Matlab/Simulink仿真在光伏發電技術課程中的應用*

肖進 陳磊 袁洪春 熊超 馬金祥 趙宇 杜文漢 柴濟民 朱錫芳

（常州工學院 電氣與光電工程學院，江蘇常州213002）

Matlab/Simulink仿真在光伏發電技術課程中的應用*

肖進 陳磊 袁洪春 熊超 馬金祥 趙宇 杜文漢 柴濟民 朱錫芳

（常州工學院 電氣與光電工程學院，江蘇常州213002）

計算機仿真在課程教學中發揮著重要的作用，文章探討了計算機仿真方法在光伏發電技術課程中的應用，分析了仿真方法在光伏發電技術課程中可以適用的范圍，此外，對以Matlab/Simulink仿真軟件對課程中重點內容進行仿真時的可行性和需要注意的問題進行了闡述。

光伏發電技術；計算機仿真；Matlab/Simulink

光伏發電技術是新能源科學與工程專業（光伏技術方向）一門重要的專業核心課程。該課程的內容以一個完整的、面向實際應用的光伏發電系統的構成為組織依據。光伏發電系統是一個利用光伏電池發電并將所發電能加以應用的系統，在一個光伏發電系統中，可發電的光伏電池是電能的源頭，負載或電網是電能的終點，電能控制與變換器件（直流變換器件、逆變器件）、儲能裝置是必要的中間環節。所以光伏發電技術課程的內容就是與上述的器件與裝置的工作原理、技術規范等方面相對應，包含著較多的電能變換原理、電路系統控制等方面的內容。

一、仿真方法在光伏發電技術課程教學中的意義

所謂仿真就是利用專門的計算機軟件構建一個模型來代表一個物理系統，并對這個物理系統的運行或工作過程進行模擬，進而獲得物理系統的諸多屬性參數及其變化過程的一種方法。隨著計算機技術的發展，仿真方法在大學課程教學中也變得不可或缺，成為了一個重要的教學方法和教學內容組成部分。

光伏發電技術課程包含的內容較為廣泛，其中存在著很多可以進行仿真演示及研究的內容，如光伏電池的輸出特性受環境和負載的影響情況、電能變換過程及其控制等內容。在教學過程中，利用仿真的方法可以很直觀、直接地將有關的物理過程和結果展示出來。仿真實施的條件較為簡單，只需要有電腦和相關的軟件即可，可以突破時間上、空間上、實驗設施等條件的限制，能讓教師很方便地進行展示和演示，更能讓學生自由地進行練習和探究。

二、仿真方法在光伏發電技術課程中適用的范圍

光伏發電技術課程中適用于仿真方法進行教學和學習的內容主要可以分為這些部分：光伏電池模型的建構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跟蹤的仿真、蓄電池充放電控制電路的仿真、光伏發電系統并網的仿真等部分。適用于光伏發電技術課程內容仿真的軟件也很多，如Matlab/Simulink、Psim、Pspice等。下面我們以Matlab/Simulink軟件為基礎對光伏發電技術課程中適合于仿真學習與研究的內容部分進行具體敘述。

（一）光伏電池模型的建構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［1］，可靠實用的光伏電池仿真模型必須能夠科學準確地表征出光伏電池的輸出特性曲線（伏安關系曲線），也要能夠較為完整地表征出一些重要參數（如光照強度、環境溫度）對光伏電池輸出特性的影響。目前光伏電池的物理特性已經被研究得非常徹底，相關物理量的數學關系已經具有精確明晰的表達式，依據這些數學表達式就可以利用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量關系被精確地依照與采用，這樣光伏電池的模型可以被當作一個“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

光伏電池所發的電為直流電，且電壓值的穩定性較差。為了能夠滿足直接給直流負載供電、供蓄電池充電、為交流負載供電或并入電網等用途的需要，將光伏電池所發直流電進行一定的電能變換（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電技術課程中一部分重要內容。這一部分內容也非常適合利用Matlab/Simulink進行仿真。

電能變換電路分為直流-直流變換和直流-交流逆變兩大類，光伏發電技術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器件、電感、電容、二極管、電阻等器件組成。Matlab/Simulink軟件中有一個“SimPower System”模塊庫，其中有一個“Power electronics”子模塊庫，這個子模塊庫就包含了電能變換電路所需器件的仿真模塊。在仿真時可以從這個子模塊庫中選擇需要的器件模塊，再結合一些輔助的信號源、測量、顯示等模塊，再適當地設定有關的器件參數和仿真參數后就可以對電能變換電路進行仿真了，并能對變換電路的一些輸出參數（如Buck電路的輸出電壓等）進行觀察和記錄，進而可以對變換電路進行詳細地調試和探究。

（三）光伏電池輸出最大功率點跟蹤的仿真

光伏電池的輸出功率會由于環境和負載等因素的變化而發生變化，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，必須在光伏發電系統中采用最大功率點跟蹤技術。所以光伏電池輸出最大功率點跟蹤技術就成為了光伏發電技術課程內容中一個重要組成部分。

最大功率點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跟蹤方法有恒定電壓法、擾動觀察法、電導增量法等。這些不同的最大功率點跟蹤方法的實際實施過程卻是相似的，都是通過對電能變換電路中開關器件控制脈沖占空比的調節來實現最大功率點的跟蹤。上文已經敘述過電能變換電路可以很容易地利用Matlab/Simulink進行建模和仿真，而開關器件的控制脈沖也可以利用Matlab/Simulink所具有的模塊構建出脈沖信號發生器模型而實現，并且構建出的脈沖信號發生器的占空比可以依據一些輸入量而自動調節。所以Matlab/Simulink可以為光伏電池輸出最大功率點的跟蹤提供完備的仿真條件。具體的仿真實現方法可以參閱參考文獻［2］。

（四）蓄電池充放電控制電路的仿真

在離網型光伏發電系統中，為了滿足負載在夜晚或陰雨天的正常工作，蓄電池是一個必備的裝置，蓄電池的充放電過程的有效控制就是該類型系統順利工作的一個必要條件。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檢測電路與控制器件構成，充放電控制的策略也基本上是依據相關的電流電壓參數的取值情況來對電路中開關器件的控制脈沖進行調節。這里涉及的信號檢測電路主要由一些電流電壓的傳感器構成，這些傳感器在Matlab/Simulink中也有相應的模塊，充放電控制的策略也可以很容易地進行仿真實現。

三、仿真方法教學實施過程中需要注意的問題

為了讓仿真方法在光伏發電技術課程的教學過程中運用得更為順利和有效，下面幾個問題需要特別注意。1.對學生進行必要的Matlab/Simulink軟件使用基礎培訓，讓他們形成嚴格、細致地按照軟件的語法規則進行模塊構建的習慣。2.指導學生進行仿真練習初期多進行演示示范，同時鼓勵學生之間的交流討論，以提高學習的效率。3.仿真時注意數學模型與物理模型之間的差異，注意由數學模型向物理模型轉換的意義和方式。4.仿真過程中注意區分理想情況與實際情況的差別，為了讓仿真的結果準確穩定，必要時須在仿真模型中添加一些實際電路中未必包含的輔助器件。5.仿真的使用注意與實驗相結合，積極利用仿真為一些復雜的實驗或系統設計進行先導性的探索，以積累數據少走彎路，提高實驗和設計的效率。

［1］隋崗.小型獨立光伏發電系統的分析與設計［D］.青島大學，2009.

［2］王立喬，孫孝峰.分布式發電系統中的光伏發電技術（第2版）［M］.機械工業出版社，2014.

［3］林飛，杜欣.電力電子應用技術的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

江蘇高校品牌專業建設工程資助項目（TAPP，項目編號：PPZY2015B129）；常州工學院課程建設項目資助（No：A3-4401-14-031，A3-4403-15-010，A1-4400-16-022）

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