Matlab/Simulink仿真在光伏发电技术课程中的应用*

肖进 陈磊 袁洪春 熊超 马金祥 赵宇 杜文汉 柴济民 朱锡芳

（常州工学院 电气与光电工程学院，江苏常州213002）

Matlab/Simulink仿真在光伏发电技术课程中的应用*

肖进 陈磊 袁洪春 熊超 马金祥 赵宇 杜文汉 柴济民 朱锡芳

（常州工学院 电气与光电工程学院，江苏常州213002）

计算机仿真在课程教学中发挥着重要的作用，文章探讨了计算机仿真方法在光伏发电技术课程中的应用，分析了仿真方法在光伏发电技术课程中可以适用的范围，此外，对以Matlab/Simulink仿真软件对课程中重点内容进行仿真时的可行性和需要注意的问题进行了阐述。

光伏发电技术；计算机仿真；Matlab/Simulink

光伏发电技术是新能源科学与工程专业（光伏技术方向）一门重要的专业核心课程。该课程的内容以一个完整的、面向实际应用的光伏发电系统的构成为组织依据。光伏发电系统是一个利用光伏电池发电并将所发电能加以应用的系统，在一个光伏发电系统中，可发电的光伏电池是电能的源头，负载或电网是电能的终点，电能控制与变换器件（直流变换器件、逆变器件）、储能装置是必要的中间环节。所以光伏发电技术课程的内容就是与上述的器件与装置的工作原理、技术规范等方面相对应，包含着较多的电能变换原理、电路系统控制等方面的内容。

一、仿真方法在光伏发电技术课程教学中的意义

所谓仿真就是利用专门的计算机软件构建一个模型来代表一个物理系统，并对这个物理系统的运行或工作过程进行模拟，进而获得物理系统的诸多属性参数及其变化过程的一种方法。随着计算机技术的发展，仿真方法在大学课程教学中也变得不可或缺，成为了一个重要的教学方法和教学内容组成部分。

光伏发电技术课程包含的内容较为广泛，其中存在着很多可以进行仿真演示及研究的内容，如光伏电池的输出特性受环境和负载的影响情况、电能变换过程及其控制等内容。在教学过程中，利用仿真的方法可以很直观、直接地将有关的物理过程和结果展示出来。仿真实施的条件较为简单，只需要有电脑和相关的软件即可，可以突破时间上、空间上、实验设施等条件的限制，能让教师很方便地进行展示和演示，更能让学生自由地进行练习和探究。

二、仿真方法在光伏发电技术课程中适用的范围

光伏发电技术课程中适用于仿真方法进行教学和学习的内容主要可以分为这些部分：光伏电池模型的建构及其输出特性的仿真、电能变换电路的仿真、光伏电池输出最大功率点跟踪的仿真、蓄电池充放电控制电路的仿真、光伏发电系统并网的仿真等部分。适用于光伏发电技术课程内容仿真的软件也很多，如Matlab/Simulink、Psim、Pspice等。下面我们以Matlab/Simulink软件为基础对光伏发电技术课程中适合于仿真学习与研究的内容部分进行具体叙述。

（一）光伏电池模型的建构及其输出特性的仿真

光伏电池模型具体的建立过程及使用方式可以参阅参考文献［1］，可靠实用的光伏电池仿真模型必须能够科学准确地表征出光伏电池的输出特性曲线（伏安关系曲线），也要能够较为完整地表征出一些重要参数（如光照强度、环境温度）对光伏电池输出特性的影响。目前光伏电池的物理特性已经被研究得非常彻底，相关物理量的数学关系已经具有精确明晰的表达式，依据这些数学表达式就可以利用Matlab/Simulink提供的工具建立起可以表征光伏电池输出特性关系的仿真模型。尽管这样建立的模型忽略了光伏电池工作的具体过程，但是所涉及的物理量之间的数量关系被精确地依照与采用，这样光伏电池的模型可以被当作一个“黑箱”，能够反映出光伏电池的外部特性就可以很好地代表光伏电池。这是在仿真研究中广泛采用的一种方法。

（二）电能变换电路的仿真

光伏电池所发的电为直流电，且电压值的稳定性较差。为了能够满足直接给直流负载供电、供蓄电池充电、为交流负载供电或并入电网等用途的需要，将光伏电池所发直流电进行一定的电能变换（直流-直流变换、直流-交流逆变）是必不可少的操作。因而电能变换电路也就成为了光伏发电技术课程中一部分重要内容。这一部分内容也非常适合利用Matlab/Simulink进行仿真。

电能变换电路分为直流-直流变换和直流-交流逆变两大类，光伏发电技术中常见的电能变换电路有Buck电路、Boost电路、推挽式电路、单相桥式逆变电路、三相桥式逆变电路等。这些电路都是由开关器件、电感、电容、二极管、电阻等器件组成。Matlab/Simulink软件中有一个“SimPower System”模块库，其中有一个“Power electronics”子模块库，这个子模块库就包含了电能变换电路所需器件的仿真模块。在仿真时可以从这个子模块库中选择需要的器件模块，再结合一些辅助的信号源、测量、显示等模块，再适当地设定有关的器件参数和仿真参数后就可以对电能变换电路进行仿真了，并能对变换电路的一些输出参数（如Buck电路的输出电压等）进行观察和记录，进而可以对变换电路进行详细地调试和探究。

（三）光伏电池输出最大功率点跟踪的仿真

光伏电池的输出功率会由于环境和负载等因素的变化而发生变化，为了提高能量的利用率，使光伏电池在不同的工作条件下都能具有最佳的光电转换效率，使光伏电池在不同的工作条件下都能输出尽可能最大的功率，必须在光伏发电系统中采用最大功率点跟踪技术。所以光伏电池输出最大功率点跟踪技术就成为了光伏发电技术课程内容中一个重要组成部分。

最大功率点跟踪的方法因原理的不同而有很多种，比较常用的最大功率点跟踪方法有恒定电压法、扰动观察法、电导增量法等。这些不同的最大功率点跟踪方法的实际实施过程却是相似的，都是通过对电能变换电路中开关器件控制脉冲占空比的调节来实现最大功率点的跟踪。上文已经叙述过电能变换电路可以很容易地利用Matlab/Simulink进行建模和仿真，而开关器件的控制脉冲也可以利用Matlab/Simulink所具有的模块构建出脉冲信号发生器模型而实现，并且构建出的脉冲信号发生器的占空比可以依据一些输入量而自动调节。所以Matlab/Simulink可以为光伏电池输出最大功率点的跟踪提供完备的仿真条件。具体的仿真实现方法可以参阅参考文献［2］。

（四）蓄电池充放电控制电路的仿真

在离网型光伏发电系统中，为了满足负载在夜晚或阴雨天的正常工作，蓄电池是一个必备的装置，蓄电池的充放电过程的有效控制就是该类型系统顺利工作的一个必要条件。通常蓄电池的充放电控制电路都是由基本的直流-直流变换电路加上信号检测电路与控制器件构成，充放电控制的策略也基本上是依据相关的电流电压参数的取值情况来对电路中开关器件的控制脉冲进行调节。这里涉及的信号检测电路主要由一些电流电压的传感器构成，这些传感器在Matlab/Simulink中也有相应的模块，充放电控制的策略也可以很容易地进行仿真实现。

三、仿真方法教学实施过程中需要注意的问题

为了让仿真方法在光伏发电技术课程的教学过程中运用得更为顺利和有效，下面几个问题需要特别注意。1.对学生进行必要的Matlab/Simulink软件使用基础培训，让他们形成严格、细致地按照软件的语法规则进行模块构建的习惯。2.指导学生进行仿真练习初期多进行演示示范，同时鼓励学生之间的交流讨论，以提高学习的效率。3.仿真时注意数学模型与物理模型之间的差异，注意由数学模型向物理模型转换的意义和方式。4.仿真过程中注意区分理想情况与实际情况的差别，为了让仿真的结果准确稳定，必要时须在仿真模型中添加一些实际电路中未必包含的辅助器件。5.仿真的使用注意与实验相结合，积极利用仿真为一些复杂的实验或系统设计进行先导性的探索，以积累数据少走弯路，提高实验和设计的效率。

［1］隋岗.小型独立光伏发电系统的分析与设计［D］.青岛大学，2009.

［2］王立乔，孙孝峰.分布式发电系统中的光伏发电技术（第2版）［M］.机械工业出版社，2014.

［3］林飞，杜欣.电力电子应用技术的Matlab仿真［M］.中国电力出版社，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

江苏高校品牌专业建设工程资助项目（TAPP，项目编号：PPZY2015B129）；常州工学院课程建设项目资助（No：A3-4401-14-031，A3-4403-15-010，A1-4400-16-022）

肖进（1982，03-），男，汉族，安徽芜湖，博士，讲师，新能源科学与工程方向。