光伏发电系统的小信号建模及其控制器参数的全局优化设计
基于小信号模型的Boost-PFC控制电路优化设计
基于小信号模型的Boost-PFC控制电路优化设计作者：鲁芳朱飞翔吴青坡来源：《现代电子技术》2010年第06期摘要:在设计PFC开关电源时,除了追求高功率因数以外,良好的稳定性和动态性能也是至关重要的。
在此给出平均电流控制型Boost-PFC功率电路的小信号模型,通过对双环反馈控制电路的分析,用频域法对电流控制环和电压控制环进行反馈综合。
通过选择合适的补偿网络、进行合理的零极点配置,来改善电路的特性,使电路保持较好的稳定性和动态性能。
在此基础上,使用最优控制理论,对补偿网络的参数进行优化设计,并通过Matlab仿真证明该优化设计可行。
关键词:小信号模型;频域设计;双环控制;优化中图分类号:TN712文献标识码:A文章编号:1004-373X(2010)06-199-04Optimal Design of Boost-PFC Control Circuit Based on Small-signal ModelLU Fang1,ZHU Feixiang2,WU Qingpo2(1.Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai,264001,China;2.No.5 Brigade of Postgraduate,Naval Aeronautical and AstronauticalUniversity,Yantai,264001,China)Abstract:While designing the power factor correction circuit,excellent stability and dynamics character is very important besides high power factor.The small-signal model of average current Boost-PFC power circuit is analysed,basing on the analysis of double-feedback controlcircuit,establishing the frequency model of control system.It synthesis analyses the voltage feedback circuit and current feedback circuit by frequency model.By choosing proper compensate and installing proper transfer functions to improve dynastic character and stability.It designs the parameter of control circuit by using optimal control theory and verifies the design is feasible by Matlab simulation experiment.Keywords:small-signal model;frequency design;double-feedback control;optimization开关电源的高频化、高效化是电源技术发展的方向,其带来的效益是使开关电源装置小型化,轻便化。
电气工程中的电力系统动态建模与仿真
电气工程中的电力系统动态建模与仿真在当今社会，电力作为支撑现代文明的基石，其稳定、高效的供应对于经济发展和人们的日常生活至关重要。
电气工程中的电力系统动态建模与仿真技术，作为保障电力系统安全、稳定、经济运行的重要手段，正发挥着日益关键的作用。
电力系统是一个极其复杂且庞大的系统，它由发电、输电、变电、配电和用电等多个环节组成。
为了深入理解电力系统的运行特性，预测其在不同工况下的动态行为，以及优化系统的设计和运行策略，我们需要借助电力系统动态建模与仿真技术。
电力系统动态建模，简单来说，就是将电力系统中的各种元件和设备，如发电机、变压器、输电线路等，用数学模型来描述其电气特性和动态行为。
这些数学模型通常基于物理定律和工程经验，通过一系列的方程和参数来表达。
例如，发电机的模型通常包括其电磁特性、机械运动特性以及控制系统的特性等。
而输电线路的模型则需要考虑电阻、电感、电容等参数，以及线路的分布特性。
在建立数学模型时，需要对实际的电力系统进行合理的简化和假设。
这是因为电力系统的复杂性使得完全精确的模型难以建立和求解。
通过适当的简化，可以在保证一定精度的前提下，大大降低模型的复杂度，提高计算效率。
然而，简化也需要谨慎进行，过度的简化可能导致模型无法准确反映电力系统的实际行为，从而影响分析和决策的准确性。
有了数学模型，接下来就是进行仿真。
电力系统仿真就是利用计算机技术，按照一定的算法和步骤，对建立的数学模型进行求解，以得到电力系统在不同条件下的运行状态和动态响应。
通过仿真，我们可以模拟电力系统在正常运行、故障发生、设备投切等各种情况下的电压、电流、功率等参数的变化，从而评估系统的稳定性、可靠性和经济性。
在电力系统仿真中，常用的算法包括时域仿真算法和频域仿真算法。
时域仿真算法直接求解电力系统的微分方程和代数方程，能够较为准确地反映系统的暂态过程，但计算量较大，适用于小规模系统和短时间的仿真。
频域仿真算法则通过将电力系统的方程转换到频域进行求解，计算效率较高，适用于大规模系统的稳态分析和小信号稳定性分析。
光伏发电双轴自动跟踪控制系统的设计与应用
及 方 位 角 ％。该 数 据 值 由 天 文 算 法 [M)计 算 得 到 ：
sin y 0 = sin^?sin5 + cos^cos^cosw
( 1)
sin^?siny0 - sin5
c o s r〇= ------------------------
(2)
cos^>cosy0
式中:％ 为太阳光初始高度角； 为太阳光初始方位
本文的研究对象是新型光伏电池板双轴跟踪系 统 其 系 统 外 观 结 构 如 图 1 所示。
图 1 中 ：电 机 1 控 制 电 池 板 的 水 平 方 向 （东 、西方 向 ）转 动 ，跟 踪 太 阳光的方位角；电 机 2 控制光伏电池 板垂直方向（南 、北 方 向 ）转 动 ，跟 踪 太 阳 光 的 高 度 角 ， 最 终 使 得 电 池 板 平 面 与 太 阳 光 实 时 保 持 垂 直 ，提 升 光 伏电站的发电量。该 双 轴 跟 踪 支 架 结 构 设 计 简 单 、巧 妙 ，具有控制灵活、精度高的优点。 1 . 2 系统工作原理
A b stra c t：With the continuous development of photovoltaic industry, in order to improve the power generation of photovoltaic panels and power stations, the tracking control system based on field programmable gate array ( FPGA) control chip is proposed based on a new type of photovoltaic panel dual axis automatic tracking bracket. The azimuth and altitude angles of sunlight are calculated by astronomical calculation method and photoelectric sensor analog correction method. Then, according to the mathematical relationship between the positions of photovotaic ( P V ) panel and feedback, three phase pulse control signal is obtained. The forward and reverse rotation of the two motors are controlled by time sharing in the working process. The sunlight is always perpendicular to the plane of the panel, which realizes the real-time tracking of the sunlight angle. Finally, a project in Xinjiang is taken as an example, the measured data results are compared with the simulation results based on PVsyst software. The Comparison results show that the control system can accurately track the sunlight, which verifies the effectiveness of the system design. Compared with the fixed mode, the photovoltaic power generation can be increased by more than 30% using the dual axis automatic tracking system. The system can be applied in the following engineering projects, and can increase the revenue of photovoltaic power station. Keywords ：Field programmable gate array ( FPG A ) ； Photoelectric sensor; Time sharing control； Propotion integral ( PI ) regulator；Pulse width modulation( PWM) ；Three phase full bridge circuit；PVsyst；Dual axis automatic tracking system
DC_DC变换器小信号建模与补偿网络设计
电力电子技术Power ElectronicsVol.43No.3March ，2009第43卷第3期2009年3月定稿日期：2008-08-11作者简介：王英武（1973-），男，陕西大荔人，博士生，研究方向为功率电路的设计、建模及仿真。
1引言建模分析是分析和设计DC/DC 变换器的理论基础，尤其在研究DC/DC 变换器的稳定性和动态性能时，建立小信号模型和大信号模型对实际的研制有着重要的意义[1]。
小信号建模利用数学方法来描述DC/DC 变换器的工作状态，把开关电源中的各变量在一个开关周期内进行平均，并将各平均变量表达为直流分量与交流小信号分量之和，提取交流分量并进行线性化处理，得到非线性系统在直流工作点附近的线性化系统。
通过分析单端正激DC/DC 变换器导通和关断两个工作状态，建立了小信号模型；通过分析控制环路的交越频率、幅频特性以及相频特性，设计并优化其反馈补偿网络，从而达到改善DC/DC 变换器稳定性和快速动态响应的目的。
2单端正激变换器的小信号模型2.1状态方程的建立（1）开关管导通状态t on图1示出开关管导通状态等效原理图。
开关管VQ 导通，变压器初级线圈电流i i 逐步增大，整流管导通，续流管截止，输入电压U i 经过变压器、整流管、滤波电感L 对滤波电容C 充电，维持正常输出电压u o 。
状态变量电感电压u L （t ）与电容电流i C （t ）的瞬时值取平均变量值后可得：u L （t ）on =Ld i L （t ）d t=nU i （t ）-u C （t ）≈n ＜U i （t ）＞T s -＜u C （t ）＞T s （1）i C （t ）on =C d u C （t ）d t =i L （t ）-u C （t ）R ≈＜i L （t ）＞T s -＜u C （t ）＞T sR（2）（2）开关管关断状态t off图2示出开关管关断状态等效原理图。
VQ 关断，变压器反向激励，整流管截止，续流管导通。
基于小信号模型的永磁直驱风电系统特征值灵敏度分析
基于小信号模型的永磁直驱风电系统特征值灵敏度分析向如意;杨金明;王林;余情;杨小斌【摘要】针对直驱风电系统,通过建立控制器理想输出时和基于双PWM逆变器的双闭环控制下的永磁直驱风电系统的小信号模型,在推导出其模型特征矩阵的基础上,进行特征值灵敏度分析,得到了影响直驱风电系统稳定性最明显的参数,并通过合理配置控制器的参数从而改善系统的稳定性,为控制器的优化配置提供了理论支持.【期刊名称】《电网与清洁能源》【年(卷),期】2015(031)005【总页数】8页(P94-101)【关键词】永磁直驱风电系统;小信号模型;控制参数;灵敏度分析;局部稳定性【作者】向如意;杨金明;王林;余情;杨小斌【作者单位】华南理工大学电力学院,广东广州510640;华南理工大学电力学院,广东广州510640;内蒙古工业大学电力学院,内蒙古呼和浩特010080;华南理工大学电力学院,广东广州510640;华南理工大学电力学院,广东广州510640【正文语种】中文【中图分类】TM712基于小信号模型的永磁直驱风电系统特征值灵敏度分析向如意1，杨金明1，王林2，余情1，杨小斌1（1.华南理工大学电力学院，广东广州510640；2.内蒙古工业大学电力学院，内蒙古呼和浩特010080）摘要：针对直驱风电系统，通过建立控制器理想输出时和基于双PWM逆变器的双闭环控制下的永磁直驱风电系统的小信号模型，在推导出其模型特征矩阵的基础上，进行特征值灵敏度分析，得到了影响直驱风电系统稳定性最明显的参数，并通过合理配置控制器的参数从而改善系统的稳定性，为控制器的优化配置提供了理论支持。
关键词：永磁直驱风电系统；小信号模型；控制参数；灵敏度分析；局部稳定性文章编号：1674- 3814（2015）05- 0094- 08中图分类号：TM712文献标志码：A基金项目：国家自然科学基金项目（51177050）。
Project Supported by the National Natural Science Foundation of China （51177050）.Analysis on Eigenvalue Sensitivity of Driven Permanent Magnet Wind Power System Based on Small Signal ModelXIANG Ruyi1，YANG Jinming1，WANG Lin2，YU Qing1，YANG Xiaobin1（1.College of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China；2.College of Electric Power，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010080，Inner Mongolia，China）ABSTRACT：This paper establishes the small signal model of the directly driven permanent magnet wind power system with the ideal output and based on dual-PWM converter under the double loop control.On the basis of the characteristic matrix of the model deduced，the eigenvalue sensitivity analysis is conducted to derive the most influential element affecting the system stability of the directly driven wind power and the parameters of the controller are reasonably configured to improve the stability of the system and provide the theoretical support for the optimized settings of the controller.KEY WORDS：directly driven permanent magnet wind power system；small signal model；controller parameters；sensitivity analysis；local stability随着能源的短缺与环境的日益恶化，风力发电技术越来越受人们的关注。
光伏发电系统最大功率点跟踪调节策略设计与实现
光伏发电系统最大功率点跟踪调节策略设计与实现光伏发电系统已成为当今可再生能源领域中最具发展潜力的技术之一。
然而，在实际应用中，光伏发电系统的效率存在一定的限制，其中一个重要的因素是光伏阵列与负载之间的电力匹配问题。
为了提高光伏发电系统的效率，研究人员提出了一种称为最大功率点跟踪（MPPT）技术的方法，进行光伏阵列与负载之间的电能转换效率优化。
光伏发电系统的最大功率点是指在给定的环境条件下，光伏电池阵列所能输出的最大功率。
而最大功率点跟踪则是通过调节光伏阵列的工作状态，使其实时输出与最大功率点相匹配的电压和电流，从而实现最大功率的获取。
在光伏发电系统中，最常用的MPPT技术包括开环和闭环控制两种方式，分别适用于单一光伏阵列和多光伏阵列系统。
开环控制是指根据光照强度、温度等环境参数，通过数学模型计算出光伏阵列的最大功率点。
闭环控制则是通过反馈控制器来实时监测光伏阵列的输出功率，并动态调节光伏阵列的工作状态，不断迭代寻找最大功率点。
基于开环控制的MPPT方法有很多种，其中最常用的是P&O（Perturb and Observe）算法。
P&O算法通过周期性扰动光伏阵列的工作电压或电流，观察输出功率的变化情况，并根据变化趋势不断调整工作状态，直到找到最大功率点。
该算法简单易实现，但受环境条件变化的影响较大，容易出现震荡现象。
为了克服P&O算法的缺点，研究人员提出了很多改进的MPPT算法，如模型预测控制（MPC）、人工神经网络（ANN）等。
这些算法通过建立更准确的数学模型或使用深度学习技术来预测光伏阵列的最大功率点，从而提高了MPPT的精确性和稳定性。
闭环控制的MPPT方法则是通过反馈控制器来实时调节光伏阵列的工作状态，使其输出功率始终保持在最大功率点附近。
闭环控制器一般包括传感器、执行器和控制算法三个部分。
传感器用于实时监测光伏阵列的工作状态，执行器用于调节阵列的工作状态，控制算法则根据传感器的数据和设定的最大功率点参考值，计算出控制量并输出给执行器。
光伏发电系统控制器的设计与实现
光伏发电系统控制器的设计与实现1. 引言1.1 背景介绍光伏发电是利用光伏电池将太阳能转化为电能的一种清洁能源技术。
随着全球能源需求的增加和环境保护意识的增强，光伏发电系统逐渐成为一种重要的替代能源方案。
光伏发电系统面临着诸多挑战，其中之一就是如何有效控制和管理光伏发电系统的运行。
光伏发电系统控制器作为系统的大脑，起着至关重要的作用。
当前，市场上存在着各种不同类型的光伏发电系统控制器，但是大多数控制器的功能和性能有限，难以满足实际应用需求。
设计和实现一种高性能、高可靠性的光伏发电系统控制器显得尤为重要。
本文将针对光伏发电系统控制器的设计与实现展开研究，旨在提高光伏发电系统的效率和可靠性，推动光伏发电技术的进步和应用。
通过对光伏发电系统控制器的工作原理、硬件设计、软件设计、系统测试与性能评估以及系统优化与改进等方面进行深入研究，我们希望能够为光伏发电行业的发展贡献力量，同时也为实现清洁能源目标和减缓气候变化提供技术支撑。
【此处应有2000字内容，仅供参考】。
1.2 研究意义光伏发电系统在当今社会中具有越来越重要的地位，其具有环保、可再生、低成本等优势，受到了广泛关注。
光伏发电系统的效率和稳定性问题仍然是制约其发展的关键因素之一。
光伏发电系统控制器作为系统的核心部件之一，对于光伏发电系统的性能和稳定性起着至关重要的作用。
研究光伏发电系统控制器的设计与实现，不仅可以提升光伏发电系统的效率和稳定性，还可以降低光伏发电系统的运行成本，提高系统的可靠性和可持续发展性。
通过合理设计控制器，可以实现对光伏发电系统的精准控制和优化，提高系统的光电转换效率，降低系统的故障率，延长系统的使用寿命，为光伏发电系统的推广和应用提供了技术支持和保障。
研究光伏发电系统控制器的设计与实现具有重要的理论和实践意义，对于推动光伏发电技术的发展和应用具有积极的促进作用。
本文将从光伏发电系统控制器的工作原理、硬件设计、软件设计、系统测试与性能评估以及系统优化与改进等方面展开研究，旨在为光伏发电系统控制器的设计与实现提供一些参考和借鉴。
电力系统仿真软件介绍（作业）
电力系统分析软件介绍1 EMTDC/PSCADEMTDC是一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件，PSCAD是其用户界面，一般直接将其称为PSCAD。
使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力系统复杂部分可视化成为可能。
PSCAD/EMTDC基于dommel电磁暂态计算理论，适用于电力系统电磁暂态仿真。
EMTDC（Electro Magnetic Transient in DC System）即可以研究交直流电力系统问题，又能完成电力电子仿真及其非线性控制的多功能工具。
PSCAD由Manitoba HVDC research center开发。
2 PSAPACPSAPAC由美国EPRI开发，是一个全面分析电力系统静态和动态性能的软件工具。
其包含多个模块，其中部分模块可以单独使用。
模块和功能如下：DYNRED（Dynamic Reduction Program）：网络化简与系统的动态等值，保留需要的节点。
LOADSYN（Load Synthesis Program）：模拟静态负荷模型和动态负荷模型。
IPFLOW（Interactive Power Flow Program）：采用快速分解法和牛顿－拉夫逊法相结合的潮流分析方法，由电压稳态分析工具和不同负荷、事故及发电调度的潮流条件构成。
TLIM（Transfer Limit Program）：快速计算电力潮流和各种负荷、事故及发电调度的输电线的传输极限。
DIRECT：直接法稳定分析软件弥补了传统时域仿真工作量大、费时的缺陷，并且提供了计算稳定裕度的方法，增强了时域仿真的能力。
LTSP（Long Term Stability Program）：LTSP是时域仿真程序，用来模拟大型电力系统受到扰动后的长期动态过程。
为了保证仿真的精确性，提供了详细的模型和方法。
VSTAB（V oltage Stability Program）：该程序用来评价大型复杂电力系统的电压稳定性，给出接近于电压不稳定的信息和不稳定机理。
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光伏发电系统的小信号建模及其控制器参数的全局优化设计
摘要：在传统的太阳能电池组件模型中，由于其中存在对数，对小信号模型进
行求导计算十分麻烦，并且在双闭环控制模式下，其中的各项参数存在相互耦合
的情况，致使很难精确选择控制器参数。
对光伏发电系统的暂态稳定性进行研究
课更好地了解太阳能发电与电力系统之间的交互式影响规律。
本文在对光伏发电
系统中各重要环节的详细模型进行充分分析的基础上，进行适用于暂态稳定分析
的全系统小信号模型的建立，并依据相关数据和资料对光伏发电系统的小干扰稳
定性和低频振荡特性进行相应的分析和研究。
系统的特征值受到光伏逆变器的电
压外环以及有功电流内环的影响较大，并且系统的稳定性也深受其影响。
电压外
环的积分系数过大，或者有功电流内环比例系数过大都会负面影响系统阻尼。
关键词：光伏发电；控制器参数；小信号建模
作为一种可再生、清洁的能源，太阳能在国际能源战略中都深受重视和关注。
随着大规模太阳能光伏发电技术的研发和普及应用，为大规模光伏并网发电提供
了良好的环境和基础。
在光伏发电比例不断增加的情况下，光伏发电对传统电网
造成的影响不再局限于谐波污染、局部电压波动、输出功率不稳定，还会对电力
系统全局稳定和调峰调频、经济调度等造成严重的影响。
因此需要加强对整个电
力系统接入大规模光伏后稳定性的研究。
现阶段，主要研究风力发电方面探究新
能源接入对电力系统稳定性的影响，并且在相关方面已经取得了良好的成果。
但
是在电力系统中有大规模光伏接入的影响研究还相对较少，一些研究还停留在建
立单个组件的模型和设计控制策略方面。
下文在原有研究的基础上，全面细致分
析光伏发电系统中各个重要环节的详细模型，探究提高系统稳定性全局优化控制
器参数的设计方法。
1 光伏发电系统的结构模型
储能电容器、光伏电池组件、滤波器、逆变器及其控制器、输电线路、升压
变压器构成了光伏发电系统，如上图。
其中直流滤波电容用Cdc表示；直流电容
电压用Udc表示；交换器交流侧输出电压用Uk表示；输出滤波器电感用Lf表示；折算至变压器高压侧电抗用XT表示；节点g的电压幅值和相位用Ug和£g表示；输出电流用ig表示，输电线的电阻电抗分别用Rline和Xline表示；电力系统的戴
维宁等效电阻电抗分别用Rgrid和Xgrid表示；无穷大母线用b表示。
2 光伏发电系统的小信号模型
2.1 光伏电池组件建模
依据电子学理论可以建立光伏电池组件的精确模型，但是比较复杂和麻烦，
其中的一些参数无法直接测量，在研究和应用的过程中十分麻烦。
在相关研究和
文献中应用的有一种实用化工程模型，这种模型主要应用开路电压Uocref、光伏
电池获得最大功率时的电压Umref和电流Imref、短路电流Iscref四个出厂电气参数，这种参数是在标准条件下测试得出。
其中非标准条件下U-I方程为：
I=Isc[1-C1（eU/（C2Uoc）-1）]
其中C1=（1-Imref/Iscref）e-Umref/（C2Uocref）
C2=（Umref/Uocref-1）/[ln（1-Imref/Iscref）]
T=Tair+kS
Isc=Iscref[1+a（T-Tref）]•S/Sref
Uoc=Uocref[1-c（T-Tref）]•ln[e+b（S/Sref-1）]
Im=Imref[1+a（T-Tref）]•S/Sref
Um=Umref[1-c（T-Tref）]•ln[e+b（S/Sref-1）]
上述中的两个公式可以精确地描述光伏电池模型，但是计算过程十分复杂，
分析小信号建模及暂态稳定性十分不方便，因此可以对上式中的对数项实施多项
式拟合处理。
即：ln[e+b（S/Sref-1）]=y+1
y=ln[1+（S/Sref）•b/e]=ln（1+x）
通过仿真软件对上述中三种模型进行仿真，得到U-I曲线如下图：
通过仿真结果可以得知，上述中三种模型都不会导致太大的误差，并且也不
会明显地影响到暂态稳定分析结果，但是将数学模型可以显著简化，方面全系统
小信号建模。
2.2 逆变器及其控制器建模
在光伏发电系统中，电压型三相PWM逆变器由正弦脉宽调制控制，相应的
拓扑图如下所示：
相应的控制方程在以往的资料和文献都可以查阅，这里不再赘述。
另外，直
流侧电容方程和光伏发电机组与电网连接模型、光伏发电系统整体模型也可以在
以往的前人的文献中查阅得到，下文主要分析光伏发电系统的特征值。
3 光伏发电系统的特征值分析
3.1 特征值和参与因子分析
分析光伏发电系统小干扰稳定性算例模型参数
系统状态矩阵的特征值表
4 光伏发电系统控制器参数的全局优化设计方法
在实际控制中，可以依据特征值轨迹进行控制器参数的设计，从而提高光伏
发电系统的稳定性和稳定裕度。
依据特征值对系统暂态特性的影响规律可知，在
选择控制器参数时应该使得特征值实部的绝对值最大，从而将暂态过程缩短，促
使其最快恢复至稳态。
另外，需要各个模态具备较大的阻尼才能降低振荡周期数。
在参数设计一般规则的基础上，在选取控制参数时要时特征值的实部为负，
还要确保其绝对值足够大，并且要使其虚部绝对值较小。
5 结束语
系统的特征值受到光伏逆变器的电压外环以及有功电流内环影响较大，并且
系统稳定性也会深受影响，其他的控制参数对系统稳定性的影响较小，不过为提
升系统的稳定裕度还是需要对其进行合理取值。
传统的设计方法缺乏一定的合理性，需要应用合理的方法克服控制器参数和振荡模态之间的耦合特性。
参考文献：
[1]熊连松，刘小康，卓放，等.光伏发电系统的小信号建模及其控制器参数的
全局优化设计方法[J].电网技术，2014，38（5）：1234-1241.
[2]赵德建，杨秀.光伏并网发电系统的小信号建模与分析[J].上海电力学院学报，2014，30（1）：27-31.
[3]谢亦丰，祝明华，熊连松，等.光伏发电系统建模及其控制器参数的全局优
化设计方法研究[C]// 全国电能质量学术会议暨电能质量行业发展论坛.2013.。