基于Simulink的西门子标准400V低压馈线及PV光伏并网仿真模型

资 源 简 介

该项目基于MATLAB/Simulink平台构建了一个符合西门子工业标准的400V低压配电馈线系统模型，全面模拟了城市或工业园区的典型低压配电网环境。模型核心功能包括对标准400V母线、支路电缆阻抗参数、变压器特性以及各种线性与非线性负载的精确建模。 系统中集成了一个高性能的PV光伏并网发电子系统，该子系统涵盖了光伏阵列单元(PV Array)、具备最大功率点追踪(MPPT)算法的DC-DC升压变换器以及具有电网同步控制功能的DC-AC三相逆变器。该项目能够模拟在不同日照强度变化、环境温度波动下的光伏出力

详 情 说 明

基于Simulink/MATLAB的西门子标准400V低压馈线及光伏并网仿真分析模型

项目介绍

本项目构建了一个符合西门子工业标准的400V低压配电馈线系统仿真模型。该模型旨在模拟城市或工业园区典型的低压配电网环境，深入研究分布式光伏发电接入后的系统行为。模型集成了光伏阵列物理特性、最大功率点追踪算法、双闭环逆变控制以及标准的电缆阻抗模型，能够真实反映环境因素变化对电网频率、电压分布及电能质量的影响。

功能特性

• 高保真PV阵列建模：基于单二极管物理模型，动态模拟环境温度和日照强度对光伏输出特性的影响。
• 西门子标准阻抗计算：依据西门子常用NAYY 4x150 mm²电缆参数进行建模，精确模拟500米长度馈线上的电压损耗与阻抗分布。
• 动态MPPT算法：采用扰动观察法（P&O）实现最大功率点追踪，能够实时响应光照强度的变化。
• 双闭环控制结构：包含直流侧电压外环控制器与并网电流内环控制，实现单位功率因数并网并维持直流母线稳定。
• 电能质量诊断：内置FFT分析模块，实时计算并网点电流的总谐波畸变率（THD）及频谱分布。
• 潮流与压降分析：实时监测配电网末端节点电压有效值（RMS）的波动情况及有功/无功潮流流向。

使用方法

1. 启动MATLAB环境，确保版本符合要求。
2. 在主程序中配置系统参数，如电制频率（50Hz）、额定线电压（400V）以及光伏组件的串并联数量。
3. 定义仿真环境工况，包括预设的日照强度变化序列（如模拟云遮挡导致的辐射度跌落）和温度波动曲线。
4. 直接运行仿真脚本，系统将执行步进计算，模拟光伏注入电流与电网交互的过程。
5. 仿真结束后，系统将自动弹出可视化分析窗口，并于命令行窗口输出包含光伏装机容量、最大压降、THD率以及直流侧稳定性的分析报告。

系统要求

• MATLAB R2018b 或更高版本。
• 需要 Signal Processing Toolbox（用于执行FFT谐波分析）。
• 具备基本电力系统分析与控制理论背景知识。

实现逻辑与算法分析

1. 环境与工况模拟

模型通过时间函数定义了非线性的环境输入。日照强度设定为1000 W/m²，并在仿真中期模拟大幅度的阶跃下降（600 W/m²）以测试系统的瞬态响应；温度则采用正弦波动模型，模拟自然环境的动态变化。

2. 光伏电池物理特性计算

算法基于半导体方程计算受环境影响的短路电流（Isc）与开路电压（Voc）。通过建立电流-电压（I-V）特性映射，模型可以实时计算出在给定直流电压下的光伏阵列输出功率，实现对物理实体的精确仿真。

3. 扰动观察法 (P&O) MPPT 逻辑

追踪器以100Hz的频率周期性地对直流参考电压施加微小扰动。通过对比扰动前后功率的变化量（dP/dV），判断当前工作点位置并自动调节搜索方向，确保光伏阵列在不同环境条件下始终输出最大可用功率。

4. 逆变器双闭环控制系统

• 电压外环控制：通过采集直流母线电压并与800V给定值比较，利用PI控制算法修正有功电流的参考指令值，维持直流侧能量平衡。
• 电流内环与并网同步：基于DQ坐标系控制原理，将三相电流解耦。模型通过相位锁定逻辑（PLL思想）将注入电流与电网电压相位同步，确保纯有功功率外送，提高并网效率。

5. 馈线潮流与压降模型

模型计及了西门子标准电缆的阻抗特性（R=0.206 Ω/km, L=0.27 mH/km）。通过欧姆定律和瞬态电路方程，实时计算大电流注入时产生的馈线压降，分析光伏接入对母线电压抬升或波动的影响。

6. 谐波分析与FFT计算

在仿真结束前，程序会自动截取并网点稳态运行波形，利用快速傅里叶变换（FFT）提取基波及高次谐波分量。通过计算高频分量平方和与基波幅值的比例，得出THD百分比，用于评估接入设备是否符合并网规范。

7. 数据可视化与结果产出

主程序提供了多维度的图表展示，包括：

• 日光-温度工况图：展示输入的环境变化过程。
• 直流特性图：展示MPPT追踪效果与直流母线电压稳定性。
• 瞬态电流图：展示并网点高质量的正弦三相电流。
• 潮流分布图：监控馈线传输的有功与无功功率。
• 频谱分析图：直观展示电流信号的频域组成及THD指标。
• 电压波动图：评估400V电网末端节点电压的电能质量。

--- 该仿真模型为研究低压配电网与分布式能源的交互提供了高精度的数学基础，适用于电力电子设备研发、新能源接入选址以及配电网规划分析。