遮蔭條件下光伏發(fā)電仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

肖文波, 王 慶, 顏 超

(南昌航空大學(xué) 國(guó)家級(jí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江西 南昌 330063)

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遮蔭條件下光伏發(fā)電仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

肖文波, 王 慶, 顏 超

(南昌航空大學(xué) 國(guó)家級(jí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江西 南昌 330063)

將Matlab/Simulink仿真軟件平臺(tái)引入光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn), 可解決目前相關(guān)課程缺乏豐富實(shí)驗(yàn)條件的問(wèn)題。結(jié)合遮蔭條件下光伏發(fā)電的具體仿真教學(xué)實(shí)例,探索與總結(jié)出了該類實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)。結(jié)果證明該實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果良好,為光伏發(fā)電技術(shù)等相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種新的途徑及方法。

實(shí)驗(yàn)教學(xué); 遮蔭條件下光伏發(fā)電; 仿真實(shí)驗(yàn); Matlab/Simulink

0 引 言

隨著石油、天然氣、煤等不可再生能源日益減少, 光伏產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展[1]。因此,對(duì)產(chǎn)業(yè)人才也有大量的需求。為了適應(yīng)這種趨勢(shì),許多高校開(kāi)設(shè)了相關(guān)課程及實(shí)驗(yàn)。但是光伏發(fā)電技術(shù)屬于新課程,受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)人員和實(shí)驗(yàn)條件等的限制, 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)很難開(kāi)展[2];且光伏發(fā)電本身不僅受到溫度、光強(qiáng)等因素的影響,而且也易受到自然物體和人造物體遮蔭的影響[3],相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)難以完成所有內(nèi)容。隨著Matlab 語(yǔ)言和Simulink 仿真環(huán)境在教學(xué)中日益廣泛的應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外很多高校在教學(xué)與研究中都將它們作為首選的工具[4-5]。仿真虛擬實(shí)驗(yàn)不僅避免了上述實(shí)驗(yàn)條件等限制, 而且使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握, 因此開(kāi)發(fā)與開(kāi)展光伏發(fā)電課程的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得極其重要[6-8]。這不僅提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,更可以改進(jìn)課程教學(xué)效果。

為此,結(jié)合遮蔭條件下光伏電池等效電路原理[9-10]以及Matlab/Simulink語(yǔ)言[11-12],闡述如何通過(guò)軟件仿真實(shí)現(xiàn)遮蔭條件下光伏組件發(fā)電特性,并指出以上過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)的注意事項(xiàng),為光伏發(fā)電技術(shù)等相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種新的途徑及方法。結(jié)果證明該實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果良好,不僅可充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的仿真運(yùn)算功能,而且可利用圖形化功能形象顯現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容并強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)。

1 遮蔭條件下光伏組件仿真模型、過(guò)程及結(jié)果

1.1 遮蔭條件下光伏組件仿真模型

光伏組件是利用性能接近的單體光伏電池串聯(lián)構(gòu)成;單體光伏電池基本結(jié)構(gòu)可以看成由恒流源、二極管、并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻組成。為了防止雪崩擊穿和熱斑效應(yīng),在實(shí)際使用串聯(lián)光伏電池時(shí)都會(huì)并聯(lián)一個(gè)旁路二極管[13]。圖1所示為兩塊電池串聯(lián)構(gòu)成的組件對(duì)外供電的電路模型;圖中Iph1(Iph2),n1(n2),I01(I02),Rsh1(Rsh2),Rs1(Rs2)分別是光伏電池1(光伏電池2)的光生電流,理想因子,二極管反向飽和電流,并聯(lián)電阻以及串聯(lián)電阻。每一個(gè)電池的參數(shù)認(rèn)為是一致的。在均勻光照強(qiáng)度下,它們處于相同的工作電流,旁路二極管1和2處于阻斷狀態(tài),功率輸出維持單峰值。但在非均勻光照強(qiáng)度下,就會(huì)出現(xiàn)雙峰值情況。若第1塊電池的光生電流小于第2塊電池,旁路二極管1就有會(huì)導(dǎo)通;此時(shí)相當(dāng)于僅有電池2對(duì)外輸出電量。當(dāng)電池2的輸出電流等于電池1產(chǎn)生的電流時(shí),電池1的旁路二極管兩端開(kāi)始形成反向偏壓,即旁路二極管1開(kāi)始處于阻斷狀態(tài)[14];此時(shí)電池1與2共同對(duì)外輸出電量。

圖1 帶有旁路二極管的兩塊光伏電池串聯(lián)示意圖

基于光生電流遠(yuǎn)大于二極管反向飽和電流、并聯(lián)電阻為無(wú)窮大以及二極管反向飽和電流與光強(qiáng)無(wú)關(guān)的假設(shè)條件[15],可以獲得兩個(gè)旁路二極管處于阻斷狀態(tài)下,電池1和2共同正常對(duì)外輸出的功率為：

(1)

式中:I與U分別為組件輸出電流與電壓;Isc1、Uoc1、Im1、Um1、Isc2、Uoc2、Im2、Um2分別是電池1與2在光照下的短路電流、開(kāi)路電壓、最大功率點(diǎn)電流與電壓。它們可以根據(jù)外界的溫度與光強(qiáng)計(jì)算出來(lái)[15]。

當(dāng)旁路二極管1導(dǎo)通,僅有電池2正常對(duì)外輸出時(shí)的功率為：

(2)

由上述可知,可以由電池1與2所處的不同溫度與光照條件,模擬出遮蔭情況下的光伏組件輸出I-U和P-U曲線。

1.2 仿真過(guò)程

利用BP公司生產(chǎn)的UP-M180M-B光伏電池作為仿真對(duì)象[16],將2個(gè)光伏電池串聯(lián),并在每個(gè)電池旁邊并聯(lián)一個(gè)旁路二極管。在Simunlink中,利用Fcn模塊編寫程序并封裝。仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,光伏電池1與2的計(jì)算可以包括外界的溫度與光強(qiáng)變化。PV與PV1是分別根據(jù)上式(1)與(2)封裝好的計(jì)算模塊。

圖2 仿真結(jié)構(gòu)圖

1.3 仿真結(jié)果

在溫度為25 ℃,光伏電池1光強(qiáng)為1 000 W/m2,光伏電池2的光強(qiáng)分別為1 000、800、600、400和200 W/m2條件下,光伏組件輸出I-U曲線,如圖3所示。從圖中可以看出,在不均勻光照條件下,組件輸出I-U曲線呈現(xiàn)出階梯形狀,而不是典型的低電壓直線,高電壓線性下降現(xiàn)象[17-18]。

以上對(duì)應(yīng)的組件輸出P-U曲線見(jiàn)圖4。可以明顯看出,當(dāng)兩塊電池的光照強(qiáng)度不同時(shí),P-U曲線有兩個(gè)峰值功率輸出,如圖中箭頭所示。且發(fā)現(xiàn)當(dāng)電池2的光強(qiáng)下降的時(shí)候,第2個(gè)峰值也明顯下降,而第1個(gè)峰值卻幾乎沒(méi)有改變;所以第1個(gè)峰值是由電池1輸出性能決定;而第2個(gè)峰值受電池2上光強(qiáng)決定。

圖3 光伏組件輸出I-U曲線

圖4 光伏組件輸出P-U曲線

2 仿真教學(xué)注意事項(xiàng)

盡管仿真實(shí)驗(yàn)不是真的,但學(xué)生可以在有限的時(shí)間內(nèi)任意修改并重復(fù),且可以加深和鞏固對(duì)光伏發(fā)電基本特性和基本參數(shù)的理解,充實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。上面內(nèi)容的仿真,需要注意的事項(xiàng)包括:

(1) 原理性方面,遮蔭條件下光伏發(fā)電模型與正常情況下的電池模型不一樣;需要理論性指導(dǎo)學(xué)生將半導(dǎo)體專業(yè)知識(shí)、電路知識(shí)等結(jié)合起來(lái),理解遮蔭情況下電池輸出功率的多峰值問(wèn)題。

(2) 教學(xué)手段上面,應(yīng)該強(qiáng)調(diào)Matlab/Simulink中Fcn模塊編寫程序的技巧。幫助學(xué)生熟記Simulink中的模塊,并教會(huì)學(xué)生如何建立新的仿真模塊。

(3) 在選擇教學(xué)模式時(shí),應(yīng)選擇任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,使學(xué)生真正參與到教學(xué)活動(dòng)中。當(dāng)學(xué)生人數(shù)較多時(shí),要充分考慮學(xué)生的現(xiàn)有知識(shí)和能力水平,讓每組中均有不同水平的學(xué)生,這樣有利于協(xié)同學(xué)習(xí)。

(4) 在教學(xué)評(píng)價(jià)方面,不僅要關(guān)注學(xué)生仿真結(jié)果的正確性,更要關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的評(píng)價(jià);分析學(xué)生對(duì)原理的理解性以及動(dòng)手能力的差別,為改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3 結(jié) 語(yǔ)

將Matlab/Simulink仿真平臺(tái)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué), 加深了學(xué)生對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)相關(guān)理論的理解與把握, 增強(qiáng)了工程意識(shí), 改善了教學(xué)效果和提高了教學(xué)質(zhì)量; 同時(shí)也解決了長(zhǎng)期以來(lái)光伏發(fā)電技術(shù)缺少相對(duì)豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)狀況,對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)是一種創(chuàng)新與有益的嘗試, 也為光伏發(fā)電技術(shù)等相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種新的途徑及方法。學(xué)生反映良好,增加了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的好奇心,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,收到了良好的教學(xué)效果。

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Design and Simulation of Photovoltaic Generation under Partial Shading

XIAOWen-bo,WANGQin,YANChao

(The National Physics Experiment Teaching Center, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

The Matlab/Simulink simulation platform is introduced in photovoltaic generation experiment in order to solve the problem of lack of courses-related experimental conditions. After doing simulation experiments of photovoltaic generation under partial shading, the authors sum up the considerations of such experiments. The results show that those experiments will play positive effects. This provides a new experimental teaching approach and method for the experimental teaching of photovoltaic technology related courses.

experimental teaching; photovoltaic generation under partial shading; simulation experiment; Matlab/Simulink

2015-11-26

江西省發(fā)明專利產(chǎn)業(yè)化技術(shù)示范基金(20143BBM26116)、江西省教育廳科技項(xiàng)目(2015NCHU10)、高等學(xué)校計(jì)算物理課程教學(xué)研究項(xiàng)目(JZW-15-JW-02); 南昌航空大學(xué)教改課題(JY1460)資助

肖文波(1975-),男,博士,副教授,主要從事大學(xué)物理教學(xué)工作以及半導(dǎo)體光電檢測(cè)研究工作。

E-mail:xiaowenbo1570@163.com

G 642.0

A

1006-7167(2016)09-0105-03