基于光伏储能并网的混合能源系统Simulink建模

资 源 简 介

该项目旨在开发一个高度集成的光伏混合能源系统仿真平台，结合了光伏阵列、储能单元和电网连接模块。其核心功能包括实现基于扰动观察算法的MPPT控制以最大化太阳能捕获效率。系统利用双向DC-DC转换器对蓄电池进行充放电管理，以平滑光伏发电的波动性并满足负载需求。该系统采用高级控制算法进行电网同步，确保在并网模式和孤岛模式下都能保持频率和电压的稳定。通过在Simulink环境中搭建完整的物理组件模型，本项目能够模拟不同气象条件和负载突变对系统运行的影响。此外，系统还包含能量管理单元，用于根据实时发电量和用电需求自

详 情 说 明

基于光伏系统的混合能源动力系统性能分析平台

项目介绍

本项目是一个高度集成的可再生能源仿真环境，通过MATLAB脚本实现了光伏（PV）阵列、锂电池储能单元、直流总线及电网连接模块的协同工作逻辑。系统旨在模拟真实世界下气象条件波动（如光照强度变化、环境温度波动）以及动态负载对电力系统的冲击。其核心目标是通过高级控制算法实现最大功率点跟踪（MPPT）和高效的能量管理，确保在不同运行工况下直流母线电压的稳定以及负载需求的实时响应。

功能特性

• 动态光伏模拟：基于单二极管近似模型构建，能够实时反映光照强度和温度对光伏输出特性的非线性影响。
• 高效控制算法：集成了经典的扰动观察法（P&O）MPPT控制器，通过步进电压调整不断逼近光伏电池的最大功率点。
• 智能能量调度：内置能量管理系统（EMS），根据实时功率缺口动态分配蓄电池与电网的工作优先级，实现能量的削峰填谷。
• 系统动态演化：精确计算直流总线电压波动、蓄电池荷电状态（SOC）的变化过程，体现了物理层面的功率平衡方程。
• 电能质量评估：自动对并网电流进行快速傅里叶变换（FFT）分析，计算总谐波失真（THD），验证系统的逆变同步性能。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将仿真主程序文件置于当前工作路径。
3. 在命令行窗口直接运行该主脚本，程序将自动开始仿真计算。
4. 仿真结束后，系统会自动弹出包含六个子图的性能分析结果窗口。
5. 在控制台查看生成的“仿真运行报告”，包括最大功率捕获、最终SOC值、总线电压波动率及电流THD数据。

系统要求

• MATLAB R2020a 或更高版本。
• 无需特定的Simulink模块，纯代码实现，适用于任何安装了基础数学工具箱的环境。

系统实现逻辑与核心算法分析

#### 1. 系统参数初始化与环境建模 仿真首先定义了高采样频率（10kHz）以捕捉动态瞬变。环境模型模拟了非稳态过程：在特定的时间间隔内设置了光照强度骤增至1000W/m²、温度升至30℃以及负载功率翻倍的突变场景，为验证控制系统的鲁棒性提供了输入边界。

#### 2. 光伏阵列模型 光伏组件采用单二极管物理近似方程。通过计算电流温度系数和电压温度系数，动态更新短路电流和开路电压。模型利用指数函数模拟了PV输出电压与电流的非线性关系，这为MPPT算法提供了真实的物理约束。

#### 3. 扰动观察法 (P&O) MPPT 控制 为了平衡计算效率与追踪精度，MPPT逻辑配置为较低的更新频率（每10个采样周期执行一次）。通过比较当前时刻与上一时刻的功率(dP)和电压(dV)变化，决定电压调整方向。如果功率增加，则保持扰动方向；如果功率减小，则改变扰动方向。这种逻辑确保了光伏输出能始终维持在峰值功率点附近。

#### 4. 能量管理系统 (EMS) 能量调度遵循优先级策略：

• 功率盈余（PV > 负载）：系统优先考虑为蓄电池充电。当SOC低于95%时，盈余功率流入电池（受限于最大4000W功率约束）；若电池已满，则将多余电量馈入电网。
• 功率短缺（PV < 负载）：若SOC高于20%，由蓄电池优先放电补偿缺口；当电池电量不足或达到功率限值时，由电网提供最终支撑。

#### 5. 蓄电池动态与直流总线控制 蓄电池模型基于安时积分法实时更新SOC。系统的物理稳定性体现在直流总线电压的动态方程上，该方程利用能量守恒原理（C*V*dV/dt = P_in - P_out）计算电压。为了模拟并网控制器的作用，代码中加入了一个虚拟PI控制环节，强制引导总线电压收敛至400V参考值，有效抑制了负载突变导致的电压跌落或过冲。

#### 6. 电网同步与信号分析 系统合成了一个带有谐波成分的并网A相电流。该信号不仅包含50Hz基波，还人为叠加了3次和5次高次谐波以模拟逆变电路的非理想特性。在仿真结束前，程序截取了稳定运行段的数据进行频谱分析，利用FFT算法提取各分量幅值，并精确计算总谐波失真（THD），以此作为评估并网性能的关键指标。

性能监控指标

系统在运行结束时会实时计算并输出以下核心性能指标：

• 光伏系统实际捕获的最大功率。
• 循环结束后的蓄电池最终电位。
• 直流总线电压的标准差占参考电压的百分比（电压波动率）。
• 基于IEEE标准的并网电流谐波失真度。