基于工程案例的光伏發電虛擬仿真實驗教學平臺

姜 萍, 石文勝, 田 靜, 靳子建, 尤笑瑩

(河北大學 電子信息工程學院, 河北 保定 071002)

為滿足光伏發電產業迅猛發展對技術人才的需要,眾高校相繼開設了光伏發電相關課程。光伏發電作為一門實踐性課程,實驗教學環節尤為重要。但光伏發電系統的實驗儀器設備成本高且多是封閉的,難以了解其內部結構和原理,儀器設備的臺套數量也無法滿足教學的需求[1-3]。此外,光伏發電效率受外界因素影響多,實際工程問題復雜[4-5],相關實驗難以完成所有的實驗教學內容。

仿真實驗在光伏發電課程教學中發揮了重要作用。文獻[6-7]探討了光伏電池的建模以及MPPT算法的仿真教學等;文獻[6,8]介紹光伏電池模型的搭建以及人機交互界面的初步設計。但是,已有平臺存在的不足之處主要是交互性不夠或者不完整。為此,筆者利用Matlab/GUI設計了具有良好人機交互界面的光伏發電虛擬仿真實驗教學平臺[9-10]。該設計突出鮮明的工程特點和模塊化的設計理念,為光伏發電技術等相關課程實驗教學提供了新的途徑和方法,為培養具有工程應用和創新能力的光伏發電專業人才提供了有力支撐。

1 光伏發電虛擬仿真教學平臺的架構及功能

1.1 平臺架構

光伏發電系統架構如圖1所示,主要由光伏電池陣列、DC/DC變換器、最大功率點跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)控制器、逆變器、電網等組成。

圖1 光伏發電系統架構

光伏電池完成光電轉換,串并聯后形成能夠輸出較大功率的光伏陣列;通過MPPT控制器完成電壓的轉換和最大功率點的跟蹤;通過逆變器將直流電轉變為交流電。

為便于學生進行實驗,本光伏發電虛擬仿真實驗教學平臺分為獨立實驗和綜合實驗兩大模塊。獨立實驗模塊包括太陽能輻照度計算模塊、光伏陣列模塊、斬波電路及MPPT模塊、逆變器模塊等;綜合實驗模塊則針對實際工程案例模擬了光伏發電的工作流程。

(1) 太陽能輻照度計算模塊。我國太陽能資源豐富,但地形復雜,太陽能輻照量的計算需要綜合考慮地理位置、天文環境、季節與光照變化、光伏電池板安裝傾角及照射角等因素,利用天空散射輻射各向異性模型和雙參考氣象站輻照量修正法計算太陽能輻照度。

(2) 光伏陣列模塊。該平臺可以進行光伏組件選型,所用陣列模型為5參數模型,通過光伏電池的數學模型建立大容量光伏陣列的數學模型。針對不同溫度及不同日照強度,對光伏陣列的輸出特性進行仿真。

(3) DC/DC變換電路及MPPT控制模塊。DC/DC變換模塊采用Boost升壓電路或Bust降壓電路,將光伏電池輸出的直流電變為可以調節的直流電。光伏發電系統最大功率點跟蹤控制器(MPPT)能夠使光伏電池工作在最大功率點處,提高了光伏電池的轉換效率。常用的MPPT算法有固定電壓法、擾動觀測法、電導增量法以及其他智能算法,本教學平臺可以使用上述算法設計實驗并進行效果驗證[11]。

(4) 逆變器模塊。逆變器的轉換效率直接影響系統的發電量。逆變器的數學建模,在光伏陣列的仿真實驗和性能模擬中起著至關重要的作用。常用建模方法有SANDIA逆變器建模法、Driesse逆變器建模法、逆變器性能輸出曲線擬合法[12]。

1.2 光伏發電虛擬仿真教學平臺實現功能

通過本教學平臺,可以實現如下功能：

(1) 為相關專業學生提供設計型、綜合型實驗,彌補現有實驗項目缺乏工程應用背景的不足;

(2) 滿足相關專業的課程設計、綜合實訓,可提供相關課程設計題目,例如：基于天文氣象信息的光伏功率預測計算、基于用戶需求的光伏陣列容量設計、最大功率點跟蹤控制系統仿真實驗、陰影和失配下的光伏陣列輸出特性實驗等;

(3) 可以進一步進行開發,能滿足畢業設計和科技創新活動等和其他自選課題的需求。

2 光伏發電虛擬仿真教學平臺的設計

平臺的設計是通過GUI創建的.fig文件、編程創建的.m文件以及搭建模型創建的.mdl文件三者彼此交互實現的,如圖2所示。

圖2 文件設計的交互圖

首先,通過Matlab/Simulink搭建需要使用的模型,得到.mdl文件,如光伏陣列模型等;其次,使用GUIDE指令來設計需要的界面,得到.fig文件;最后,通過程序編譯的.m文件,將.mdl文件與.fig文件建立關系,進行交互。

2.1 主界面設計

主界面設計包括導入界面和實驗主界面。

在Matlab中輸入GUIDE指令,新建界面,在界面中拖入對應模塊,并對模塊的回調函數.m文件進行編譯以實現功能。

導入界面需要拖入2個Push Button按鈕、1個Edit Text文本標簽、1個Axes坐標軸。編輯按鈕的回調函數Callback實現進入平臺和退出平臺的功能;文本標簽用以對平臺進行命名;坐標軸則插入對應圖片。

實驗主界面需要拖入6個按鈕,編輯對應按鈕的回調函數Callback,用以分別進入對應的獨立實驗界面、綜合實驗界面以及退出實驗。

2.2 子界面設計

子界面設計包括仿真模型設計和實驗界面設計,以光伏組件模塊實驗界面為例說明子界面設計過程。

2.2.1 仿真模型設計

在Matlab/Simulink中進行光伏組件的建模。本教學平臺光伏組件建模選用五參數模型[13],其等效模型如圖3所示。

圖3 五參數等效模型

其中,Iph為光生電流;Id為反向飽和電流;Rsh為等效并聯電阻;Rs為等效串聯電阻;Rload為負載電阻。

光伏組件五參數模型的I-V特性方程為：

I=Iph-Id-Ish

(1)

(2)

(3)

(4)

上式中,I0表示等效二極管反向飽和電流,一般其數量級為10-4A;I表示光伏電池輸出電流;U表示光伏電池輸出電壓;a表示曲線擬合因子,它主要與溫度有關;n為P-N結理想因子,數值為1～2,通常取1.3;k為波爾茲曼常數,為1.38×10-23J/K;Tc為光伏電池絕對溫度;q為電子電量,為1.6×10-19C。

根據I-V特性方程,在Matlab/Simulink中搭建仿真模型如圖4所示。

圖4 五參數仿真模型

2.2.2 實驗界面設計

進行光伏組件界面設置,按照設計要求在GUI編輯界面中添加3個下拉式選單、2個按鈕、2個編輯文本框、9個文本標簽和2個坐標軸。下拉式選單用以選擇所使用的光伏組件的廠商、型號、晶體類型等;“運行”按鈕用以運行Simulink中搭建的光伏組件模型;編輯文本框用以輸入控制參數,如環境溫度、太陽輻照度等;文本標簽用以輸入對界面進行的注釋;坐標軸用以畫出對應的光伏組件I-V、P-V特性曲線。

最后,就是將搭建的光伏組件模型與設計好的界面進行數據傳遞,即通過編譯回調函數Callback實現模型仿真結果在GUI界面上的顯示,通過對回調函數的編譯，在設計好的界面中改變控制參數,得到任意溫度和光照條件下的光伏組件特性曲線圖。

2.3 獨立仿真實驗

在主界面中點擊基本信息模塊按鈕,輸入實驗所在地基本信息以及傾斜角等信息,則自動得到所在地經緯度、年均最高/低溫度。

在主界面選擇按鈕中選擇光伏組件模塊按鈕,則進入光伏組件選擇界面,選擇組件生產廠商、型號等信息,并在控制參數中輸入對應時刻的外界溫度、太陽輻照度,單擊“運行”按鈕,則描繪出該光伏組件在該溫度和光照條件下的I-V特性曲線、P-V特性曲線。

在主界面中選擇DC/DC變換器和MPPT模塊,并在彈出的DC/DC變換器和MPPT界面中選取適當的變換電路以及MPPT算法,從而繪制出MPPT跟蹤曲線。

在主界面中單擊選擇逆變器模塊按鈕,進入逆變器選擇界面,在該界面選擇逆變器生產廠商、型號、建模方法等,點擊運行,即可得到逆變器擬合曲線。

3 工程案例仿真實驗(綜合性實驗)

3.1 任務

已知我國河北省某光伏電站系統的基本情況為:裝機容量50 MWp(Wp為太陽能電池的峰值功率),由224 000塊型號為YL245P-29b(標準測試條件下的最大輸出功率為245 W)多晶硅組成,陣列安裝傾角為33°,固定支架朝正南方向放置。每20塊245 Wp電池組件串聯后作為一個組串單元接入匯流箱,每個匯流箱由16路組串并聯匯流。每個1 MWp方陣設置14個匯流箱,全站設置匯流箱數量為14×50=700(個)。每1 MWp太陽能電池發電方陣通過對應的2臺型號為GBL200-500/270-HE的500 kW逆變器(共100臺)經1 000 kVA升壓箱式變壓器(共50臺,其中雙繞組變壓器25臺,雙分裂變壓器25臺)升壓后匯至場內5條35 kV集電線路(直埋),匯集至35 kV母線,經1臺50 000 kVA主變升壓至110 kV,通過徐郭Ⅲ線T接線191開關以單回線路T接并入電網。

3.2 建模

型號為YL245P-29b的光伏組件的基本信息如表1所示。

表1 YL245P-29b光伏組件基本信息表

在Matlab/Simulink中搭建五參數模型如圖4所示。DC/DC變換電路選擇Boost電路,MPPT算法使用擾動觀察法,搭建模型如圖5所示。

圖5 DC/DC變換電路及MPPT模型

3.3 數據對比

選取該光伏電站的發電性能進行仿真值和實測值的比較,表2為2016年3月10日07：00—18:00該光伏電站的仿真輸出功率和實測輸出功率的數據。可看出模型仿真值與實際實測值吻合度很高。

表2 實測功率與仿真功率對比表

表2(續)

4 結語

將Matlab/GUI仿真實驗引入光伏發電實驗教學和采用實際工程案例數據,加深了學生對光伏發電理論的理解,增強了工程意識,提高了教學質量,也解決了光伏發電技術實驗教學不足的狀況,對光伏發電技術的仿真實驗是一種創新與有益的嘗試,也為光伏發電技術等相關課程的實驗教學提供了一種新的途徑及方法。該仿真實驗教學效果良好,不僅可充分利用計算機強大的仿真運算功能,而且可利用圖形化功能形象顯現教學內容并起到強化知識點的作用。