基于LabVIEW的虚拟光伏实验系统设计

李志军， 刘　爽， 张轩涛， 秦晓雪， 刘汉征

(河北工业大学 控制科学与工程学院， 天津　300130)



基于LabVIEW的虚拟光伏实验系统设计

李志军， 刘爽， 张轩涛， 秦晓雪， 刘汉征

(河北工业大学 控制科学与工程学院， 天津300130)

基于LabVIEW软件技术，利用光伏电池的特性及其数学模型，构建了虚拟光伏实验系统，设计并实现了光伏电池特性、光伏发电过程、虚拟MPPT等多种教学环节演示实验。虚拟光伏实验系统使用方便、可靠，实验界面形象、友好。由于不受硬件条件限制，可以安全、经济地进行各项实验教学和科研工作。

光伏实验系统；LabVIEW； 虚拟实验； 最大功率点跟踪

光伏电池是一种非线性电源，其输出特性是随外部环境的变化而变化的。为了高效利用太阳能，对光伏电池特性及其发电过程、最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking，MPPT)等技术的实验研究是非常重要的。基于LabVIEW的虚拟实验是对传统实验的有益补充，可以安全、可靠地完成建模和实验，弥补了实验室硬件的不足[1-2]。

LabVIEW以G语言为基础,采用图形化编程语言，操作简便、功能强大，并提供了直观的用户编程界面及用于显示仿真结果的前面板。本文基于LabVIEW软件技术，利用光伏电池特性及其数学模型，构建了基于LabVIEW的虚拟光伏实验教学系统，设计并实现了光伏电池特性实验、虚拟MPPT实验等多种教学环节演示实验过程。

1　太阳能发电及其虚拟实验系统

太阳能是通过光伏电池的光电效应转换为电能的，然而由于光伏电池的非线性特性，其输出会跟随外部环境的改变而改变[3]。光伏电池组件会在某个特定的工作点达到最大输出功率，即最大功率点(maximumpowerpoint，MPP)。MPPT本质上就是一个自动寻优的过程，通过改变光伏板的输出侧电压，使光伏电池可以在不同的温度及太阳光辐射照度下的输出功率总是趋近于光伏电池输出的最大功率[4-5]。

基于LabVIEW的虚拟光伏实验系统，通过光伏(photovoltaic，PV)电池的数学模型构建了光伏电池的LabVIEW虚拟模型，并通过参数修改及MPPT算法分别实现了光伏电池特性、光伏MPPT等多个实验教学环节，可进行直观的验证和演示。学生通过改变光伏电池的环境参数，可以在LabVIEW前面板上观察到光伏特性及MPPT的变化，并加深对光伏电池特性的了解。

2　虚拟光伏实验系统设计

2.1光伏电池的数学模型

光伏电池的输出特性受温度和太阳光辐射照度的影响[6]，它是一种非线性的能量转换装置，在标准光辐射照度Sref=1 000W/m2和电池温度Tref=25 ℃下的PV数学模型[7]如式(l)。

(1)

其中：

(2)

(3)

式(1)中的Isc、Voc分别是光伏电池的短路电流和开路电压，式(2)和式(3)中的Im、Vm分别是光伏电池最大功率工作点处的电流和电压。此模型只需要输入光伏电池的技术参数Voc、Isc、Vm、Im，就可以根据上述公式得到标准光辐射照度和环境温度下光伏电池的输出特性曲线。光伏组件的V-I特性曲线直接受太阳光辐射照度和电池温度的影响，由在标准光辐射强度Sref=1 000W/m2和电池温度Tref=25℃下的V-I曲线上任意点的移动规律，可得到在不同的辐射照度和电池温度下的V-I特性曲线上任一点的输出电压V′和输出电流I′为：

(4)

(5)

式中的T为电池温度，Tref为标准温度值，S为当前环境下辐射照度、Sref为标准辐射照度，Rs为等效串联负载值，α、β分别为标准辐射照度下的电流和电压温度系数。

2.2基于LabVIEW的光伏建模

根据光伏电池的数学模型，在LabVIEW中对光伏电池进行虚拟建模，其中选择型号为KD210GH-2PU的单晶硅光伏电池作为参考，其主要参数设置为：Voc=33.2V，Isc=8.58A，Vm=26.6V，Im=7.9A，每1 000W/m2可以产生的功率为210W，等效串联电阻Rs=0.5Ω，电流温度系数α=6.24mA/℃，电压温度系数β=0.221V/℃[8]。虚拟光伏建模程序如图1所示。

图1　虚拟光伏的LabVIEW程序图

2.3基于LabVIEW的MPPT算法的设计

在不同太阳光辐射照度和电池温度下，光伏电池只有在特定的工作点才能达到输出功率最大值Pm[9]。为了最大限度地利用光伏电池转化出来的电能，光伏电池与负载之间需要一个最大功率点跟踪匹配网络来实现输出功率的最大化。这实际上就是一个阻抗匹配的过程，功率匹配网络通常采用开关模式的DC/DC功率转换器[10]。本文采用扰动观察法对虚拟光伏的输出电压进行扰动以实现最大功率的跟踪，并设计实现了基于LabVIEW的虚拟光伏MPPT实验。

扰动观察法的程序设计思路是通过给虚拟光伏的输出电压施加一个定步长的扰动，并依据上一次电压扰动后虚拟光伏输出功率的增减确定下一次扰动的方向。假设扰动为正，如果虚拟光伏的输出功率增大即证明光伏电池工作在最大功率点左侧，应进一步施加正扰动；反之，要进行相反方向扰动，以此方法逐渐逼近MPP[11]。其LabVIEW程序设计流程图2所示。

2.4基于虚拟光伏的MPPT设计实现

由式(1)、式(4)和式(5)可知，光伏电池任意时刻的输出电流为输出电压的函数，为了搭建虚拟光伏MPPT实验系统，要将虚拟光伏的输出电压通过函数选板的反馈节点回馈给虚拟光伏模型的输入端。

首先，将虚拟光伏的输出电压U(k)、输出功率P(k)通过LabVIEW的反馈节点与前一次的电压U(k-1)、功率P(k-1)分别做差，进而利用两个嵌套的条件结构实现对虚拟光伏的MPPT；其次，利用反馈节点将经过扰动的光伏输出电压分别反馈给条件结构和虚拟光伏的输入。该模型可以在LabVIEW前面板输入控件中改变虚拟电池参数，如光辐射照度及电池温度等，得到相应条件下虚拟光伏的最大输出功率，并将计算结果及跟踪波形显示在前面板。在图1虚拟光伏电池仿真模型的基础上，利用扰动观察法原理在LabVIEW程序面板中建立的虚拟光伏MPPT实验的程序如图3所示。

图2　虚拟MPPT的LabVIEW流程图

图3　虚拟光伏MPPT实验的程序面板

2.5人机交互界面

LabVIEW虚拟实验系统可以实现对光伏电池特性、虚拟光伏MPPT等实验的设计验证。学生可通过输入账号、密码，自行登录进入实验系统主界面[12]并选择实验项目。实验系统采用模块化设计思路。首先，采用事件结构对各实验进行选择；其次，在条件结构内选择相应实验的VI程序，实现实验项目的相互独立。根据实验目的选择实验项目，分别点击实验按钮进入相应程序。

3　虚拟仿真实验及结果

虚拟仿真实验选择型号为KD210GH-2PU的单晶硅光伏电池作为参考，其主要参数如下：

Voc=33.2V，Isc=8.58A，Vm=26.5V，Im=7.9A，每1 000W/m2可以产生的功率为210W，等效串联电阻Rs=0.5Ω，电流温度系数α=6.24mA/℃，电压温度系数β=0.221V/℃[7]。

LabVIEW虚拟光伏特性实验前面板显示界面如图4所示。通过在前面板输入控件中改变光伏电池的特性参数以及辐射照度和温度等，便可获得相应参数下的光伏电池的输出V-I特性曲线和P-V特性曲线。其中，红色曲线为标准太阳光辐射照度Sref=1 000W/m2、光伏电池温度Tref=25℃下的光伏特性曲线，此时最大功率209.531W；白色曲线是太阳光辐射照度为1 000W/m2、光伏电池温度在35℃下的光伏特性曲线，最大功率为194.123W；绿色曲线是太阳光辐射照度800W/m2、光伏电池温度在25℃下的光伏特性曲线，最大功率为159.277W。根据不同参数下虚拟光伏的V-I特性曲线和P-V特性曲线的变化可知，太阳光辐射照度和温度的变化将直接影响到光伏电池的输出特性。

图4　虚拟光伏特性实验

图5　虚拟MPPT实验

为了验证虚拟MPPT实验系统对最大功率的跟踪情况，将太阳光辐射照度参数由较低的200W/m2逐渐增加到1 000W/m2，通过显示控件得到不同辐射照度下MPPT功率值，并将其分别与对应光照下的虚拟光伏最大功率值进行比较，观察系统对最大输出功率的跟踪，其比较情况见表1。由表1比较可知，此LabVIEW虚拟MPPT实验可以比较理想地达到对光伏电池模型的最大功率跟踪，证明了虚拟光伏MPPT实验的准确性。

表1　不同辐射照度下MPPT比较

4　结语

本文基于LabVIEW软件技术，利用光伏电池的特性及其数学模型构建了虚拟光伏实验系统。由虚拟仿真实验结果可以看出，基于LabVIEW的虚拟光伏实验系统可以虚拟演示光伏发电过程，学生可以直观、形象地观察到环境参数变化对光伏特性的影响，方便、简捷地实现MPPT算法的设计验证。设计的LabVIEW虚拟光伏实验系统不存在电路损耗的影响，其结果将更加精确，同时解决了购买光伏组件的经费问题，可以安全、经济地实现各项实验教学和科研工作。

References)

[1] 薛家祥，钟良文，张思章，等.光伏系统中扰动观察法的控制方法研究[J].电气传动，2013，43(3)：40-44.

[2] 黄会.基于LabVIEW的过程控制虚拟实验系统的研究与设计[D].天津：天津理工大学，2007.

[3] 韩琪.基于虚拟仪器的数据采集和分析系统研究与设计[D].北京：北京交通大学，2012.

[4] 王雪婷.光伏发电系统变流器的研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[5] 吴小进，魏学业，于蓉蓉，等.复杂光照环境下光伏阵列输出特性研究[J].中国电机工程学报，2011，31(增刊1)：162-167.

[6] 张鑫.基于VRLA蓄电池储能的小型独立光伏发电系统的研究与设计[D].银川：宁夏大学，2014.

[7] 张厚生，赵艳雷.多项式拟合的光伏阵列模拟器研究与设计[J].电力自动化设备，2010，32(2)：109-113.

[8]JiangY，AbuQahouqJA.StudyandEvaluationofLoadCurrentBasedMPPTControlforPVSolarSystems[J].IEEEEnergyConversionCongress&Exposition，2011，5(22)：205-210.

[9] 郑颖楠，王俊平，张霞.基于动态等效阻抗匹配的光伏发电最大功率点跟踪控制[J].中国电机工程学报，2011，31(2)：111-118.

[10] 刘翼，荆龙，童亦斌.基于Simulink的光伏电池组件建模和MPPT仿真研究[J].科技导报，2010，28(18)：94-97.

[11] 宋亮，王晓东，刘雯，等.光伏电池MPPT扰动观察法的研究现状[J].半导体光学，2012，33(4)：455-462.

[12] 许丽川，唐凯飞，梁永春，等.基于LabVIEW的自助实验平台的构想与实践[J].实验技术与管理，2014,31(5)：150-155.

DesignofvirtualphotovoltaicexperimentalsystembasedonLabVIEW

LiZhijun，LiuShuang，ZhangXuantao，QinXiaoxue，LiuHanzheng

(SchoolofControlScienceandEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China)

TheexperimentalsystemofvirtualphotovoltaicwasbuiltbasedonvirtualLabVIEWsoftwaretechnology，byusingthecharacteristicsofphotovoltaiccellanditsmathematicalmodel,andthephotovoltaiccellcharacteristics，photovoltaicpowergenerationprocess，virtualphotovoltaicMPPTandotherteachinglinkstodemonstratetheprocessofexperimentweredesignedandimplemented.Thevirtualphotovoltaicexperimentalsystemisconvenientandreliable，andtheimageoftheexperimentalinterfaceisfriendly.Becauseitgetsridofthehardwarelimit，itissafeandeconomicaltorealizetheexperimentalteachingandscientificresearchwork.

photovoltaicexperimentalsystem；LabVIEW；virtualexperiment；MPPT

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.027

2015- 11- 27

河北省科技支撑计划项目“智能电网中的若干关键技术研究”(15212105D)

李志军(1964—)，男，河北石家庄，博士，教授级高级工程师，研究方向为绿色能源转换及控制技术.

E-mail：zhijun_li@263.net

TM615

A

1002-4956(2016)5- 0105- 04

虚拟仿真技术探索与实践