光伏储能直流系统MATLAB仿真（PV光伏阵列+Boost DCDC变换器+负载+双向DCDC变换器+锂离子电池系统）附Matlab代码

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🔥 内容介绍

一、系统整体架构

系统由 5 个核心部分组成，整体结构如下：光伏阵列 (PV Array) → Boost DC-DC 变换器 → 直流母线 → 负载直流母线 ↔ 双向 DC-DC 变换器 ↔ 锂离子电池组

• 光伏阵列：将光能转换为直流电，输出特性受光照和温度影响。

• Boost 变换器：将光伏输出电压升压至直流母线电压，实现最大功率点跟踪 (MPPT)。

• 直流母线：维持稳定电压，连接光伏、负载和电池系统。

• 负载：直流负载（如电阻、逆变器前级等），消耗电能。

• 双向 DC-DC 变换器：实现电池充放电控制（光伏过剩时充电，光伏不足时放电）。

• 锂离子电池：储能单元，用等效电路模型模拟充放电特性。

二、核心模块搭建步骤

1. 光伏阵列 (PV Array) 模块

• 使用模块

  ：Simulink 自带的 “PV Array” 模块（位于 Simscape/Electrical/Renewable Energy/PV Systems）。

• 参数设置

  ：

  • 串联电池数、并联支路数（根据目标电压电流设置，例如 36 串 2 并）。

  • 光照强度（单位：W/m²，可设置为随时间变化，如白天 1000、阴天 500）。

  • 环境温度（单位：℃，如 25℃基准，可添加波动）。

  • 单电池参数：短路电流、开路电压、峰值电流 / 电压等（参考实际光伏板数据）。

2. Boost DC-DC 变换器模块

• 拓扑结构

  ：由电感、二极管、MOSFET 开关和电容组成。

• 控制策略

  ：采用 MPPT 算法（如扰动观察法 P&O），通过调节开关占空比使光伏工作在最大功率点。

• 搭建步骤

  ：

  • 采集光伏输出电压 (Vpv) 和电流 (Ipv)，计算功率 Ppv=Vpv×Ipv。

  • 扰动观察法逻辑：比较当前功率与上一时刻功率，调整占空比（增大 / 减小）使功率最大化。

  1. 在 Simscape 中搭建 Boost 电路：电感 (L)、二极管 (D)、MOSFET (Q)、输出电容 (C)。

  2. 设计 MPPT 控制器：

  3. PWM 发生器：将控制器输出的占空比转换为驱动 MOSFET 的脉冲信号。

3. 直流负载模块

• 可采用可变电阻负载（模拟不同工况下的功率需求）或恒功率负载（更贴近实际）。

• 模块：Simscape 中的 “Resistor” 或 “Controlled Current Source”（配合电压计算功率）。

4. 双向 DC-DC 变换器模块

• 拓扑结构

  ：采用非隔离式双向 Buck-Boost 电路（电感、两个 MOSFET、电容），通过控制开关方向实现充放电切换。

• 控制策略

  ：

  • 充电模式：当光伏功率 > 负载功率时，母线电压升高，控制器控制双向变换器工作在 Buck 模式（将母线电压降压给电池充电）。

  • 放电模式：当光伏功率 < 负载功率时，母线电压降低，控制器控制双向变换器工作在 Boost 模式（将电池电压升压补充到母线）。

• 搭建步骤

  ：

  1. 搭建双向 Buck-Boost 电路：电感 (L)、两个 MOSFET（Q1、Q2，反并联二极管）、输入输出电容。

  2. 电压闭环控制：采集直流母线电压 (Vbus) 和电池电压 (Vbat)，通过 PI 调节器输出占空比，控制 MOSFET 开关状态。

  3. 充放电逻辑：根据母线电压与基准电压的偏差（如 Vbus_ref=400V）判断工作模式。

5. 锂离子电池系统模块

• 模型选择

  ：采用 Thevenin 等效电路模型（包含开路电压、串联电阻、RC 并联网络，模拟极化效应）。

• 模块

  ：可使用 Simscape 自带的 “Lithium-Ion Battery” 模块（位于 Simscape/Electrical/Electrochemical Cells），或自定义等效电路。

• 参数设置

  ：

  • 额定电压（如 3.7V 单体，串联后如 48V）、容量（Ah）、内阻、极化电阻和电容等。

  • 初始 SOC（荷电状态，如 50%）。

三、系统连接与控制逻辑

1. 电气连接：

   • 光伏阵列输出接 Boost 变换器输入，Boost 输出接直流母线。

   • 直流母线并联负载和双向 DC-DC 变换器输入，双向变换器输出接电池组。

2. 能量流控制：

   • 当光伏功率 ≥ 负载功率：光伏供电给负载，多余功率通过双向变换器给电池充电。

   • 当光伏功率 < 负载功率：光伏和电池同时供电（电池通过双向变换器放电补充）。

   • 无光照时：电池单独供电给负载。

四、仿真结果分析指标

1. 光伏阵列输出：电压、电流、功率（验证 MPPT 跟踪效果）。

2. 直流母线电压：是否稳定在目标值（如 400V±2%）。

3. 电池状态：充放电电流、SOC 变化曲线（验证储能逻辑）。

4. 变换器效率：输入输出功率比（评估能量转换损耗）。

五、注意事项

1. 仿真步长：电力电子系统需设置较小步长（如 1e-6 秒），确保开关动作准确。

2. 控制器参数：PI 调节器、MPPT 扰动步长需调试，避免系统震荡。

3. 电池保护：添加过充、过放保护逻辑（如 SOC 上限 95%、下限 10%）。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 奠先容.应用于电池储能系统中的双向DC/DC变换器研究[D].哈尔滨工业大学,2020.

[2] 马闯,王宏鑫,刘明远,等.基于锂离子电池的双向DC/DC变换器仿真[J].农村电气化, 2019(7):3.DOI:10.13882/j.cnki.ncdqh.2019.07.021.

[3] 马闯,王宏鑫,刘明远,等.基于锂离子电池的双向DC/DC变换器仿真[J].农村电气化, 2019(7):69-71.

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