Matlab/Simulink仿真在光伏發(fā)電技術(shù)課程中的應(yīng)用*

肖進(jìn) 陳磊 袁洪春 熊超 馬金祥 趙宇 杜文漢 柴濟(jì)民 朱錫芳

（常州工學(xué)院 電氣與光電工程學(xué)院，江蘇常州213002）

Matlab/Simulink仿真在光伏發(fā)電技術(shù)課程中的應(yīng)用*

肖進(jìn) 陳磊 袁洪春 熊超 馬金祥 趙宇 杜文漢 柴濟(jì)民 朱錫芳

（常州工學(xué)院 電氣與光電工程學(xué)院，江蘇常州213002）

計(jì)算機(jī)仿真在課程教學(xué)中發(fā)揮著重要的作用，文章探討了計(jì)算機(jī)仿真方法在光伏發(fā)電技術(shù)課程中的應(yīng)用，分析了仿真方法在光伏發(fā)電技術(shù)課程中可以適用的范圍，此外，對(duì)以Matlab/Simulink仿真軟件對(duì)課程中重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行仿真時(shí)的可行性和需要注意的問題進(jìn)行了闡述。

光伏發(fā)電技術(shù)；計(jì)算機(jī)仿真；Matlab/Simulink

光伏發(fā)電技術(shù)是新能源科學(xué)與工程專業(yè)（光伏技術(shù)方向）一門重要的專業(yè)核心課程。該課程的內(nèi)容以一個(gè)完整的、面向?qū)嶋H應(yīng)用的光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成為組織依據(jù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)利用光伏電池發(fā)電并將所發(fā)電能加以應(yīng)用的系統(tǒng)，在一個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，可發(fā)電的光伏電池是電能的源頭，負(fù)載或電網(wǎng)是電能的終點(diǎn)，電能控制與變換器件（直流變換器件、逆變器件）、儲(chǔ)能裝置是必要的中間環(huán)節(jié)。所以光伏發(fā)電技術(shù)課程的內(nèi)容就是與上述的器件與裝置的工作原理、技術(shù)規(guī)范等方面相對(duì)應(yīng)，包含著較多的電能變換原理、電路系統(tǒng)控制等方面的內(nèi)容。

一、仿真方法在光伏發(fā)電技術(shù)課程教學(xué)中的意義

所謂仿真就是利用專門的計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建一個(gè)模型來代表一個(gè)物理系統(tǒng)，并對(duì)這個(gè)物理系統(tǒng)的運(yùn)行或工作過程進(jìn)行模擬，進(jìn)而獲得物理系統(tǒng)的諸多屬性參數(shù)及其變化過程的一種方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真方法在大學(xué)課程教學(xué)中也變得不可或缺，成為了一個(gè)重要的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容組成部分。

光伏發(fā)電技術(shù)課程包含的內(nèi)容較為廣泛，其中存在著很多可以進(jìn)行仿真演示及研究的內(nèi)容，如光伏電池的輸出特性受環(huán)境和負(fù)載的影響情況、電能變換過程及其控制等內(nèi)容。在教學(xué)過程中，利用仿真的方法可以很直觀、直接地將有關(guān)的物理過程和結(jié)果展示出來。仿真實(shí)施的條件較為簡(jiǎn)單，只需要有電腦和相關(guān)的軟件即可，可以突破時(shí)間上、空間上、實(shí)驗(yàn)設(shè)施等條件的限制，能讓教師很方便地進(jìn)行展示和演示，更能讓學(xué)生自由地進(jìn)行練習(xí)和探究。

二、仿真方法在光伏發(fā)電技術(shù)課程中適用的范圍

光伏發(fā)電技術(shù)課程中適用于仿真方法進(jìn)行教學(xué)和學(xué)習(xí)的內(nèi)容主要可以分為這些部分：光伏電池模型的建構(gòu)及其輸出特性的仿真、電能變換電路的仿真、光伏電池輸出最大功率點(diǎn)跟蹤的仿真、蓄電池充放電控制電路的仿真、光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的仿真等部分。適用于光伏發(fā)電技術(shù)課程內(nèi)容仿真的軟件也很多，如Matlab/Simulink、Psim、Pspice等。下面我們以Matlab/Simulink軟件為基礎(chǔ)對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)課程中適合于仿真學(xué)習(xí)與研究的內(nèi)容部分進(jìn)行具體敘述。

（一）光伏電池模型的建構(gòu)及其輸出特性的仿真

光伏電池模型具體的建立過程及使用方式可以參閱參考文獻(xiàn)［1］，可靠實(shí)用的光伏電池仿真模型必須能夠科學(xué)準(zhǔn)確地表征出光伏電池的輸出特性曲線（伏安關(guān)系曲線），也要能夠較為完整地表征出一些重要參數(shù)（如光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度）對(duì)光伏電池輸出特性的影響。目前光伏電池的物理特性已經(jīng)被研究得非常徹底，相關(guān)物理量的數(shù)學(xué)關(guān)系已經(jīng)具有精確明晰的表達(dá)式，依據(jù)這些數(shù)學(xué)表達(dá)式就可以利用Matlab/Simulink提供的工具建立起可以表征光伏電池輸出特性關(guān)系的仿真模型。盡管這樣建立的模型忽略了光伏電池工作的具體過程，但是所涉及的物理量之間的數(shù)量關(guān)系被精確地依照與采用，這樣光伏電池的模型可以被當(dāng)作一個(gè)“黑箱”，能夠反映出光伏電池的外部特性就可以很好地代表光伏電池。這是在仿真研究中廣泛采用的一種方法。

（二）電能變換電路的仿真

光伏電池所發(fā)的電為直流電，且電壓值的穩(wěn)定性較差。為了能夠滿足直接給直流負(fù)載供電、供蓄電池充電、為交流負(fù)載供電或并入電網(wǎng)等用途的需要，將光伏電池所發(fā)直流電進(jìn)行一定的電能變換（直流-直流變換、直流-交流逆變）是必不可少的操作。因而電能變換電路也就成為了光伏發(fā)電技術(shù)課程中一部分重要內(nèi)容。這一部分內(nèi)容也非常適合利用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真。

電能變換電路分為直流-直流變換和直流-交流逆變兩大類，光伏發(fā)電技術(shù)中常見的電能變換電路有Buck電路、Boost電路、推挽式電路、單相橋式逆變電路、三相橋式逆變電路等。這些電路都是由開關(guān)器件、電感、電容、二極管、電阻等器件組成。Matlab/Simulink軟件中有一個(gè)“SimPower System”模塊庫，其中有一個(gè)“Power electronics”子模塊庫，這個(gè)子模塊庫就包含了電能變換電路所需器件的仿真模塊。在仿真時(shí)可以從這個(gè)子模塊庫中選擇需要的器件模塊，再結(jié)合一些輔助的信號(hào)源、測(cè)量、顯示等模塊，再適當(dāng)?shù)卦O(shè)定有關(guān)的器件參數(shù)和仿真參數(shù)后就可以對(duì)電能變換電路進(jìn)行仿真了，并能對(duì)變換電路的一些輸出參數(shù)（如Buck電路的輸出電壓等）進(jìn)行觀察和記錄，進(jìn)而可以對(duì)變換電路進(jìn)行詳細(xì)地調(diào)試和探究。

（三）光伏電池輸出最大功率點(diǎn)跟蹤的仿真

光伏電池的輸出功率會(huì)由于環(huán)境和負(fù)載等因素的變化而發(fā)生變化，為了提高能量的利用率，使光伏電池在不同的工作條件下都能具有最佳的光電轉(zhuǎn)換效率，使光伏電池在不同的工作條件下都能輸出盡可能最大的功率，必須在光伏發(fā)電系統(tǒng)中采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)。所以光伏電池輸出最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)就成為了光伏發(fā)電技術(shù)課程內(nèi)容中一個(gè)重要組成部分。

最大功率點(diǎn)跟蹤的方法因原理的不同而有很多種，比較常用的最大功率點(diǎn)跟蹤方法有恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等。這些不同的最大功率點(diǎn)跟蹤方法的實(shí)際實(shí)施過程卻是相似的，都是通過對(duì)電能變換電路中開關(guān)器件控制脈沖占空比的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。上文已經(jīng)敘述過電能變換電路可以很容易地利用Matlab/Simulink進(jìn)行建模和仿真，而開關(guān)器件的控制脈沖也可以利用Matlab/Simulink所具有的模塊構(gòu)建出脈沖信號(hào)發(fā)生器模型而實(shí)現(xiàn)，并且構(gòu)建出的脈沖信號(hào)發(fā)生器的占空比可以依據(jù)一些輸入量而自動(dòng)調(diào)節(jié)。所以Matlab/Simulink可以為光伏電池輸出最大功率點(diǎn)的跟蹤提供完備的仿真條件。具體的仿真實(shí)現(xiàn)方法可以參閱參考文獻(xiàn)［2］。

（四）蓄電池充放電控制電路的仿真

在離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為了滿足負(fù)載在夜晚或陰雨天的正常工作，蓄電池是一個(gè)必備的裝置，蓄電池的充放電過程的有效控制就是該類型系統(tǒng)順利工作的一個(gè)必要條件。通常蓄電池的充放電控制電路都是由基本的直流-直流變換電路加上信號(hào)檢測(cè)電路與控制器件構(gòu)成，充放電控制的策略也基本上是依據(jù)相關(guān)的電流電壓參數(shù)的取值情況來對(duì)電路中開關(guān)器件的控制脈沖進(jìn)行調(diào)節(jié)。這里涉及的信號(hào)檢測(cè)電路主要由一些電流電壓的傳感器構(gòu)成，這些傳感器在Matlab/Simulink中也有相應(yīng)的模塊，充放電控制的策略也可以很容易地進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。

三、仿真方法教學(xué)實(shí)施過程中需要注意的問題

為了讓仿真方法在光伏發(fā)電技術(shù)課程的教學(xué)過程中運(yùn)用得更為順利和有效，下面幾個(gè)問題需要特別注意。1.對(duì)學(xué)生進(jìn)行必要的Matlab/Simulink軟件使用基礎(chǔ)培訓(xùn)，讓他們形成嚴(yán)格、細(xì)致地按照軟件的語法規(guī)則進(jìn)行模塊構(gòu)建的習(xí)慣。2.指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行仿真練習(xí)初期多進(jìn)行演示示范，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生之間的交流討論，以提高學(xué)習(xí)的效率。3.仿真時(shí)注意數(shù)學(xué)模型與物理模型之間的差異，注意由數(shù)學(xué)模型向物理模型轉(zhuǎn)換的意義和方式。4.仿真過程中注意區(qū)分理想情況與實(shí)際情況的差別，為了讓仿真的結(jié)果準(zhǔn)確穩(wěn)定，必要時(shí)須在仿真模型中添加一些實(shí)際電路中未必包含的輔助器件。5.仿真的使用注意與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，積極利用仿真為一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)或系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行先導(dǎo)性的探索，以積累數(shù)據(jù)少走彎路，提高實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)的效率。

［1］隋崗.小型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)［D］.青島大學(xué)，2009.

［2］王立喬，孫孝峰.分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)（第2版）［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

［3］林飛，杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的Matlab仿真［M］.中國電力出版社，2009.

Computer simulation plays a very import role in the teaching，in this paper，the application of computer simulation in the course of Photovoltaic Power Generation Technology（PPGT）is studied，the scope of simulation method in the course of PPGT is analysised.Moreover，the feasibility and noticeable points for the simulation of the key contents in the courses by Matlab/Simulink simulation software are also illustrated.

photovoltaic power generation technology；computer simulation；Matlab/Simulink

G642

A

2096-000X（2016）22-0085-02

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目（TAPP，項(xiàng)目編號(hào)：PPZY2015B129）；常州工學(xué)院課程建設(shè)項(xiàng)目資助（No：A3-4401-14-031，A3-4403-15-010，A1-4400-16-022）

肖進(jìn)（1982，03-），男，漢族，安徽蕪湖，博士，講師，新能源科學(xué)與工程方向。