微网联网模式下分布式电源PQ控制仿真系统

资 源 简 介

本仿真项目专注于研究和实现微电网在联网模式下的分布式电源并网控制策略，核心采用PQ（恒功率）控制算法。在微电网联网运行时，主网提供电压和频率参考，分布式电源需要根据上层调度指令输出稳定的有功和无功功率。项目基于MATLAB/Simulink环境构建，详细涵盖了分布式电源、三相逆变器、LC滤波器以及大电网模型。

详 情 说 明

微网联网模式下PQ控制仿真系统

项目介绍

本仿真项目致力于研究微电网在联网运行模式下的分布式电源并网控制技术。在联网模式中，大电网维持系统的电压和频率稳定，而分布式电源（如光伏、风电等通过逆变器接入的能源）则作为受控电流源，根据上层调度的功率指令输出稳定的有功功率（P）和无功功率（Q）。本系统通过数学建模和仿真，验证了基于双闭环控制结构的PQ解耦算法在并网逆变器中的有效性。

功能特性

1. 三相平衡电网模拟：系统能够模拟标准的三相正弦电压源，作为并网的电压参考。
2. PQ解耦控制：通过坐标变换技术，将三相静止坐标系下的交变量转换为同步旋转坐标系下的直流建模量，实现有功和无功的独立调节。
3. 双闭环控制结构：包含外层功率环用于跟踪功率指令，内层电流环用于快速响应电流变化并提供过流保护。
4. 锁相环同步技术：内置软件锁相环（PLL），能够实时追踪电网电压的相位和频率，确保逆变器输出与电网频率同步。
5. 动态性能测试：系统设置了功率指令阶跃变化实验（在0.3s时发生），用于评估控制器的动态跟踪能力和稳定性。
6. 谐波分析与可视化：自动计算注入电流的总谐波畸变率（THD），并生成包含电压、电流、功率响应、误差曲线等多维度的仿真结果图表。

使用方法

1. 启动 MATLAB 软件环境。
2. 将项目相关的程序文件放置于当前工作目录下。
3. 在命令行窗口直接调用主函数。
4. 仿真结束后，程序将自动弹出仿真结果曲线图，并在命令行输出电流 THD 指标。

系统要求

• MATLAB R2018b 或更高版本。
• 无需额外的 Simulink 工具箱，本系统完全基于脚本代码实现的数值积分仿真。

实现逻辑与功能细节说明分析

1. 坐标变换逻辑

系统采用了 Clarke 变换和 Park 变换。首先将三相静止坐标系（abc）的电压和电流转换为两相静止坐标系（$alphabeta$），随后利用锁相环得到的相位角，将其进一步转换为同步旋转坐标系（dq）。这种变换使得交流信号的处理简化为直流信号的处理，便于应用传统的 PI 调节器。

2. 锁相环（PLL）实现

程序实现了一个基于 $V_q=0$ 原理的锁相环。通过 PI 调节器不断修正估算的角频率，使得旋转坐标系下的 q 轴电压分量趋近于零。当 $V_q=0$ 时，d 轴完全对准电网电压矢量，从而准确提取电网相位角。

3. 功率外环控制

外环根据设定的有功功率 $P_{ref}$ 和无功功率 $Q_{ref}$ 与测得的瞬时功率进行对比。利用 PI 控制器消除静差，并结合电压前馈项计算出 d 轴和 q 轴的电流参考值。为保证系统安全，对电流参考值进行了限幅处理（限制在150A以内）。

4. 电流内环解耦控制

电流环是控制系统的核心。为了解决 d 轴和 q 轴电流由于电感耦合产生的相互干扰，控制逻辑中加入了交叉补偿项（$omega L i$）以及电网电压前馈补偿。这种解耦控制策略保证了 d 轴电流（主要影响有功）和 q 轴电流（主要影响无功）的独立快速响应。

5. 逆变器与物理对象建模

物理模型部分采用状态方程描述：

• 使用反 Park 和反 Clarke 变换将指令电压转回三相静止坐标系。
• 采用后向欧拉积分法（Backward Euler）对电感电流状态方程进行数值求解，模拟真实的滤波电感电流动态过程。
• 方程考虑了滤波电感的等效电阻（R_filter）对系统阻尼的影响。

6. 系统性能评价指标

仿真循环结束后，系统截取最后两个周期的 A 相电流数据进行快速傅里叶变换（FFT）。通过计算各次谐波能量与基波能量的比值，得出电流的总谐波畸变率（THD）。这反映了并网逆变器输出电能质量的高低。

关键算法总结

• 控制框架：外环 PQ 控制 + 内环电流解耦控制。
• 同步技术：基于 $V_q$ 归零的软件锁相环。
• 解耦策略：状态反馈解耦 + 电网电压全前馈。
• 数值仿真：定步长欧拉积分法。