作 者 ：丹麦奥尔堡大学 能源技术学院 M Ciobotaru T Kerekes R Teodorescu 法国里尔大学 A Bouscayrol
摘 要 ：本文描述了光电能量转换系统及其控制的仿真。在实时执行之前，为了测试控制算法的有效性，需要进行该系统的仿真研究。另外，为了直接生成dSPACE控制板的实时代码，必须利用MATLAB/Simulink开发控制系统。本文利用MATLAB/Simulink，首次研究了电力系统的仿真。在第二步中，利用PLECS工具箱仿真了电力系统，而且比较了进行实验的仿真模型和所提供的选择性仿真结果。
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.
关键词： 换流器 仿真
1 引言
利用电力电器仿真现代电子系统一直是一个挑战，这是因为电力开关的非线性性能，与连续子系统的连接和离散时间控制的设计[1]。如今，为了设计有效的控制对策，在越来越多的复杂系统中也采用仿真研究。例如，可再生能源转换系统[2]，完整的牵引系统[3]等。在这些案例中，需要实际控制有效的仿真。
目前，已开发出大量的仿真软件，它们中的部分一直致力于基于特定电路库，例如PSCAD（电力系统仿真的专业工具），CASPOC（电力电子和电气驱动建模与仿真软件），PSPICE （设计和仿真模拟和数字电路），PSIM（电力电子、电机控制和动态系统仿真的仿真软件设计）等电力电子性能的仿真。其他软件能有效地控制开发，基于特定的系统库或者工具箱，例如:MATLAB/Simulink。使用这种软件对于直接生成实时控制算法，如获取dSPACE控制器板是有价值的。
因此，需要改编所利用的单个的软件，以确保考虑了电力电子的非线性性能和控制法则的直接实施的整个系统的有效仿真[4][5][6]。
本文以一个光电（PV）能量转换系统为例，研究了MATLAB /Simulink工具箱PLECS仿真了如文献[7]中的电力电子控制系统。
在第二节中，描述了两个图形环境。本文第三节是专门用来仿真光电应用。最后，在第四节中给出了仿真结果的比较。
2 图形环境
两种图形软件被视为学习电力电子控制系统。第一种更适合描述物理结构的电力系统，第二种更适合描述数字控制的信号流。
电路仿真程序是基于利用物理连接表示的线路所连接的物理元件库。然后，通过连接物理元件建立一个系统。该软件必须利用几个数值方法内部解决连接问题。例如，如果有两个电感串联，只计算一个状态变量，因为两个电流都是平等的。这种软件是十分有益于系统设计和分析。
系统仿真程序是基于功能库。通过利用代表通用变量的线路联合多种基本功能来描述该系统。通过一个整体的功能来描述几个元件。比如，两个串联的电感通过一个带有单一时间常数的单独的传递函数来描述。这类软件提供了大量的分析和自动化工具，因此广泛应用于控制设计。
为了描述可观察的系统并组织必须设计的控制功能，需要结合两种图形环境。但是，它们的思路完全不同，因此很难统一仿真。不仅如此，当无实验经验的用户操作时，可能会造成一些错误。
在本文中，对著名的MATLAB/Simulink仿真环境（系统仿真程序包含用于自动控制的功能强大的库和工具箱）和新的PLECS（电路仿真程序包括电力电子库）的联合装置进行了测试。目的是为了开发用于电力电子的数字控制，从仿真到实际执行。因此，MATLAB/Simulink环境较好的适应于控制开发同时包含了自动代码产生器。PLECS工具箱是用来在实际执行过程之前提供电厂的仿真模型。
2.1 MATLAB/Simulink环境
为有效设计一个嵌入式控制系统并准确预测其性能，设计者必须了解包含控制系统的整个系统的性能。MATLAB和Simulink形成了基于模型设计的核心环境，用于创造物理系统性能的精确数学模型。MATLAB/Simulink环境的图形和块图范例使得用户拖放预先造型的元件，并把它们连接起来，同时创造动态系统模型。这些动态系统是时间连续、多速率或者时间离散或是这三个的任何组合。建模环境是分等级的，自动形成的文件如图1所示。系统结构和功能可通过群组合模型来表示。
2.2 PLECS工具箱
PLECS是在Simulink环境中仿真电气电路的Simulink工具箱。由于提供理想元件，所以仿真速度快。
如图2所示，利用PLECS形成的电路，包括电阻器、电感器、电容器、开关、电压和电流源都可当作理想元件。可以用探针测量电压和电流。这些测量可以作为Simulink环境中的控制反馈或者只用于在线观察的范围。
利用特殊探针，只能在图形窗口观察到电压和电流。在处理仿真结果方面，MATLAB/Simulink具有非常好的仿真效果。实际上，大部分仿真工具都提供了一个Simulink接口。
使用此工具箱，可能实时仿真电力转换器和其它电气线路，这与PLECS子系统及其控制和标准的Simulink子系统一样。
2.3 实时控制的最后一步
利用系统模型和实时工艺，在生产任务处理器上进行测试,验证和嵌入式实施的实时代码可以自动生成, dSPACE的硬件举例[8]。由于它的创造，该代码自动优化，快速执行并有效利用储存器。系统模型自动产生代码可避免因人工转换模型代码的错误，又可以节省时间,允许软件开发商集中处置更加需要的任务。
利用电气驱动仿真dSPACE系统的典型样例如文献[9]中所示，利用风能转换系统仿真dSPACE系统的典型样例如（PWM）在文献[10]中所示。
但是在实际执行之前，所利用的电厂模型仿真的控制部分必须有效。这种模型可选用Simulink传递函数或PLECS工具箱开发。
3 光电（PV）转换器的仿真
3.1 研究系统和控制
单级单相电网连接光电（PV）转换器系统的通用结构如图３所示，包含两大部分—电厂部分（硬件部分），例如光电（PV）阵列, 光电（PV）转换过滤器和公用电网;—以及由算法组成的控制部分，如最高功率点跟踪（MPPT），锁相环（PLL）,直流电压控制器和电流控制器等。
利用Simulink环境的图形显示的功能，已经建立了仿真模型，如图4中所示。仿真模型分为控制部分和电厂部分，这样在应用dSPACE实验验证时，可在实时应用中直接执行控制部分。利用控制系统模型和实时车间，自动生成dSPACE系统上的代码测试，验证和嵌入式实施。（参见图5）。
因此，图4和图5中的控制块是一致的并首次利用一个电厂和PWM模型进行离线仿真，如图4中所示，通过除去电厂模型并向实际电厂增加接口，可进行在线测试使得控制开发时间可以大大的缩短，如图5所示。
单级单相光电（PV）转换器系统的控制结构如图6所示。该控制结构主要是基于锁相环（PLL），MPPT算法，直流电压控制器和电流控制器的同步算法。
光电（PV）转换器控制结构仿真模型是基于直觉上的图形方式建立的，如图7所示。
图8表示单相锁相环（PLL）结构，包括电网电压监控[11]。PLL用于提供单元电力因素操作，包含转换器输出电流和电网电压的同步，也提供一个规则的正弦电流参考。
单相锁相环（PLL）结构的等效Simulink模型列于图8和图9中。
利用适当的谐振（PR）控制器实现电网电流控制器，公式定义如下[12]:
PR控制器可连接谐波补偿器（HC），Gn（s）,定义如下:
电网电流控制器（PR+HC）的Simulink模型描述在图10中，其中双积分器的相同方块被用于不同共振频率。
利用MATLAB/Simulink环境中提供的Sisotool工具箱已经完成电流控制器的调谐。电网电流控制器（PR+HC）的根轨迹和波德图的分析如图11所示。该工具允许人工设定控制器的增益，强加一定带宽，同时通过调整相位差以确保稳定。
MATLAB/Simulink环境是控制设计的一个有效工具，但模型切换转换器也是一个技术难点。因此，为了测试电力线路仿真的性能，本文使用两种不同的技术开发出相同的一个电厂:一个采用传递函数方法，另一个则利用了PLECS工具箱。
3.2 利用MATLAB/Simulink环境仿真电厂
首次使用导向电路中不同接点处、高复杂性和艰巨性的监控信号的传递函数方法开发出电厂模型。
图12为模拟的电力电路图，图13为模拟的电压源反向器Simulink模型图。图14显示了LCL滤波器以及公用电网的Simulink转换功能途径。因为它是可以察觉的,所以在电路板上很难跟踪不同节点的信号,特别是电路板复杂度很高的情况下，难度更明显。
3.3 使用PLECS进行设备模拟
用PLECS搭建电路非常简单直接。只要把拖拉所需部件在一起然后连接起来就可以做成理想的电路板。使用PLECS的PV系统模拟模块与图4表示的一样,只是设备子系统使用PLECS工具箱改变,控制方法同图7所描述的一致。设备子系统是用PLECS进行建模的电路。电板包括DC电源,反相器,LCL滤波器和公用电网的模型。设备的详细电板如图15所示。这些模型组成了以下描述的子系统。DC电源使用电压源建成。反相器是基于4个IGBT和内置反平行二极管而建成。这些开关由门控信号（Sa-Sb-Sc-Sd）,使用特别门控信号端口来从Simulink控制部件转给PLECS电路。电子端口在电子信号的输入输出子系统中使用（DC+, DC-, L, N）。
为了对反相器的高频脉冲进行过滤,使用了一个LCL滤波器。电感和电容值在子系统表征码中设置。对于前面提到的电子信号,特别使用了电子端口。栅极使用了感应的抗阻型电容部件,参数由子系统的表征码进行设置。另外,如图15所示,在电路任何部分的电流和电压都可以通过测量,在示波器显示; 或者在Simulink环境中的控制办法以反馈信息得到使用。
4 模拟结果
（a）设备使用PLECS模型的反相器电压和电流波形；
（b）设备使用PLECS模型的栅极电压和电源波形
（c）设备使用Simulink的反相器电压和电源波形
（d）设备使用Simulink的栅极电压和电源（图中文字）波形。
图16显示了使用两种不同设备建模技术的模拟结果比较。一个使用了PLECS工具箱（前两组图），另一个使用了Simulink转换功能途径（最后两组图）。模拟结果通过使用相同控制结构和相同设备参数得到（如图所示）。两组不同设备应用几乎无任何不同。然而,使用PLECS模型设备所用时间比使用Simulink转换功能途径要少四倍。所以，一秒的实际时间使用了PLECS为59s的时间，而使用了Simulink转换功能途径为3分46s。
5 结束语
本文集中讨论了在实时执行之前的电力系统控制模拟操作。首先主要在控制设计中特别讨论了一个单相PV反相器在Simulink的模拟操作。控制器可以使用dSPACE系统自动在线测试。第二以一个电路模拟器的身份介绍了PLECS这个新型部件装置。两个工具的组合为电源转换模拟器的开关提供了一个很好的环境。
PLECS是一个非常适合在MATLAB/Simulink环境中电路板建模的工具。把PLECS和Simulink组合在一块的优势不仅在于加快了模拟操作,简便了电板制作过程, 而且在电路板的模拟和在标准Simulink环境中的部件建模控制也处于领先。然而,与系统软件一起的电路组合软件可能会给初学的用户带来混淆。另外,部件之间的线路连接也并不是相同概念。
