基于MATLAB仿真的太陽能發電系統課程設計案例研究

摘要：由于電力電子技術的不斷進步和日益增長的需求，電力電子教學需進行相應的改進，這涉及到教學內容和教學方式的改革。在探索教學創新過程中，提出基于MATLAB仿真平臺的電力電子技術中太陽能發電系統課程設計，該系統由太陽能電池板、升壓轉換器和MPPT控制器組成。系統具有簡潔性和實用性，幫助學生在短時間內最大可能地了解太陽能發電系統，克服了傳統教學方法中理論與實踐聯系不緊密的缺點，提高了教學效果，增強對學生自主學習和創新學習能力的培養。

關鍵詞：教學改革；太陽能發電；MPPT；MATLAB仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0013-02

對能源危機和環境的日益關注，使用可再生能源發電得到理論研究人員和工程技術人員的廣泛關注和深入探討。在可再生能源系統中一個重要的議題是太陽能能源系統。而太陽能發電系統與電力電子課程有著緊密的關聯，因此在“電力電子技術”教學創新過程中可以把太陽能發電系統放置在電力電子學的應用介紹中，這使課堂理論教學與社會發展和社會熱點更加契合，也能使電力電子學更有吸引力。

普通的教學方法通常采用純理論方式，其缺點是：在大學生電力電子的課程中，學生對于實驗中突然出現的現象和對系統元件的探索缺少關注，很難達到良好的教學效果和知識傳授。而太陽能控制系統的課程設計具有較強的實踐性，實驗環節尤為重要，由于受到實驗設備、實驗人員和實驗條件等的限制，傳統的實驗教學很難開展，但是軟件仿真虛擬實驗則沒有這方面的限制。因此，本文提出了基于MATLAB/ SIMULINK仿真軟件對太陽能發電系統進行仿真研究，包括MPPT算法和變流器的拓撲設計，幫助學生加深對電力電子基礎理論和應用系統設計知識的理解，填補基礎理論教學與實際應用之間的斷帶，掌握利用仿真技術進行輔助分析與設計的技能。

一、太陽能發電系統

電力電子電路主要包括四大類：整流電路（AC-DC變換）、斬波電路（DC-DC變換）、逆變電路（DC-AC變換）、交流電力控制及交交變頻電路（AC-AC變換）。與太陽能發電系統密切相關的為斬波電路和逆變電路。本文介紹的太陽能發電系統運行在離網模式，主要變流器為DC-DC變換，所以本文著重介紹斬波電路。在教學設計上，學生初次接觸電力電子應用實例，實際的感觀并不多，對太陽能發電系統各個模塊理解有些困難，因此本文提出了一種精簡的太陽能發電系統，從而達到電力電子技術教學的目的。太陽能發電系統的拓撲如圖1所示。[1]它由光伏電池板、升壓斬波電路、MPPT控制器和負載組成，下面詳細介紹各部分的作用。

太陽能電池是太陽能發電的能量轉換器件。其原理是光生伏打效應，當太陽光照射到太陽能電池上時，電池吸收光能，產生光電子-空穴對。在電池內電場的作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現異號電荷的積累，即產生“光生電壓”，若在內建電場的兩側引出電極并接上負載，則負載就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。[2]

太陽能電池后級一般采用Boost電路進行DC/DC變換。[3]由于在太陽能發電系統中，太陽能電池的輸出功率受多種因素影響，如太陽光照強度、環境溫度。在不同的環境下，太陽能電池的輸出曲線是不同的，相應的最大功率點也不同。日照越強，太陽能電池能夠輸出的功率越大；本身溫度越高，其輸出功率越小。在特定的日照強度和溫度條件下，太陽能電池具有唯一的最大功率輸出點（MPP），也只有工作在最大功率點才輸出最大功率。

根據太陽能電池特性，有以下幾種最大功率點跟蹤方法：CVT法；基于擾動的自尋優控制算法，主要有擾動觀察法、電導增量法等；基于優化模型的控制算法，主要有短路電流檢測法、開路電壓檢測法、電流掃描法等；基于人工智能的處理算法，主要有模糊控制、人工神經網絡等；負載電流/電壓最大法。擾動觀察法是目前研究最廣也是應用較為普遍的控制算法之一。其原理是每隔一段時間對太陽能陣列的工作點實施擾動，然后測量其功率變化，與擾動之前的功率值相比較，若功率值增加，則表示擾動方法正確，可朝同一方向擾動；若擾動后的功率值小于擾動前，則往相反的方向擾動。由于擾動觀察法結構簡單，跟蹤算法簡單，容易實現，容易被接受和理解，所以采用擾動法進行最大功率點跟蹤。

二、仿真實例

為了構建與實際相符合的教學場景，引入仿真軟件MATLAB/

SIMULINK，利用 MATLAB/ SIMLINK軟件構建電力電子電路進行仿真演示，電力電子變換與控制領域的典型開關電路均可建立仿真模型，通過對模型的仿真，可直觀展示各種參數變化對電路波形的影響以及數值計算，可以為教學現場營造一種真實的電力電子電路工作場景，能夠有效地彌補傳統教學方式的不便和不足，學生能夠全面準確理解教學內容。同時，在電路仿真時，可以模擬各種電力電子器件故障，如開路、短路等，能夠清晰地展示各種電力電子電路的工作過程，使學生能夠直觀、全面地掌握課程學習內容，同時將學習活動情境化、趣味化，大大加深了學生對所學知識的理解，使學生能夠將隱性的理論知識轉化為顯性的技能。[4]因此，將MATLAB仿真軟件引入太陽能發電系統課程設計的教學，可以充分利用MATLAB的強大運算與圖形化功能，提高課程教學質量與教學效果。

1.太陽能電池內部特性MATLAB仿真

太陽能電池的I-V特性隨光照和電池表面溫度的變化而變化。單個太陽能電池的輸出伏安特性表達式為：

（1）

式中：I——太陽能電池輸出電流；U——太陽能電池輸出電壓；Iph——光生電流；I0——二極管反相飽和電流；K——玻爾茲曼常數（K=1.38×10-23J/K）；q——電子的電荷量（q=1.6× 1019C）；n——二極管特性因子；RS——太陽能電池的串聯電阻；Rsh——太陽能電池的并聯電阻。

根據太陽能電池內部特性，結合式（1）在MATLAB/ SIMULINK仿真實驗平臺中建立太陽能電池內部特性仿真模型，如圖2所示，對太陽能電池的輸出特性進行實驗研究。本案例初步設置光照強度Sref為400W/m2，溫度Tref為25℃，電池開路電壓UOC為66V，峰值電壓Um為54.2V，短路電流ISC為25.44A，峰值電流Im為23.25A。

2.占空比擾動法的MATLAB仿真研究

干擾觀測法算法簡單且易于硬件實現，所以被廣泛地應用。經典干擾控制法步長不易確定，如果步長大可以較快跟蹤到最大功率，但在最大功率附近振動較大。如果步長較小，雖然在最大功率點附近振蕩較小，但跟蹤的速度又太慢。在本案例中，采用PWM信號占空比D作為控制變量，相對于干擾觀測法，占空比擾動法由于直接把占空比作為控制變量，只需要控制一個參數，從而使控制器簡單化。[5]圖3為MPPT模塊的MATLAB仿真模型。

3.太陽能發電系統MATLAB仿真模型

在建立太陽能電池內部特性模型及MPPT模塊模型后，在SIMULINK中建立太陽能發電系統整體仿真模型，該模型采用光照強度S和溫度T作為輸入，以流過負載的電流I和負載兩端的電壓U作為輸出來進行仿真。將電路元器件模塊按太陽能發電系統結構圖連接起來組成仿真電路，如圖4所示，主要由太陽能電池板模型、升壓斬波電路、MPPT模塊、負載（500Ω電阻）組成。

4.仿真結果分析

太陽能電池板輸出電壓（左）、電流（右）波形如圖5所示，圖6左右分別為負載電壓和電流波形。由仿真結果可以看出，給定參數的太陽能電池在光照強度Sref為400W/m2，溫度Tref為25℃條件下，輸出電壓為78V，輸出電流為9.7A，負載電壓為550V，電流約為1.1A。由圖5、圖6可見，電池輸出電壓、電流在1s前已達穩定，說明Boost電路實現太陽能發電系統最大功率點跟蹤是可行的。此仿真模型和仿真結果有利于本科生學習太陽能發電控制系統和理解相關電力電子技術。

三、結論

以太陽能光伏發電系統為案例，基于MATLAB仿真平臺設計的“電力電子技術”教學模式，不僅在教學方式上進行整改，并且在教學內容上也進行了改革創新，形成理論與實踐并進，理論與仿真相結合的教學新思路和新模式。一方面改善了教育質量，提高了學生對課堂學習的興趣，另一方面向學生介紹了新能源，增強“電力電子技術”吸引力的同時使學生擁有更多的實踐經驗，幫助學生加深對電力電子基礎理論和應用系統設計知識的理解，掌握利用仿真技術進行輔助分析與設計的技能。

參考文獻：

[1]P.Bauer，W.Kolar.Teaching Power Electronics in the 21st Century[J].EPE Journal，2003，13（4）：43-50.

[2]汪義旺.MATLAB仿真在光伏發電技術實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2011，28（7）：177-179.

[3]李京，胡仁杰.光伏電池在Boost電路中的最大功率跟蹤[J].電氣技術，2013，（4）：21-24.

[4]李鵬飛，葉文.MATLAB仿真軟件在“電力電子技術”教學中的應用[J].中國電力教育，2010，（13）：85-87.

[5]蔡曉峰，張鴻博.光伏發電系統最大功率點跟蹤的占空比擾動法仿真研究[J].華電技術，2009，31（9）：19-23.

（責任編輯：王意琴）