网注入无功电流，支撑电压恢复。

在Simulink中实现：

电压跌落检测：

测量电网电压 
Vg。使用 Relational Operator 判断 
Vg < 0.9 * Vn（触发阈值）。使用 Delay 或 Timer 模块判断跌落持续时间。

控制模式切换（使用 Switch 模块）：

深色版本

[正常模式] Iq_ref = 0
             |
             v
[Vg < 0.9Vn] --> [LVRT模式] Iq_ref = (Vn - Vg)/X * I_max  (提供无功)
             |
             v
[Vg恢复 > 0.9Vn] --> [恢复模式] 缓慢退出无功支撑

无功电流参考：


Iq_ref = (Vn - Vg) * k，
k 为增益系数，确保不超过逆变器电流限幅 
I_max。例如：
Iq_ref = min((220 - Vg_rms) * 0.1, 1.2) (A, 峰值)

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第六步：系统集成与闭环连接

将所有模块连接成完整闭环：

深色版本

[光伏阵列] ----> [DC-Link 电容] ----> [全桥逆变器]
                     ↑                     |
                     |                     v
                 [Vdc测量]           [滤波器] ----> [电网]
                     |                     |
                     v                     v
                [MPPT控制器]         [Vg, Ig测量]
                     |                     |
                     +----> [d轴外环] <-----+
                               |
                               v
                          [PI_d] ----> Vd_ref
                               |
[Vg] ----> [PLL] ----> [θ]     |
                               |
                          [Iq_ref] <---- [LVRT Logic]
                               |
                          [PI_q] ----> Vq_ref
                               |
                               +----> [dq0 to abc] ----> [PWM Gen] ----> [逆变器门极]

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第七步：设置仿真参数

Solver: 
ode23tb (stiff/NDF) 或 
ode15s（适合电力电子开关）Max step size: 
1e-6 (1 µs) 或更小（需捕捉开关过程）Relative tolerance: 
1e-3 或 
1e-4Stop time: 
1.0 秒（足够观察启动、稳态、故障、恢复）Start simulation time: 
0.4 秒（让系统先稳定）Fault start time: 
0.5 秒，持续 
0.3 秒（模拟0.3秒电压跌落）

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四、仿真运行与结果分析

关键波形观察（Scope）

信号	期望行为
Vdc (直流母线电压)	MPPT后稳定在MPP电压附近（如350V），LVRT时可能有波动
Ig (并网电流)	与  Vg 同相（正弦），LVRT时电流增大（提供无功）
Ppv,  Pgrid	MPPT后  Ppv 最大， Pgrid ≈ Ppv（忽略损耗），LVRT时  Pgrid 可能下降
Vg (电网电压)	正常时220V，0.5s时跌落（如至100V），0.8s时恢复
Iq (q轴电流)	正常时≈0，LVRT时为负值（注入无功）

性能评估

MPPT效率：
计算 
η_mpp = P_actual / P_max，理想接近99%。 LVRT支撑能力：
观察无功电流注入量是否符合标准。电压恢复速度是否加快。 电流THD：
使用 FFT 分析 
Ig 的总谐波畸变率，应<5%。

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五、进阶建议

改进MPPT算法：

尝试 电导增量法 (IncCond)，抗干扰性更好。实现 变步长P&O，兼顾速度与精度。

高级LVRT策略：

实现 动态无功支撑，根据电压跌落深度线性增加无功。加入 有功功率临时削减（Crowbar或Chopper），防止直流母线过压。

模型预测控制 (MPC)：

替代PI控制，实现更快的动态响应。

三相系统扩展：

将单相扩展为三相T型或NPC逆变器。

硬件在环 (HIL)：

使用 Simulink Real-Time 或 Speedgoat 进行HIL测试。验证控制代码在真实DSP上的运行。

与电网交互仿真：

将光伏系统接入 IEEE 13节点配电网 模型。研究高渗透率光伏对电网稳定性的影响。

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六、总结

本文带你手把手构建了一个 单相光伏并网逆变器的完整仿真模型，成功实现了 MPPT 和 LVRT 两大核心功能。

通过本仿真：

你掌握了光伏阵列、逆变器、滤波器的建模方法。你理解了P&O MPPT和d-q解耦PI控制的原理与实现。你学会了如何模拟电网故障并实现LVRT无功支撑。你具备了设计和验证新能源并网控制策略的能力。

Simulink 是连接理论与工程的桥梁，让你在虚拟世界中“点亮”绿色能源。

动手建议：

先运行无故障仿真，验证MPPT和稳态并网。加入电压跌落，观察LVRT行为。调整P&O步长，观察跟踪速度与稳态振荡。修改LVRT无功增益，评估支撑效果。

让我们一起用 Simulink 推动能源转型！欢迎留言交流你的光伏控制设计与仿真挑战！