1 引言
利用電力電器仿真現代電子系統一直是一個挑戰，這是因為電力開關的非線性性能，與連續子系統的連接和離散時間控制的設計[1]。如今，為了設計有效的控制對策，在越來越多的復雜系統中也采用仿真研究。例如，可再生能源轉換系統[2]，完整的牽引系統[3]等。在這些案例中，需要實際控制有效的仿真。
目前，已開發出大量的仿真軟件，它們中的部分一直致力于基于特定電路庫，例如pscad(電力系統仿真的專業工具)，caspoc(電力電子和電氣驅動建模與仿真軟件)，pspice (設計和仿真模擬和數字電路)，psim(電力電子、電機控制和動態系統仿真的仿真軟件設計)等電力電子性能的仿真。其他軟件能有效地控制開發，基于特定的系統庫或者工具箱，例如:matlab/simubbbb。使用這種軟件對于直接生成實時控制算法，如獲取dspace控制器板是有價值的。
因此，需要改編所利用的單個的軟件，以確保考慮了電力電子的非線性性能和控制法則的直接實施的整個系統的有效仿真[4][5][6]。
本文以一個光電(pv)能量轉換系統為例，研究了matlab /simubbbb工具箱plecs仿真了如文獻[7]中的電力電子控制系統。
在第二節中，描述了兩個圖形環境。本文第三節是專門用來仿真光電應用。最后，在第四節中給出了仿真結果的比較。
2 圖形環境
兩種圖形軟件被視為學習電力電子控制系統。第一種更適合描述物理結構的電力系統，第二種更適合描述數字控制的信號流。
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系統。該軟件必須利用幾個數值方法內部解決連接問題。例如，如果有兩個電感串聯，只計算一個狀態變量，因為兩個電流都是平等的。這種軟件是十分有益于系統設計和分析。
系統仿真程序是基于功能庫。通過利用代表通用變量的線路聯合多種基本功能來描述該系統。通過一個整體的功能來描述幾個元件。比如，兩個串聯的電感通過一個帶有單一時間常數的單獨的傳遞函數來描述。這類軟件提供了大量的分析和自動化工具，因此廣泛應用于控制設計。
為了描述可觀察的系統并組織必須設計的控制功能，需要結合兩種圖形環境。但是，它們的思路完全不同，因此很難統一仿真。不僅如此，當無實驗經驗的用戶操作時，可能會造成一些錯誤。
在本文中，對著名的matlab/simubbbb仿真環境(系統仿真程序包含用于自動控制的功能強大的庫和工具箱)和新的plecs(電路仿真程序包括電力電子庫)的聯合裝置進行了測試。目的是為了開發用于電力電子的數字控制，從仿真到實際執行。因此，matlab/simubbbb環境較好的適應于控制開發同時包含了自動代碼產生器。plecs工具箱是用來在實際執行過程之前提供電廠的仿真模型。
2.1 matlab/simubbbb環境
為有效設計一個嵌入式控制系統并準確預測其性能，設計者必須了解包含控制系統的整個系統的性能。matlab和simubbbb形成了基于模型設計的核心環境，用于創造物理系統性能的精確數學模型。matlab/simubbbb環境的圖形和塊圖范例使得用戶拖放預先造型的元件，并把它們連接起來，同時創造動態系統模型。這些動態系統是時間連續、多速率或者時間離散或是這三個的任何組合。建模環境是分等級的，自動形成的文件如圖1所示。系統結構和功能可通過群組合模型來表示。
圖1 利用simubbbb復雜控制系統的等級模型
2.2 plecs工具箱
plecs是在simubbbb環境中仿真電氣電路的simubbbb工具箱。由于提供理想元件，所以仿真速度快。
圖2 用于電路仿真的部分plecs元件
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、電壓和電流源都可當作理想元件。可以用探針測量電壓和電流。這些測量可以作為simubbbb環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。在處理仿真結果方面，matlab/simubbbb具有非常好的仿真效果。實際上，大部分仿真工具都提供了一個simubbbb接口。
使用此工具箱，可能實時仿真電力轉換器和其它電氣線路，這與plecs子系統及其控制和標準的simubbbb子系統一樣。
2.3 實時控制的最后一步
利用系統模型和實時工藝，在生產任務處理器上進行測試,驗證和嵌入式實施的實時代碼可以自動生成, dspace的硬件舉例[8]。由于它的創造，該代碼自動優化，快速執行并有效利用儲存器。系統模型自動產生代碼可避免因人工轉換模型代碼的錯誤，又可以節省時間,允許軟件開發商集中處置更加需要的任務。
利用電氣驅動仿真dspace系統的典型樣例如文獻[9]中所示，利用風能轉換系統仿真dspace系統的典型樣例如(pwm)在文獻[10]中所示。
但是在實際執行之前，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simubbbb傳遞函數或plecs工具箱開發。
3 光電(pv)轉換器的仿真
3.1 研究系統和控制
單級單相電網連接光電(pv)轉換器系統的通用結構如圖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)轉換過濾器和公用電網;——以及由算法組成的控制部分，如最高功率點跟蹤(mppt)，鎖相環(pll),直流電壓控制器和電流控制器等。
圖3 電網，電源(pv陣列)，電力轉換器，控制和pwm的電力電子系統
圖4 光電(pv)轉換器的simubbbb模型
利用simubbbb環境的圖形顯示的功能，已經建立了仿真模型，如圖4中所示。仿真模型分為控制部分和電廠部分，這樣在應用dspace實驗驗證時，可在實時應用中直接執行控制部分。利用控制系統模型和實時車間，自動生成dspace系統上的代碼測試，驗證和嵌入式實施。(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電廠和pwm模型進行離線仿真，如圖4中所示，通過除去電廠模型并向實際電廠增加接口，可進行在線測試使得控制開發時間可以大大的縮短，如圖5所示。
圖5 dspace實施的控制系統模型
圖6 光電(pv)能量轉換系統的控制圖
單級單相光電(pv)轉換器系統的控制結構如圖6所示。該控制結構主要是基于鎖相環(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)轉換器控制結構仿真模型是基于直覺上的圖形方式建立的，如圖7所示。
圖7 光電(pv)轉換器控制結構的仿真模型
圖8表示單相鎖相環(pll)結構，包括電網電壓監控[11]。pll用于提供單元電力因素操作，包含轉換器輸出電流和電網電壓的同步，也提供一個規則的正弦電流參考。
單相鎖相環(pll)結構的等效simubbbb模型列于圖8和圖9中。
圖8 包括電網電壓監控的單相鎖相環(pll)結構通用形式
圖9 單相鎖相環(pll)結構的simubbbb模型
利用適當的諧振(pr)控制器實現電網電流控制器，公式定義如下[12]:
(1)
pr控制器可連接諧波補償器(hc)，gn(s),定義如下:
(2)
電網電流控制器(pr+hc)的simubbbb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。
圖10 電網電流控制器的simubbbb模型
圖11 pr電流控制器—根軌跡和波德圖的分析
利用matlab/simubbbb環境中提供的sisotool工具箱已經完成電流控制器的調諧。電網電流控制器(pr+hc)的根軌跡和波德圖的分析如圖11所示。該工具允許人工設定控制器的增益，強加一定帶寬，同時通過調整相位差以確保穩定。
matlab/simubbbb環境是控制設計的一個有效工具，但模型切換轉換器也是一個技術難點。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開發出相同的一個電廠:一個采用傳遞函數方法，另一個則利用了plecs工具箱。
3.2 利用matlab/simubbbb環境仿真電廠
首次使用導向電路中不同接點處、高復雜性和艱巨性的監控信號的傳遞函數方法開發出電廠模型。
圖12 電力電路圖
圖13 電壓源反向器simubbbb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simubbbb模型圖。圖14顯示了lcl濾波器以及公用電網的simubbbb轉換功能途徑。因為它是可以察覺的,所以在電路板上很難跟蹤不同節點的信號,特別是電路板復雜度很高的情況下，難度更明顯。
3.3 使用plecs進行設備模擬
圖14 lcl濾波器以及公用電網的simubbbb轉換功能途徑
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系統模擬模塊與圖4表示的一樣,只是設備子系統使用plecs工具箱改變,控制方法同圖7所描述的一致。設備子系統是用plecs進行建模的電路。電板包括dc電源,反相器,lcl濾波器和公用電網的模型。設備的詳細電板如圖15所示。這些模型組成了以下描述的子系統。dc電源使用電壓源建成。反相器是基于4個igbt和內置反平行二極管而建成。這些開關由門控信號(sa-sb-sc-sd),使用特別門控信號端口來從simubbbb控制部件轉給plecs電路。電子端口在電子信號的輸入輸出子系統中使用(dc+, dc-, l, n)。
為了對反相器的高頻脈沖進行過濾,使用了一個lcl濾波器。電感和電容值在子系統表征碼中設置。對于前面提到的電子信號,特別使用了電子端口。柵極使用了感應的抗阻型電容部件,參數由子系統的表征碼進行設置。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simubbbb環境中的控制辦法以反饋信息得到使用。
圖15 全橋路布局的plecs電路,通過lcl濾波器與柵極聯接
4 模擬結果
圖16 pv反相器模擬結果
(a)設備使用plecs模型的反相器電壓和電流波形；
(b)設備使用plecs模型的柵極電壓和電源波形
(c)設備使用simubbbb的反相器電壓和電源波形
(d)設備使用simubbbb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備建模技術的模擬結果比較。一個使用了plecs工具箱(前兩組圖)，另一個使用了simubbbb轉換功能途徑(最后兩組圖)。模擬結果通過使用相同控制結構和相同設備參數得到(如圖所示)。兩組不同設備應用幾乎無任何不同。然而,使用plecs模型設備所用時間比使用simubbbb轉換功能途徑要少四倍。所以，一秒的實際時間使用了plecs為59s的時間，而使用了simubbbb轉換功能途徑為3分46s。
5 結束語
本文集中討論了在實時執行之前的電力系統控制模擬操作。首先主要在控制設計中特別討論了一個單相pv反相器在simubbbb的模擬操作。控制器可以使用dspace系統自動在線測試。第二以一個電路模擬器的身份介紹了plecs這個新型部件裝置。兩個工具的組合為電源轉換模擬器的開關提供了一個很好的環境。
plecs是一個非常適合在matlab/simubbbb環境中電路板建模的工具。把plecs和simubbbb組合在一塊的優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準simubbbb環境中的部件建模控制也處于領先。然而,與系統軟件一起的電路組合軟件可能會給初學的用戶帶來混淆。另外,部件之間的線路連接也并不是相同概念。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
