光伏储能虚拟同步发电机Simulink仿真模型探究

光伏储能虚拟同步发电机simulink仿真模型 主电路：三相全桥逆变 直流侧电压800V 光伏模块：光伏板结合Boost电路应用MPPT 储能模块：采用双闭环控制，外环直流母线电容稳压，内环为电池电流环控制 Matlab/simulink 2021b及以上版本 仿真结果： 1.VSG仿真输出的功率可以无静差跟踪给定参考值 2.直流母线电容电压可以实现稳压功能，稳定时可以跟踪给定参考电压值 3.光伏模块MPPT算法输出最大功率波动很小，波形完美 4.在1s的时候给定直流母线电压参考值由800降为700V，可看到能够很好跟踪给定参考电压值 VSG输出电压电流THD都低于1%

在当今追求可持续能源发展的时代，光伏储能虚拟同步发电机（VSG）技术备受关注。今天就和大家分享一下基于Matlab/Simulink 2021b及以上版本搭建的光伏储能VSG仿真模型。

主电路：三相全桥逆变

主电路采用三相全桥逆变结构，直流侧电压设定为800V。在Simulink中搭建三相全桥逆变模块相对直观，通过配置相应参数就能实现将直流电能转换为三相交流电能。在实际代码实现中（这里以S函数为例简单示意）：

function sys = fcn(t, x, u, flag) switch flag, case 0, [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes; case 1, sys=mdlDerivatives(t,x,u); case 2, sys=mdlUpdate(t,x,u); case 3, sys=mdlOutputs(t,x,u); case 4, sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u); case 9, sys=mdlTerminate(t,x,u); otherwise DAStudio.error('Simulink:blocks:unhandledFlag', num2str(flag)); end function [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes sizes = simsizes; sizes.NumContStates = 0; sizes.NumDiscStates = 0; sizes.NumOutputs = 3; % 三相交流输出 sizes.NumInputs = 1; % 直流输入 sizes.DirFeedthrough = 1; sizes.NumSampleTimes = 1; sys = simsizes(sizes); x0 = []; str = []; ts = [0 0]; function sys=mdlDerivatives(t,x,u) sys = []; function sys=mdlUpdate(t,x,u) sys = []; function sys=mdlOutputs(t,x,u) % 这里简单示意逆变计算，实际需要更复杂的逆变算法 Vdc = u(1); % 直流侧输入 % 简单的三相交流输出计算（实际不准确） sys(1) = Vdc*sin(t); sys(2) = Vdc*sin(t + 2*pi/3); sys(3) = Vdc*sin(t - 2*pi/3); function sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u) sampleTime = 0.001; sys = t + sampleTime; function sys=mdlTerminate(t,x,u) sys = [];

这段代码通过S函数模拟了一个简单的逆变过程，实际的三相全桥逆变需要更精确的调制算法，如SPWM（正弦脉宽调制）等来准确控制输出的交流电压的幅值和频率。

光伏模块：光伏板结合Boost电路应用MPPT

光伏模块采用光伏板结合Boost电路，并应用最大功率点跟踪（MPPT）算法。MPPT算法的目的是让光伏板始终工作在最大功率点附近，以提高光伏发电效率。常见的MPPT算法有扰动观察法、电导增量法等。下面以扰动观察法为例展示简单代码实现思路：

% 假设初始电压、功率 V_prev = 0; P_prev = 0; % 电压扰动步长 dV = 0.1; V = 0; % 当前电压 while(1) % 获取当前光伏板功率 P = get_PV_power(V); if(P > P_prev) if((P - P_prev) > 0.01) % 功率变化大于一定阈值 V = V + dV; % 增大电压 else dV = -dV; % 改变扰动方向 V = V + dV; end else dV = -dV; % 改变扰动方向 V = V + dV; end V_prev = V; P_prev = P; end function P = get_PV_power(V) % 这里简单假设光伏板功率和电压关系，实际需根据光伏板特性曲线计算 P = -0.1*V^2 + 5*V; end

这段代码不断扰动光伏板输出电压，通过比较功率变化来调整电压，使光伏板输出功率尽可能接近最大功率。在Simulink中，我们可以利用相关模块搭建光伏板模型，再结合Boost电路模块，实现MPPT功能。通过不断调整Boost电路的占空比，从而改变光伏板的工作电压，达到追踪最大功率点的目的。

储能模块：采用双闭环控制

储能模块采用双闭环控制策略，外环为直流母线电容稳压，内环为电池电流环控制。外环通过调节直流母线电容电压，使其稳定在给定值附近，内环则精确控制电池充放电电流。以PID控制为例，外环PID代码示意如下：

% 外环PID参数 Kp1 = 1; Ki1 = 0.1; Kd1 = 0.01; error_sum1 = 0; error_prev1 = 0; % 假设给定电压和当前电压 V_ref = 800; V_bus = 0; while(1) error1 = V_ref - V_bus; error_sum1 = error_sum1 + error1; P_term1 = Kp1*error1; I_term1 = Ki1*error_sum1; D_term1 = Kd1*(error1 - error_prev1); control_signal1 = P_term1 + I_term1 + D_term1; % 根据control_signal1去调节内环输入等操作 error_prev1 = error1; end

这段代码根据直流母线电压的误差，通过PID算法计算出控制信号，用于调节内环或其他相关环节。内环电池电流环控制同理，只是控制的对象变为电池电流。双闭环控制使得储能模块能够更好地应对系统功率波动，维持直流母线电压稳定。

仿真结果分析

1. VSG仿真输出的功率可以无静差跟踪给定参考值：这表明VSG控制策略能够精确地调节输出功率，使其与给定的功率参考值高度匹配。在实际应用中，这保证了光伏发电系统能够按照预期向电网或负载提供稳定的功率。
2. 直流母线电容电压可以实现稳压功能，稳定时可以跟踪给定参考电压值：得益于储能模块的双闭环控制策略，直流母线电容电压能够稳定在给定的800V（或根据设定调整），有效减少了电压波动，提高了系统稳定性。像1s时给定直流母线电压参考值由800降为700V，系统能够很好跟踪给定参考电压值，这展示了系统良好的动态响应能力。
3. 光伏模块MPPT算法输出最大功率波动很小，波形完美：说明所采用的MPPT算法（如扰动观察法）能够准确快速地追踪光伏板的最大功率点，使光伏板始终高效发电，减少了功率损失。
4. VSG输出电压电流THD都低于1%：极低的总谐波失真（THD）意味着VSG输出的电能质量高，对电网或负载的谐波污染小，满足了电力系统对电能质量的严格要求。

通过对这个光伏储能虚拟同步发电机Simulink仿真模型的搭建与分析，我们对VSG技术在光伏储能系统中的应用有了更深入的理解，希望能给大家在相关领域的研究和实践中带来一些启发。