新能源接入下电力电子接口电路的建模与仿真分析

摘要：在全球能源结构朝着清洁化转变的大背景下，新能源大规模接入电网，这对电力电子接口电路的稳定性、效率以及兼容性都提出了更高的要求。本文借助MATLAB/Simulink平台，通过对典型电路拓扑进行建模、优化控制策略，以及在多种场景下进行仿真验证，深入分析参数设计对电路性能的影响。研究发现，仿真建模能够有效降低实验成本，还能为新能源接入系统的优化设计提供量化依据。

关键词：新能源接入；电力电子接口电路；建模；仿真分析

引言：随着“双碳”目标一步步推进，光伏、风电这些新能源在发电里占的比例越来越高。不过，新能源有时候发电不稳定，会出现波动，这就让电网不太稳定。电力电子接口电路是连接新能源和电网的关键部分，它性能好，直接影响电并入电网的质量。过去，靠做物理实验来设计电路，不仅成本高，而且周期长。而仿真建模可以用数学模型模仿电路工作，提前知道参数变了对系统有啥影响，所以就成了优化设计的重要办法。选什么样的电路拓扑、怎么优化控制策略，还有在不同场景做仿真验证，这些是让接口电路在稳定性、效率和兼容性方面达标的关键，也是这篇文章主要研究的内容。

一、电路拓扑选择与参数设计

在电力电子与电力拖动课程的实践中，给光伏系统电路建模是重要研究内容。根据新能源的特点选合适的电路拓扑，这是建模的基础，比如，光伏系统，前面一级一般用Boost电路来找最大功率点跟踪（MPPT），后面一级通过全桥逆变器把直流电变成交流电。参数设计得依据基尔霍夫定律和器件特点，比如说Boost电感数值会影响电流的波动，电容数值能影响输出电压稳不稳定。

例如：小李同学建模型的时候，参考了课程里的例子和学术论文。他发现不同论文里算电感、电容参数的方法不一样。为了找到最好的方案，他用了两种算法，分别把Boost电感L设成1mH和1.2mH，再做对比仿真。当光照强度从1000W/m²突然降到800W/m²，L是1mH的模型，Boost输出电压波动能到±10V；L是1.2mH的模型，电压波动就减小到±5V，逆变器输出电流的总谐波失真（THD）也从4.5%降到4.2%。后来调整的时候，小李还发现电容C1数值对系统反应速度影响特别大：加大电容数值，输出电压波动会变小，系统反应时间会变长。经过反复仿真和调参数，他最后确定了一组参数，既能稳住电压，又能让系统快速反应。通过这个过程，小李明白了参数设计得和实际需求紧密结合，要不断试试、分析分析，才能找到最好的结果。

二、控制策略仿真与优化

要提高接口电路的动态性能，闭环控制很关键，风电变流器的矢量控制就是个典型例子。把三相电流分开成励磁分量（id）和转矩分量（iq），就能分别调节有功功率和无功功率，PI参数优化得好不好，直接影响系统反应速度和稳不稳定。

例如：小王同学在搭建PWM变流器矢量控制模型，按平常经验，先把PI参数设成Kp=0.5、Ki=10。仿真时，突然加上50%额定负载，电机转速从1500r/min一下子掉到1480r/min，恢复时间要0.3秒，达不到实际使用要求。于是，小组同学重新复习控制理论知识，结合《自动控制原理》课程里调PI参数的方法，决定用Ziegler-Nichols法优化参数。确定临界比例度和振荡周期的时候，他们多次改变比例系数，仔细看系统的反应曲线。折腾了差不多两小时反复测试，得到临界比例度Kp_c=2.0、振荡周期T_u=0.15s，再算出新的PI参数Kp=1.2、Ki=5。重新仿真，转速只降了5r/min，恢复时间缩短到0.1秒。优化过程中，小组发现PI参数调整对系统稳定性和稳态误差影响大：Kp太大，系统容易振荡；Ki太大，又会超调。通过不停调整和分析，他们更明白PI参数和系统性能之间复杂的关系了。

三、多场景仿真验证与对比分析

在实际运行过程中，电网故障、新能源出力突然变化等极端情况经常出现，所以多场景仿真验证是检验电力可靠性的关键步骤。就以光伏并网逆变器为例，电网电压跌落故障会让并网电流发生畸变，这就需要借助虚拟惯性控制等策略来提高系统的应对能力。

例如：小张同学在做仿真时，把电网电压设定为降到额定值的80% 。没用到虚拟惯性控制时，并网电流的THD从3.2%猛地涨到12%，逆变器很快就触发了过流保护。面对这样的结果，小张仔细研究了虚拟惯性控制的原理，通过查阅资料后发现，惯性时间常数H的准确设置是控制的关键。他先把H设成1s，仿真结果表明电流变形情况有好转，但THD还是很高有8.5%；于是把H调整到2s后，THD降到6.1%，电流波形也能保持像正弦一样，逆变器在出现故障期间也能稳定运行。为了确定这个办法是不是真有用，小张又模拟了电网电压不同程度下降的情况。通过从多个方面做仿真试验，他不仅证明了虚拟惯性控制这个策略，确实能让逆变器在电压低的时候更好地正常运行，还找到了一套根据实际电网的情况，来设置惯性时间常数的办法。这就很明显能看出，多场景仿真对于发现电路里可能存在的问题，还有优化控制策略，是非常有价值的。

四、结束语

本文结合电力电子与电力拖动课程的理论，探讨了新能源接入时，电力电子接口电路建模和仿真的主要办法。通过选择合适的电路拓扑、优化控制策略，再在各种场景下验证，仿真技术能清晰地展现参数和性能之间的内在联系，给实际电路设计提供数据支撑。未来，随着AI算法和硬件在环仿真（HIL）技术的发展，仿真模型会更贴近实际工程状况，能进一步推动新能源并网技术朝着高效、智能的方向发展

参考文献

[1]王鹤，陈儒盎，王鹏，等.机电管理接口电路电力电子器件建模仿真[J].电力电子技术，2024，58（01）：44-48.

[2]梁欢.基于数据模型补偿的并网接口电路电能质量优化方法研究[D].西安理工大学，2023.

[3]王中晶.浅析电力电子技术在新能源发电中的应用[J].电子制作，2021，（20）：87-88+96.