遮荫条件下光伏发电仿真实验设计

肖文波, 王 庆, 颜 超

(南昌航空大学 国家级大学物理实验教学示范中心，江西 南昌 330063)



遮荫条件下光伏发电仿真实验设计

肖文波, 王 庆, 颜 超

(南昌航空大学 国家级大学物理实验教学示范中心，江西 南昌 330063)

将Matlab/Simulink仿真软件平台引入光伏发电实验, 可解决目前相关课程缺乏丰富实验条件的问题。结合遮荫条件下光伏发电的具体仿真教学实例,探索与总结出了该类实验的注意事项。结果证明该实验教学效果良好,为光伏发电技术等相关课程的实验教学提供了一种新的途径及方法。

实验教学; 遮荫条件下光伏发电; 仿真实验; Matlab/Simulink

0 引 言

随着石油、天然气、煤等不可再生能源日益减少, 光伏产业得到了快速发展[1]。因此,对产业人才也有大量的需求。为了适应这种趋势,许多高校开设了相关课程及实验。但是光伏发电技术属于新课程,受到实验设备、实验人员和实验条件等的限制, 传统的实验教学很难开展[2];且光伏发电本身不仅受到温度、光强等因素的影响,而且也易受到自然物体和人造物体遮荫的影响[3],相关教学实验难以完成所有内容。随着Matlab 语言和Simulink 仿真环境在教学中日益广泛的应用,国内外很多高校在教学与研究中都将它们作为首选的工具[4-5]。仿真虚拟实验不仅避免了上述实验条件等限制, 而且使学生在学习理论知识的同时加深对知识点的理解与掌握, 因此开发与开展光伏发电课程的虚拟实验教学显得极其重要[6-8]。这不仅提高了实验教学质量,更可以改进课程教学效果。

为此,结合遮荫条件下光伏电池等效电路原理[9-10]以及Matlab/Simulink语言[11-12],阐述如何通过软件仿真实现遮荫条件下光伏组件发电特性,并指出以上过程中培养学生动手能力和创新意识的注意事项,为光伏发电技术等相关课程实验教学提供了一种新的途径及方法。结果证明该实验教学效果良好,不仅可充分利用计算机强大的仿真运算功能,而且可利用图形化功能形象显现教学内容并强化知识点。

1 遮荫条件下光伏组件仿真模型、过程及结果

1.1 遮荫条件下光伏组件仿真模型

光伏组件是利用性能接近的单体光伏电池串联构成;单体光伏电池基本结构可以看成由恒流源、二极管、并联电阻和串联电阻组成。为了防止雪崩击穿和热斑效应,在实际使用串联光伏电池时都会并联一个旁路二极管[13]。图1所示为两块电池串联构成的组件对外供电的电路模型;图中Iph1(Iph2),n1(n2),I01(I02),Rsh1(Rsh2),Rs1(Rs2)分别是光伏电池1(光伏电池2)的光生电流,理想因子,二极管反向饱和电流,并联电阻以及串联电阻。每一个电池的参数认为是一致的。在均匀光照强度下,它们处于相同的工作电流,旁路二极管1和2处于阻断状态,功率输出维持单峰值。但在非均匀光照强度下,就会出现双峰值情况。若第1块电池的光生电流小于第2块电池,旁路二极管1就有会导通;此时相当于仅有电池2对外输出电量。当电池2的输出电流等于电池1产生的电流时,电池1的旁路二极管两端开始形成反向偏压,即旁路二极管1开始处于阻断状态[14];此时电池1与2共同对外输出电量。

图1 带有旁路二极管的两块光伏电池串联示意图

基于光生电流远大于二极管反向饱和电流、并联电阻为无穷大以及二极管反向饱和电流与光强无关的假设条件[15],可以获得两个旁路二极管处于阻断状态下,电池1和2共同正常对外输出的功率为：

(1)

式中:I与U分别为组件输出电流与电压;Isc1、Uoc1、Im1、Um1、Isc2、Uoc2、Im2、Um2分别是电池1与2在光照下的短路电流、开路电压、最大功率点电流与电压。它们可以根据外界的温度与光强计算出来[15]。

当旁路二极管1导通,仅有电池2正常对外输出时的功率为：

(2)

由上述可知,可以由电池1与2所处的不同温度与光照条件,模拟出遮荫情况下的光伏组件输出I-U和P-U曲线。

1.2 仿真过程

利用BP公司生产的UP-M180M-B光伏电池作为仿真对象[16],将2个光伏电池串联,并在每个电池旁边并联一个旁路二极管。在Simunlink中,利用Fcn模块编写程序并封装。仿真结构如图2所示。其中,光伏电池1与2的计算可以包括外界的温度与光强变化。PV与PV1是分别根据上式(1)与(2)封装好的计算模块。

图2 仿真结构图

1.3 仿真结果

在温度为25 ℃,光伏电池1光强为1 000 W/m2,光伏电池2的光强分别为1 000、800、600、400和200 W/m2条件下,光伏组件输出I-U曲线,如图3所示。从图中可以看出,在不均匀光照条件下,组件输出I-U曲线呈现出阶梯形状,而不是典型的低电压直线,高电压线性下降现象[17-18]。

以上对应的组件输出P-U曲线见图4。可以明显看出,当两块电池的光照强度不同时,P-U曲线有两个峰值功率输出,如图中箭头所示。且发现当电池2的光强下降的时候,第2个峰值也明显下降,而第1个峰值却几乎没有改变;所以第1个峰值是由电池1输出性能决定;而第2个峰值受电池2上光强决定。

图3 光伏组件输出I-U曲线

图4 光伏组件输出P-U曲线

2 仿真教学注意事项

尽管仿真实验不是真的,但学生可以在有限的时间内任意修改并重复,且可以加深和巩固对光伏发电基本特性和基本参数的理解,充实实验教学内容。上面内容的仿真,需要注意的事项包括:

(1) 原理性方面,遮荫条件下光伏发电模型与正常情况下的电池模型不一样;需要理论性指导学生将半导体专业知识、电路知识等结合起来,理解遮荫情况下电池输出功率的多峰值问题。

(2) 教学手段上面,应该强调Matlab/Simulink中Fcn模块编写程序的技巧。帮助学生熟记Simulink中的模块,并教会学生如何建立新的仿真模块。

(3) 在选择教学模式时,应选择任务驱动的教学模式,充分调动学生学习的积极性,使学生真正参与到教学活动中。当学生人数较多时,要充分考虑学生的现有知识和能力水平,让每组中均有不同水平的学生,这样有利于协同学习。

(4) 在教学评价方面,不仅要关注学生仿真结果的正确性,更要关注学生学习过程的评价;分析学生对原理的理解性以及动手能力的差别,为改进教学设计提供依据。

3 结 语

将Matlab/Simulink仿真平台引入实验教学, 加深了学生对光伏发电技术相关理论的理解与把握, 增强了工程意识, 改善了教学效果和提高了教学质量; 同时也解决了长期以来光伏发电技术缺少相对丰富的实验教学状况,对光伏发电技术的仿真实验是一种创新与有益的尝试, 也为光伏发电技术等相关课程的实验教学提供了一种新的途径及方法。学生反映良好,增加了学生对实验的好奇心,激发了学生的学习兴趣,收到了良好的教学效果。

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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

江西省发明专利产业化技术示范基金(20143BBM26116)、江西省教育厅科技项目(2015NCHU10)、高等学校计算物理课程教学研究项目(JZW-15-JW-02); 南昌航空大学教改课题(JY1460)资助

肖文波(1975-),男,博士,副教授,主要从事大学物理教学工作以及半导体光电检测研究工作。

E-mail:xiaowenbo1570@163.com

G 642.0

A

1006-7167(2016)09-0105-03