基于Simulink的西门子标准400V馈线与光伏并网仿真平台

资 源 简 介

本系统旨在实现一个高度契合西门子技术规范的400V低压配电网仿真环境，重点针对工业和民用低压馈线进行精细化建模。 模型核心由符合西门子标准的配电变压器、按照标准跨度及线径设置的电缆线路、多元混合负荷以及一个完整的光伏发电系统组成。 馈线电路详细模拟了实际布线中的线路阻抗、容性电流及电压降特性，确保仿真结果符合400V配电系统的物理属性。 光伏并网模块集成了光伏阵列、DC/DC升压变换器以及工作在PQ或V/f模式下的三相全桥逆变器。 通过在该模型中部署扰动观察法或增量电导法，系统实现了高效的最大功率点跟踪（

详 情 说 明

西门子标准400V低压馈线及PV光伏并网综合仿真平台

项目介绍

本仿真平台旨在构建一个严格符合西门子技术规范的400V低压配电网环境，专门用于研究分布式光伏接入对工业及民用配电系统的影响。模型包含了西门子标准的配电变压器建模、特定规格的低压铝芯电缆馈线、具备最大功率点跟踪（MPPT）功能的光伏阵列、以及采用双闭环矢量控制技术的三相全桥逆变器。该系统能够真实模拟辐照度剧变、线路阻抗压降及非线性负荷产生的谐波干扰，是评估配网电压分布、馈线潮流及系统稳定性的有效工具。

功能特性

• 西门子标准化建模：基于西门子400kVA 10kV/0.4kV变压器参数及NAYY 4x150mm²铝芯电缆规格进行物理建模。
• 高动态光伏系统：集成了具备扰动观察法（P&O）MPPT功能的光伏阵列，支持辐照度动态阶跃响应模拟。
• 精密逆变控制：采用基于dq旋转坐标系的电压-电流双闭环矢量控制策略，实现有功与无功的解耦调节及单位功率因数并网。
• 馈线物理特性模拟：详细考虑了电缆的电阻、感感及容性电流，并加入了非线性负载产生的5次和7次特征谐波干扰。
• 综合性能分析：自动计算节点电压偏差、总谐波畸变率（THD），并生成潮流分布、直流母线电压稳定性等六维度可视化图表。

使用方法

1. 启动MATLAB软件（建议R2020a及以上版本）。
2. 将仿真脚本放置在工作目录下。
3. 运行主仿真程序，系统将自动执行初始化、核心算法循环及数据后处理。
4. 仿真结束后，程序将弹出可视化结果窗口，并在命令行窗口输出包含变压器设定、电缆规格、电压差及THD值的综合评价报告。
5. 开发者可根据需要修改程序中的馈线长度、光伏额定功率或控制器增益参数，以模拟不同的运行工况。

系统要求

• 软件环境：MATLAB 2020a 或更高版本。
• 工具箱要求：基本MATLAB环境即可（核心算法基于数学方程迭代，不依赖特殊工具箱）。
• 硬件建议：4GB以上内存，能够流畅处理10kHz采样频率下的微分方程数值求解。

仿真实现逻辑说明

仿真程序按照电力电子与电力系统动态仿真的标准流程构建，具体实现步骤如下：

1. 系统参数初始化 程序首先定义了采样频率（10kHz）及步长。电网侧严格设定为西门子标准的400V（线电压有效值）系统。变压器参数（R, L）基于400kVA容量的标幺值转化为有名值。电缆部分采用NAYY 4x150mm²规格，设定了每公里的阻抗、感抗及电容参数。

2. 辐照度与环境模拟 为了测试系统的动态性能，程序生成了一个时变的辐照度序列，模拟光伏阵列在仿真运行到三分之一周期时辐照度从1000W/m²骤降至400W/m²的云层遮挡场景。

3. 核心仿真循环（时间步进求解） 这是程序的最核心部分，在每一个时间步长内执行以下逻辑：

• 光伏动力学：基于半物理模型计算PV输出功率，考虑温度及辐照度对最大功率点（MPP）的影响。
• MPPT算法：通过扰动观察法调节光伏输出电压，通过比较前后采样时刻的功率与电压变化量，确定爬坡方向。
• 解耦矢量控制：

- 使用PLL简化算法进行相位跟踪。 - 电压外环根据DC母线电压参考值（700V）与实际值的偏差，生成d轴电流参考值。 - 电流内环在dq坐标系下进行比例积分（PI）调节，并引入前馈补偿项和交叉耦合项以消除L滤波器带来的影响。

• 物理系统演化：利用数值微分（Euler法）求解DC母线电容电压平衡方程及LCL滤波器的电流微分方程。

4. 馈线与谐波特性模拟 在逆变器注电流的同时，程序实时计算电流通过西门子标准电缆产生的压降。为了模拟真实工业环境，在三相电压中人为注入了特定比例的5次和7次谐波，从而测试系统在非理想电网环境下的电能质量指标。

5. 指标计算与评估 仿真结束后，程序对最后一周期的电压数据进行快速傅里叶变换（FFT），计算THD值。同时计算实际节点电压有效值与额定值的偏差百分比，判定系统是否满足西门子配网规范。

关键算法与实现细节分析

• 扰动观察法 (P&O)：在代码中通过每10个采样点执行一次逻辑判断，通过 sign 函数决定电压调整步长。这种离散更新模拟了真实控制器中MPPT的低频执行特性。
• dq双闭环控制：实现中采用了经典的内环电流控制逻辑，u_d 和 u_q 的计算包含了 omega * L_filter 补偿项。这是确保逆变器在辐照度波动时仍能保持恒定直流电压的关键。
• 电压偏差与THD计算：利用均方根（RMS）算法处理离散采样点，THD计算则直接从频谱幅值获取，保证了电能质量评价的客观性。
• 沿线电压分布模型：代码通过线性阻抗梯度的形式模拟了馈线不同位置的电压降，这种一维空间模拟有助于用户直观理解光伏渗透率对末端电压抬升的影响。