光伏发电系统建模及并网控制仿真平台

资 源 简 介

该项目旨在开发一个集成光伏组件建模、最大功率点跟踪（MPPT）及并网技术的综合仿真平台。核心功能包含：首先利用数学方程建立高精度的光伏阵列模型，能够反映光照强度和环境温度对输出特性的非线性影响；其次，通过嵌入扰动观察法或电导增量法的MPPT算法控制DC-DC升压变换器，实现对光伏组件最大输出功率的实时锁定，从而极大提高系统的发电效率。在并网电路部分，系统采用电压源逆变器（VSC）结构，利用双闭环控制策略即直流侧电压外环与并网电流内环，确保直流母线电压的稳定以及输出电流的电能质量。此外，系统通过集成锁相环（

详 情 说 明

项目说明文档：基于MATLAB的光伏发电模型及并网控制系统仿真

项目介绍

本项目提供了一个集成度高、逻辑清晰的光伏发电及并网控制系统仿真平台。该系统通过MATLAB编程实现，涵盖了从太阳能资源捕获到电网输送的全过程。仿真核心模拟了光伏阵列在不同环境条件下的非线性输出特性，并通过DC/DC升压变换器与三相电压源逆变器（VSC），将光伏能量稳定地注入交流电网。系统应用了现代控制理论中的双闭环PI控制架构、锁相环同步技术以及高效率的MPPT算法，是研究分布式能源接入及电力电子控制技术的理想工具。

功能特性

1. 精确的光伏阵列建模：基于物理方程描述单电池特性，并扩展至多串并联阵列，支持实时修改光照强度和环境温度，准确反映P-V与I-V非线性关系。

1. 智能最大功率点跟踪（MPPT）：内置扰动观察法（P&O）算法，通过动态调整DC-DC变换器的占空比，确保系统始终运行在当前光照下的最高效率点。

1. 直流母线电压稳定控制：采用电压外环PI调节器，通过维持直流侧电压恒定（参考值700V），实现光伏输出功率与并网功率的自动平衡。

1. 高质量并网电流控制：利用dq坐标系下的解耦控制策略，实现并网电流的有功与无功独立调节，确保输出电流正弦度高且与电网电压同相。

1. 完整的电网同步与滤波：集成软件锁相环（PLL）实时提取电网相位，并配备LCL型滤波结构模拟，滤除高频开关谐波。

1. 详尽的数据分析功能：系统自动执行FFT频谱分析并计算电流总谐波失真（THD），同时输出包括功率波动、电压跟踪、dq分量在内的多维度可视化结果。

使用方法

1. 启动仿真：在MATLAB开发环境中打开代码脚本，直接运行主函数。

1. 观察静态分析：程序启动初期会弹出窗口展示光伏阵列在标准条件下（1000W/m²）与遮蔽条件下（700W/m²）的特性曲线，用于理论验证。

1. 动态模拟交互：仿真将自动执行0.6秒的历程，其中在0.3秒时环境光照会从1000W/m²阶跃下降至700W/m²。用户可观测系统在光照突变时的动态响应。

1. 查看报告：仿真结束后，命令行控制台将打印系统关键指标简报，包括不同光照下的最大功率数值、直流电压误差及并网电流THD值。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2020a 或更高版本。

1. 必需工具箱：MATLAB自带的基础矩阵运算及图形库（无需特殊的Simulink模块，纯代码实现）。

1. 硬件建议：建议4GB以上内存，主频2.0GHz以上的处理器以保证仿真计算速度。

实现逻辑与功能说明

1. 参数初始化与静态分析

程序首先定义光伏组件的物理参数（如开路电压、短路电流、等效电阻等）及变换器参数。在动态计算前，通过遍历电压范围调用光伏求解函数，绘制P-V和I-V曲线，为后续MPPT控制提供理论上的最大功率点参考。

1. 光伏模型求解算法

采用迭代思想求解单二极管模型方程。模型考虑了温度对开路电压的反向补偿系数以及光照对短路电流的正向比例影响。该算法能根据实时的端电压和环境参数，精确计算出光伏阵列提供的电流供给。

1. 扰动观察法（MPPT）实现

MPPT逻辑以固定频率（每20个采样周期触发一次）运行。通过比较当前时刻与上一采样时刻的功率及电压变化趋势，决定增加或减少Boost变换器的占空比。该逻辑包含限幅环节，防止占空比在极值点失效。

1. 回路动力学仿真

系统采用欧拉法（Euler Method）对电路微分方程进行离散化求解：

• 升压电路：根据占空比计算电感电流变化及光伏端电压演变。
• 直流母线：根据Boost输入电流与逆变器输出功率的平衡关系，实时更新母线电容电压。
• 交流侧：基于逆变器输出电压与电网电压的压差，计算通过滤波电感的电流动态变化。

1. 双闭环PI控制架构

• 电压外环：输入为母线电压设定值与实测值的误差，输出为dq坐标系下的有功电流参考值（id_ref）。
• 电流内环：采用dq解耦控制。根据PLL获取的相位将三相电流转换至旋转坐标系，利用PI调节器消除id、iq的稳态误差，并引入前馈解耦项（包含电感感抗补偿和电网电压前馈）来增强动态性能。

1. 锁相环（PLL）与坐标变换

利用Clarke变换和Park变换将三相电压转换为dq分量。PLL通过调节q轴电压至零的PI闭环，实时锁定电网频率和相位 theta，为逆变器调制提供基准。

1. 数据处理与可视化

在仿真结束后，程序提取最后两个周期的相位电流数据进行快速傅里叶变换（FFT）。通过统计50次谐波以内的分量，计算并网电流的THD。绘图系统将功率、电压趋势、电流波形及频谱分布统一展现在一个界面，方便分析系统性能。