基于工程案例的光伏发电虚拟仿真实验教学平台

姜 萍, 石文胜, 田 静, 靳子建, 尤笑莹

(河北大学 电子信息工程学院, 河北 保定 071002)

为满足光伏发电产业迅猛发展对技术人才的需要,众高校相继开设了光伏发电相关课程。光伏发电作为一门实践性课程,实验教学环节尤为重要。但光伏发电系统的实验仪器设备成本高且多是封闭的,难以了解其内部结构和原理,仪器设备的台套数量也无法满足教学的需求[1-3]。此外,光伏发电效率受外界因素影响多,实际工程问题复杂[4-5],相关实验难以完成所有的实验教学内容。

仿真实验在光伏发电课程教学中发挥了重要作用。文献[6-7]探讨了光伏电池的建模以及MPPT算法的仿真教学等;文献[6,8]介绍光伏电池模型的搭建以及人机交互界面的初步设计。但是,已有平台存在的不足之处主要是交互性不够或者不完整。为此,笔者利用Matlab/GUI设计了具有良好人机交互界面的光伏发电虚拟仿真实验教学平台[9-10]。该设计突出鲜明的工程特点和模块化的设计理念,为光伏发电技术等相关课程实验教学提供了新的途径和方法,为培养具有工程应用和创新能力的光伏发电专业人才提供了有力支撑。

1 光伏发电虚拟仿真教学平台的架构及功能

1.1 平台架构

光伏发电系统架构如图1所示,主要由光伏电池阵列、DC/DC变换器、最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)控制器、逆变器、电网等组成。

图1 光伏发电系统架构

光伏电池完成光电转换,串并联后形成能够输出较大功率的光伏阵列;通过MPPT控制器完成电压的转换和最大功率点的跟踪;通过逆变器将直流电转变为交流电。

为便于学生进行实验,本光伏发电虚拟仿真实验教学平台分为独立实验和综合实验两大模块。独立实验模块包括太阳能辐照度计算模块、光伏阵列模块、斩波电路及MPPT模块、逆变器模块等;综合实验模块则针对实际工程案例模拟了光伏发电的工作流程。

(1) 太阳能辐照度计算模块。我国太阳能资源丰富,但地形复杂,太阳能辐照量的计算需要综合考虑地理位置、天文环境、季节与光照变化、光伏电池板安装倾角及照射角等因素,利用天空散射辐射各向异性模型和双参考气象站辐照量修正法计算太阳能辐照度。

(2) 光伏阵列模块。该平台可以进行光伏组件选型,所用阵列模型为5参数模型,通过光伏电池的数学模型建立大容量光伏阵列的数学模型。针对不同温度及不同日照强度,对光伏阵列的输出特性进行仿真。

(3) DC/DC变换电路及MPPT控制模块。DC/DC变换模块采用Boost升压电路或Bust降压电路,将光伏电池输出的直流电变为可以调节的直流电。光伏发电系统最大功率点跟踪控制器(MPPT)能够使光伏电池工作在最大功率点处,提高了光伏电池的转换效率。常用的MPPT算法有固定电压法、扰动观测法、电导增量法以及其他智能算法,本教学平台可以使用上述算法设计实验并进行效果验证[11]。

(4) 逆变器模块。逆变器的转换效率直接影响系统的发电量。逆变器的数学建模,在光伏阵列的仿真实验和性能模拟中起着至关重要的作用。常用建模方法有SANDIA逆变器建模法、Driesse逆变器建模法、逆变器性能输出曲线拟合法[12]。

1.2 光伏发电虚拟仿真教学平台实现功能

通过本教学平台,可以实现如下功能：

(1) 为相关专业学生提供设计型、综合型实验,弥补现有实验项目缺乏工程应用背景的不足;

(2) 满足相关专业的课程设计、综合实训,可提供相关课程设计题目,例如：基于天文气象信息的光伏功率预测计算、基于用户需求的光伏阵列容量设计、最大功率点跟踪控制系统仿真实验、阴影和失配下的光伏阵列输出特性实验等;

(3) 可以进一步进行开发,能满足毕业设计和科技创新活动等和其他自选课题的需求。

2 光伏发电虚拟仿真教学平台的设计

平台的设计是通过GUI创建的.fig文件、编程创建的.m文件以及搭建模型创建的.mdl文件三者彼此交互实现的,如图2所示。

图2 文件设计的交互图

首先,通过Matlab/Simulink搭建需要使用的模型,得到.mdl文件,如光伏阵列模型等;其次,使用GUIDE指令来设计需要的界面,得到.fig文件;最后,通过程序编译的.m文件,将.mdl文件与.fig文件建立关系,进行交互。

2.1 主界面设计

主界面设计包括导入界面和实验主界面。

在Matlab中输入GUIDE指令,新建界面,在界面中拖入对应模块,并对模块的回调函数.m文件进行编译以实现功能。

导入界面需要拖入2个Push Button按钮、1个Edit Text文本标签、1个Axes坐标轴。编辑按钮的回调函数Callback实现进入平台和退出平台的功能;文本标签用以对平台进行命名;坐标轴则插入对应图片。

实验主界面需要拖入6个按钮,编辑对应按钮的回调函数Callback,用以分别进入对应的独立实验界面、综合实验界面以及退出实验。

2.2 子界面设计

子界面设计包括仿真模型设计和实验界面设计,以光伏组件模块实验界面为例说明子界面设计过程。

2.2.1 仿真模型设计

在Matlab/Simulink中进行光伏组件的建模。本教学平台光伏组件建模选用五参数模型[13],其等效模型如图3所示。

图3 五参数等效模型

其中,Iph为光生电流;Id为反向饱和电流;Rsh为等效并联电阻;Rs为等效串联电阻;Rload为负载电阻。

光伏组件五参数模型的I-V特性方程为：

I=Iph-Id-Ish

(1)

(2)

(3)

(4)

上式中,I0表示等效二极管反向饱和电流,一般其数量级为10-4A;I表示光伏电池输出电流;U表示光伏电池输出电压;a表示曲线拟合因子,它主要与温度有关;n为P-N结理想因子,数值为1～2,通常取1.3;k为波尔兹曼常数,为1.38×10-23J/K;Tc为光伏电池绝对温度;q为电子电量,为1.6×10-19C。

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

图4 五参数仿真模型

2.2.2 实验界面设计

进行光伏组件界面设置,按照设计要求在GUI编辑界面中添加3个下拉式选单、2个按钮、2个编辑文本框、9个文本标签和2个坐标轴。下拉式选单用以选择所使用的光伏组件的厂商、型号、晶体类型等;“运行”按钮用以运行Simulink中搭建的光伏组件模型;编辑文本框用以输入控制参数,如环境温度、太阳辐照度等;文本标签用以输入对界面进行的注释;坐标轴用以画出对应的光伏组件I-V、P-V特性曲线。

最后,就是将搭建的光伏组件模型与设计好的界面进行数据传递,即通过编译回调函数Callback实现模型仿真结果在GUI界面上的显示,通过对回调函数的编译，在设计好的界面中改变控制参数,得到任意温度和光照条件下的光伏组件特性曲线图。

2.3 独立仿真实验

在主界面中点击基本信息模块按钮,输入实验所在地基本信息以及倾斜角等信息,则自动得到所在地经纬度、年均最高/低温度。

在主界面选择按钮中选择光伏组件模块按钮,则进入光伏组件选择界面,选择组件生产厂商、型号等信息,并在控制参数中输入对应时刻的外界温度、太阳辐照度,单击“运行”按钮,则描绘出该光伏组件在该温度和光照条件下的I-V特性曲线、P-V特性曲线。

在主界面中选择DC/DC变换器和MPPT模块,并在弹出的DC/DC变换器和MPPT界面中选取适当的变换电路以及MPPT算法,从而绘制出MPPT跟踪曲线。

在主界面中单击选择逆变器模块按钮,进入逆变器选择界面,在该界面选择逆变器生产厂商、型号、建模方法等,点击运行,即可得到逆变器拟合曲线。

3 工程案例仿真实验(综合性实验)

3.1 任务

已知我国河北省某光伏电站系统的基本情况为:装机容量50 MWp(Wp为太阳能电池的峰值功率),由224 000块型号为YL245P-29b(标准测试条件下的最大输出功率为245 W)多晶硅组成,阵列安装倾角为33°,固定支架朝正南方向放置。每20块245 Wp电池组件串联后作为一个组串单元接入汇流箱,每个汇流箱由16路组串并联汇流。每个1 MWp方阵设置14个汇流箱,全站设置汇流箱数量为14×50=700(个)。每1 MWp太阳能电池发电方阵通过对应的2台型号为GBL200-500/270-HE的500 kW逆变器(共100台)经1 000 kVA升压箱式变压器(共50台,其中双绕组变压器25台,双分裂变压器25台)升压后汇至场内5条35 kV集电线路(直埋),汇集至35 kV母线,经1台50 000 kVA主变升压至110 kV,通过徐郭Ⅲ线T接线191开关以单回线路T接并入电网。

3.2 建模

型号为YL245P-29b的光伏组件的基本信息如表1所示。

表1 YL245P-29b光伏组件基本信息表

在Matlab/Simulink中搭建五参数模型如图4所示。DC/DC变换电路选择Boost电路,MPPT算法使用扰动观察法,搭建模型如图5所示。

图5 DC/DC变换电路及MPPT模型

3.3 数据对比

选取该光伏电站的发电性能进行仿真值和实测值的比较,表2为2016年3月10日07：00—18:00该光伏电站的仿真输出功率和实测输出功率的数据。可看出模型仿真值与实际实测值吻合度很高。

表2 实测功率与仿真功率对比表

表2(续)

4 结语

将Matlab/GUI仿真实验引入光伏发电实验教学和采用实际工程案例数据,加深了学生对光伏发电理论的理解,增强了工程意识,提高了教学质量,也解决了光伏发电技术实验教学不足的状况,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。该仿真实验教学效果良好,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起到强化知识点的作用。