很久沒有發博客了，停更也快接近大半年，時間更多花在了PPT和項目上，最近找了不少朋友一起做 開源人形機器人，于是 索性在課程作業和項目之余更新下我的課程筆記—— MATLAB從0基礎到 新能源發電系統仿真，感謝陳磊教授，下面的筆記在他的課上我逐漸學會如何使用MATLAB和Simulink。

---

P.S.:new_energy_coder_club也在今天迎來了第40位貢獻者
Gitee排名—前沿技術-機器人 No.24 （歡迎各位大佬給個Star🌟）

---

2025a 版本 MATLAB

在這之前看過各種MATLAB的書本只是覺得，《***快速教學》《***3小時看完》…用處不大，十多行語法對不起近百的價格（甚至還不如阿坤的MATLAB配色教程），在踩了一大堆坑之后，我終于意識到 一個好的課或者教程需要什么…

---

下面進入正題

三篇關于新能源電力轉換與控制仿真的實驗指導文檔

---

仿真一：Buck 電路

一、仿真目的

1. 深入理解Buck電路的工作原理
2. 掌握Buck電路的建模與仿真方法
3. 學會分析Buck電路的性能特性

二、仿真內容

（一）Buck電路基本構成及工作原理

1. 基本構成：Buck電路由直流電壓源、MOSFET管、二極管、電感電容濾波電路等組成。其中，MOSFET管和二極管構成開關電路，控制電能的傳輸；電感電容濾波電路用于平滑輸出電壓和電流。
2. 工作原理：Buck電路是一種降壓型直流-直流變換器。當MOSFET管導通時，輸入電壓通過電感為負載和電容供電；當MOSFET管截止時，電感儲存的能量通過二極管釋放給負載和電容。通過調節MOSFET管的占空比，可以控制輸出電壓的大小。

然后打開MATLAB2025，建議淘寶買個密鑰或者賬號，可玩性高


第一次打開會慢一點，左下角顯示如下：


上面的是模型的打開，選中空白模型

模型界面（首次打開）會等待幾分鐘

打開庫管理器就可以找到下面的模型，用到的如下，可以挨個復制

Mosfet

Universal bridge

DC voltage

RLC Branch

Pulse Generator

Mux

Powergui

vollage measurement

scope

然后把這些都拖動到

（二）Buck電路仿真模型及元件連接

1. 建立仿真模型：使用Matlab/Simulink等仿真軟件，搭建Buck電路的仿真模型。包括直流電壓源、MOSFET管、二極管、電感電容濾波電路、負載電阻等元件的添加和連接。
2. 元件連接：
   • 直流電壓源連接到MOSFET管的漏極
   • MOSFET管的源極連接到電感的一端
   • 電感的另一端連接到負載電阻的一端和電容的一端
   • 電容的另一端連接到負載電阻的另一端和地
   • 二極管的陽極連接到MOSFET管的源極，陰極連接到電感的另一端

（三）Buck電路關鍵模塊參數設置

1. 直流電壓源（DC Voltage Source）：
   • 模塊參數設置：在“Block Parameters (DC Voltage Source)”對話框中，設置“Sample based”為“off”，“Sample time (-1 for inherited)”為“-1”，“Input signal (v)”為“0”，“Output voltage (V)”為“100”，“Source impedance (ohms)”為“0”，“Output current (A)”為“0”，“Sample time (-1 for inherited)”為“-1”，“Input signal (v)”為“0”，“Output voltage (V)”為“100”，“Source impedance (ohms)”為“0”，“Output current (A)”為“0”，“Sample time (-1 for inherited)”為“-1”
2. MOSFET管（MOSFET）：
   • 模塊參數設置：在“Block Parameters (MOSFET)”對話框中，設置“Type”為“N-channel enhancement mode”，“Rs (ohms)”為“0.1”，“Cs (F)”為“1e-12”，“Rs (ohms)”為“0.1”，“Cs (F)”為“1e-12”
3. 電感（Inductor）和電容（Capacitor）：
   • 電感：在“Block Parameters (Inductor)”對話框中，設置“Inductance (H)”為“1e-3”，“Series resistance (ohms)”為“0.1”
   • 電容：在“Block Parameters (Capacitor)”對話框中，設置“Capacitance (F)”為“1e-3”，“Series resistance (ohms)”為“0.01”
4. 負載電阻（Resistor）：
   • 在“Block Parameters (Resistor)”對話框中，設置“Resistance (ohms)”為“1”

（四）運行仿真與結果分析

1. 運行仿真：設置仿真參數，如仿真時間、步長等，運行仿真模型。
2. 結果分析：
   • 輸出電壓波形分析：觀察輸出電壓波形，檢查是否穩定在目標值附近。如果輸出電壓波動較大，可能需要調整電感、電容或占空比。
   • 效率分析：計算Buck電路的效率，分析能量轉換效率。
   • 紋波分析：測量輸出電壓的紋波大小，評估濾波效果。如果紋波過大，可以考慮增加電容值或調整占空比。
   • 動態響應分析：改變輸入電壓或負載條件，觀察輸出電壓的動態響應，評估電路的穩定性和響應速度。

（五）故障診斷與排除

1. 常見故障及原因分析：
   • 輸出電壓過高或過低：可能是占空比設置不當或反饋控制環節出現問題。
   • 輸出電壓紋波過大：可能是電感、電容值選擇不合適或開關頻率過低。
   • 電路無法正常工作：可能是元件連接錯誤或參數設置不合理。
2. 故障診斷與排除方法：
   • 使用示波器等工具，檢查關鍵節點的波形，如輸入電壓、輸出電壓、MOSFET管的柵極驅動信號等。
   • 根據波形特征，判斷故障類型和位置。
   • 針對故障原因，調整參數或修復連接，重新運行仿真，驗證故障是否排除。

仿真二：逆變電路與 SPWM 控制技術仿真

一、仿真目的

1. 學習單相及三相逆變變換電路的仿真方法
2. 學習研究 SPWM 控制技術的作用
3. 掌握逆變電路中濾波與信號頻譜分析方法

二、仿真內容

（一）單相逆變電路仿真

1. 建立單相逆變電路的仿真模型，對比研究逆變電路的控制信號分別為簡單控制信號（即某個開關管的控制信號為 “半周期高電平半周期低電平” 的形式，可以不含有死區時間的設置）與 SPWM 信號時，逆變結果的差異。
   • 對比觀察逆變控制信號的差異 ：通過對比兩種控制信號，可以直觀地看到簡單控制信號和 SPWM 信號在波形上的不同。簡單控制信號是一種較為基礎的開關控制方式，而 SPWM 信號則具有更高的頻率和更復雜的調制特性，能夠更精確地控制逆變電路的輸出。
   • 對比觀察逆變輸出信號的波形以及頻譜結構的差異 ：信號頻譜分析步驟如下：
     • 待分析信號從示波器中導出
     • 選擇 “powergui\Tools\FFT Analysis”
     • 分析相應信號的頻譜

簡單控制信號的逆變輸出信號頻譜較為復雜，諧波成分較多，而 SPWM 信號的逆變輸出信號頻譜則相對集中，諧波含量較低，這使得 SPWM 控制技術在逆變電路中具有更好的性能和更高的電能質量。

2. 建立含有 LC 濾波電路的單相逆變電路的仿真模型，對比研究逆變電路的控制信號分別為簡單信號與 SPWM 信號時，最終逆變輸出結果的差異，以及濾波電路的截止頻率對最終逆變輸出的影響。
   • 對比觀察最終逆變輸出信號的波形以及頻譜結構的差異 ：添加 LC 濾波電路后，兩種控制信號下的逆變輸出波信號形和頻譜結構進一步得到改善。簡單控制信號的逆變輸出信號經過濾波后，諧波成分有所減少，但仍不如 SPWM 信號控制下的逆變輸出信號純凈。而 SPWM 信號控制下的逆變輸出信號在經過 LC 濾波后，能夠更接近理想的正弦波，頻譜特性更加優良。
   • 研究 LC 濾波電路的參數（濾波截止頻率）對最終逆變輸出的影響 ：通過改變 LC 濾波電路的參數，如電感 L 和電容 C 的值，可以調整濾波電路的截止頻率。一般來說，截止頻率的選擇需要根據逆變電路的輸出頻率和負載特性來確定。當截止頻率時較低，濾波效果較好，但可能會導致信號的相位移和幅值衰減；而截止頻率較高時，雖然濾波效果相對較弱，但能夠更好地保留信號的高頻特性。經過實驗發現，當 L、C 的參數均取為 1/(2pi50) 或其他合適參數時，能夠取得較好的濾波效果，使逆變輸出信號的質量得到顯著提高。

（二）三相逆變電路仿真

1. 建立三相逆變電路仿真模型。
2. 觀察三相逆變電路在簡單控制信號控制時的輸出相電壓、線電壓等信號的波形圖。在簡單控制信號下，三相逆變電路的輸出相電壓和線電壓呈現出方波的特性，波形較為粗糙，諧波含量較高。
3. 對比觀察三相逆變電路的簡單控制信號與 SPWM 控制信號的波形圖。SPWM 控制信號的波形則要平滑得多，其調制特性使得輸出的相電壓和線電壓更接近正弦波，諧波成分得到了有效的抑制。
4. 觀察三相逆變電路在 SPWM 信號控制時的輸出相電壓、線電壓等信號的波形圖，并與步驟 2 中的情況作對比。通過對比可以看出，SPWM 控制技術在三相逆變電路中具有明顯的優勢，能夠顯著提高電能質量，減少對電網的諧波污染。
5. 給三相逆變電路添加 LC 濾波，觀察濾波后的有關輸出。添加 LC 濾波后，三相逆變電路的輸出信號得到了進一步的優化，波形更加平滑，諧波含量進一步降低，能夠更好地滿足負載對電能質量的要求。

---

仿真三：PI 控制在 DC/DC 變換電路及 DC/AC 變換電路中的應用

一、仿真目的

1. 學習 PI 控制在 DC/DC 變換電路中的應用
2. 學習 PI 控制在 DC/AC 變換電路中的應用
3. 練習 PI 參數調節的相關方法

二、仿真內容

（一）PI 控制在 DC/DC 變換電路中應用

1. 建立基于 PI 控制的 buck 電路仿真模型。

   • 輸入電壓 Ui 設為 100V，電感 L 和電容 C 的量值可以均設為：1e-3，電阻取值為 1，PID 控制器的設置為：

     • 在此模型中，PI 控制器的輸出量被用作 buck 電路中開關管的占空比控制信號。通過調節 PI 參數，可以實現對輸出電壓的精確控制。當 PI 控制器的輸出超過 1 時，可能會導致開關管一直處于導通或截止狀態，無法正常工作，因此需要將其限制在 0~1 之間，以確保電路的穩定運行。

   • 調節 PI 參數，觀察電路的輸出電壓是否能夠很好地趨向并穩定在目標值：50V ：PI 參數調節可以按照先調 P 參數（比例參數），再調 I 參數（積分參數）的方式進行。先調 P 參數時可以把 I 參數定為 0，P 參數調整得比較合適后，再添上 I 參數。通過反復試驗和調整 PI 參數，可以觀察到當 PI 參數設置合理時，電路的輸出電壓能夠快速地趨向并穩定在 50V 的目標值，實現對輸出電壓的精確控制。

（二）PI 控制在單相 DC/AC 變換電路中應用

1. 建立基于 PI 控制的單相 DC/AC 變換電路仿真模型。

   • 輸入電壓 Ui 設為 380V，電感 L 和電容 C 的量值可以均設為：1/(2pi50)，電阻取值為 1，Sin 信號模塊的參數設置為：

     • 在此模型中，PI 控制器的輸出量被用作逆變電路中開關管的調制信號，通過與正弦波信號的比較產生 PWM 控制信號，從而控制逆變電路的輸出電壓。由于正弦波信號的幅值范圍在 -1~1 之間，因此需要將 PI 控制器的輸出限制在 -1~1 之間，以確保 PWM 控制信號的正確性。

   • PID 控制器的設置為：

     • 調節 PI 參數，觀察電路的輸出電壓是否能夠很好地趨向并穩定在目標值：220V/50Hz 的正弦交流電。PI 參數同樣可以按照先調 P 參數（比例參數），再調 I 參數（積分參數）的方式進行調節。通過合理設置 PI 參數，可以使逆變電路的輸出電壓波形接近理想的正弦波，頻率穩定在 50Hz，幅值穩定在 220V 左右。此時的 PI 控制器只需要稍微設置參數，即可獲得很好的控制效果，這說明在單相 DC/AC 變換電路中，PI 控制具有較高的控制精度和穩定性。

---

仿真四：光伏發電系統中最大功率點跟蹤技術仿真

一、仿真目的

1. 學習研究擾動觀察法最大功率點跟蹤技術的仿真方法
2. 學習研究電導增量法最大功率點跟蹤技術的仿真方法
3. 掌握有關仿真電路的搭建方法與技巧

二、仿真內容

（一）擾動觀察法最大功率點跟蹤技術

1. 建立由光伏陣列及 buck 電路構成的電路系統模型。其中最大功率點跟蹤子系統（subsystem，可以改名為 mppt）的電路結構如下：

   • 其中 PWM 信號產生子系統（pwm）的電路結構（此部分可以用軟件自帶的模塊 “PWM Generator (DC-DC)” 代替，更方便）：
   • 部分模塊的參數設置：
     • PV Array：
     • Zero-Order Hold 與 Zero-Order Hold1：
     • Merory 與 Merory1：
     • Merory2：
     • Saturation（限幅項）：

2. 運行仿真模型，觀察最大功率點跟蹤的過程，并進行以下探究。

   • 探究 buck 電路控制信號的占空比調整步長 (ΔD) 對最大功率點跟蹤過程的影響 ：占空比調整步長 ΔD 的大小會影響 MPPT 的速度和精度。較大的 ΔD 可以加快跟蹤速度，但可能會導致在最大功率點附近振蕩，影響跟蹤精度；較小的 ΔD 則能夠提高跟蹤精度，但跟蹤速度較慢。通過實驗可以觀察不同 ΔD 值下最大功率點跟蹤過程的變化，找出適合的 ΔD 值以達到較好的跟蹤效果。
   • 探究電路信號的采樣時間 (Zero-Order Hold 的時間設置) 對最大功率點跟蹤過程的影響 ：采樣時間的長短也會影響 MPPT 的性能。較短的采樣時間能夠更及時地反映光伏陣列的輸出變化，加快跟蹤速度；但過短的采樣時間可能會引入更多的噪聲和干擾，影響跟蹤精度。較長的采樣時間則會使跟蹤速度變慢，無法及時響應光照強度和溫度等環境參數的變化。通過調整 Zero-Order Hold 的時間設置，可以觀察采樣時間對最大功率點跟蹤過程的影響，確定合適的采樣時間。
   • Merory2 模塊的初始值可以設為 0 或 0.4 或其它值，對比仿真結果會有怎樣的不同，思考原因 ：Merory2 模塊的初始值會影響 MPPT 的起始狀態和收斂過程。不同的初始值可能導致最大功率點跟蹤的初始方向和速度不同，進而影響整個跟蹤過程的收斂時間和穩定性。例如，當初始值設置為 0 時，可能需要較長的時間才能逐漸尋找到最大功率點；而當初始值設置為 0.4 時，可能會更快地接近最大功率點，但也可能會出現一定的振蕩。通過對比不同初始值下的仿真結果，可以更好地理解初始值對 MPPT 算法的影響。
   • 思考負載電阻值的取值要求 ：負載電阻值的大小與光伏陣列的最大功率輸出密切相關。為了使光伏陣列能夠在最大功率點運行，負載電阻值需要滿足一定的條件。一般來說，負載電阻值應該與光伏陣列在最大功率點的等效內阻相匹配，這樣才能夠實現最大功率傳輸。如果負載電阻值過大或過小，都會導致光伏陣列的輸出功率降低，無法達到最大功率點。
   • 嘗試創造出光伏陣列所處的環境參數變化 (光照強度、溫度變化)，觀察相應的最大功率點跟蹤過程 ：通過改變光伏陣列的光照強度和溫度等環境參數，可以模擬實際應用中光伏系統的運行工況。觀察在環境參數變化時最大功率點跟蹤過程的變化，可以驗證 MPPT 算法的適應性和魯棒性。例如，當光照強度突然增加或減小時，MPPT 算法能夠及時調整控制策略，使光伏陣列迅速跟蹤到新的最大功率點，確保系統的穩定運行。

3. 嘗試建立由光伏陣列與 boost 電路構成的電路系統模型，并在此模型中演示擾動觀察法最大功率點跟蹤過程。與 buck 電路相比，boost 電路具有不同的拓撲結構和工作原理，但 MPPT 的基本思想和方法是類似的。通過建立 boost 電路模型并進行仿真，可以進一步加深對擾動觀察法最大功率點跟蹤技術的理解和掌握，同時了解不同拓撲結構電路在光伏發電系統中的應用特點。

（二）電導增量法最大功率點跟蹤技術

1. 建立由光伏陣列及 buck 電路構成的電路系統模型。其中最大功率點跟蹤子系統 (mppt) 的電路結構如下：
2. 運行仿真模型，觀察最大功率點跟蹤的過程。
3. 對比擾動觀察法與電導增量法，找出兩者的差異。擾動觀察法是通過周期性地擾動光伏陣列的工作點，觀察功率的變化趨勢來判斷是否接近最大功率點；而電導增量法則是基于光伏陣列的伏安特性，通過測量光伏陣列的電壓和電流變化率來確定最大功率點的方向。電導增量法具有跟蹤精度高、響應速度快等優點，但其算法相對復雜，對電路參數的精度要求較高。
4. 探究電導增量法最大功率點跟蹤過程中的影響因素。例如，光伏陣列的參數變化、電路元件的精度、環境因素等都可能對電導增量法的跟蹤效果產生影響。通過分析這些影響因素，可以采取相應的措施來提高電導增量法的最大功率點跟蹤性能，確保光伏發電系統在各種工況下都能穩定、高效地運行。

2025.04.23 源自于 陳磊教授的新能源電力轉換與控制仿真課