柴电电池混合供能系统交直流负载扩展仿真

摘要

本模型建立柴电-电池混合供能系统，在直流母线上扩展 DC/AC 交流负载支路和 DC/DC 直流负载支路。仿真输出交流负载与直流负载的电压、电流、功率，同时保留 EMS 对 SOC、负载功率和柴油机启停状态的响应观察。

理论

直流母线电容满足：

$$i_C = C\frac{dV_{dc}}{dt}$$

DC/AC 支路采用 50 Hz 门极信号驱动逆变桥，交流负载等效为 RL 支路：

$$v_{ac}(t) \approx mV_{dc}\sin(2\pi f t),\quad f=50\text{ Hz}$$ $$i_{ac}(t)=\frac{v_{ac}(t)}{R_{ac}+j\omega L_{ac}},\quad R_{ac}=20\Omega,\quad L_{ac}=8\text{ mH}$$

DC/DC 支路采用 Buck 降压结构，PWM 频率为 2 kHz，占空比为 55%：

$$\overline{V_o}=DV_{dc},\quad D=0.55$$

直流负载为电阻负载：

$$i_{dc}=\frac{V_o}{R_{dc}},\quad p_{dc}=V_oi_{dc},\quad R_{dc}=18\Omega$$

负载支路导出功率按瞬时电压、电流计算：

$$p_{ac}=v_{ac}i_{ac},\quad p_{dc}=v_{dc}i_{dc}$$

EMS 负载估计采用直流侧电压与等效负载电流：

$$P_{load}=|V_{dc}|I_{load}$$

模型/部分代码

主模型顶层包含柴油交流源、整流桥、直流母线电容、电池、EMS 逻辑、DC/AC 交流负载支路、DC/DC 直流负载支路、Scope 与 To Workspace 导出模块。

运行入口为 code/run_sys123456_load_branches_r2024b.m。脚本设置仿真时间为 4 s，运行 code/models/model_sys123456_load_branches.slx，读取 load_branch_export，生成 CSV、结果图和模型截图。

cd code
run_sys123456_load_branches_r2024b

实验结果

交流负载与直流负载结果图显示新增 DC/AC 和 DC/DC 支路的电压、电流、功率输出。当前导出 20000 个采样点，交流负载电压最大绝对值约 12.8013 V，交流负载电流最大绝对值约 0.6399 A，交流负载功率最大绝对值约 8.1904 W；直流负载电压最大绝对值约 13.1123 V，直流负载电流最大绝对值约 4.3577 A，直流负载功率最大绝对值约 39.3427 W。

低 SOC 长充电工况图展示 SOC 偏低时 EMS 对柴油机投入、负载功率和模式编号的响应。

综合工况图展示 SOC、负载变化、柴油机状态和模式编号之间的对应关系。

项目结构

files
├─ 使用说明书.md
├─ detail.md
└─ code
   ├─ run_sys123456_load_branches_r2024b.m
   ├─ models
   │  └─ model_sys123456_load_branches.slx
   ├─ results
   │  ├─ csv
   │  │  └─ model_sys123456_load_branches_loads.csv
   │  ├─ figures
   │  │  ├─ model_sys123456_load_branches_loads.png
   │  │  ├─ sys123456_r2024b_soc20_long_charge_overview.png
   │  │  └─ sys123456_r2024b_soc27_integrated_overview.png
   │  └─ images
   │     └─ model_sys123456_load_branches_layout.png
   ├─ docs
   │  └─ 报告.docx
   └─ reports
      └─ 参数介绍.md

软件版本说明

• MATLAB R2024b
• Simulink R2024b
• Simscape Electrical R2024b
• Windows 环境下测试运行