基于MATLAB仿真的太陽能發(fā)電系統(tǒng)課程設(shè)計案例研究

摘要：由于電力電子技術(shù)的不斷進步和日益增長的需求，電力電子教學(xué)需進行相應(yīng)的改進，這涉及到教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的改革。在探索教學(xué)創(chuàng)新過程中，提出基于MATLAB仿真平臺的電力電子技術(shù)中太陽能發(fā)電系統(tǒng)課程設(shè)計，該系統(tǒng)由太陽能電池板、升壓轉(zhuǎn)換器和MPPT控制器組成。系統(tǒng)具有簡潔性和實用性，幫助學(xué)生在短時間內(nèi)最大可能地了解太陽能發(fā)電系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)教學(xué)方法中理論與實踐聯(lián)系不緊密的缺點，提高了教學(xué)效果，增強對學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；太陽能發(fā)電；MPPT；MATLAB仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0013-02

對能源危機和環(huán)境的日益關(guān)注，使用可再生能源發(fā)電得到理論研究人員和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注和深入探討。在可再生能源系統(tǒng)中一個重要的議題是太陽能能源系統(tǒng)。而太陽能發(fā)電系統(tǒng)與電力電子課程有著緊密的關(guān)聯(lián)，因此在“電力電子技術(shù)”教學(xué)創(chuàng)新過程中可以把太陽能發(fā)電系統(tǒng)放置在電力電子學(xué)的應(yīng)用介紹中，這使課堂理論教學(xué)與社會發(fā)展和社會熱點更加契合，也能使電力電子學(xué)更有吸引力。

普通的教學(xué)方法通常采用純理論方式，其缺點是：在大學(xué)生電力電子的課程中，學(xué)生對于實驗中突然出現(xiàn)的現(xiàn)象和對系統(tǒng)元件的探索缺少關(guān)注，很難達到良好的教學(xué)效果和知識傳授。而太陽能控制系統(tǒng)的課程設(shè)計具有較強的實踐性，實驗環(huán)節(jié)尤為重要，由于受到實驗設(shè)備、實驗人員和實驗條件等的限制，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)很難開展，但是軟件仿真虛擬實驗則沒有這方面的限制。因此，本文提出了基于MATLAB/ SIMULINK仿真軟件對太陽能發(fā)電系統(tǒng)進行仿真研究，包括MPPT算法和變流器的拓撲設(shè)計，幫助學(xué)生加深對電力電子基礎(chǔ)理論和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計知識的理解，填補基礎(chǔ)理論教學(xué)與實際應(yīng)用之間的斷帶，掌握利用仿真技術(shù)進行輔助分析與設(shè)計的技能。

一、太陽能發(fā)電系統(tǒng)

電力電子電路主要包括四大類：整流電路（AC-DC變換）、斬波電路（DC-DC變換）、逆變電路（DC-AC變換）、交流電力控制及交交變頻電路（AC-AC變換）。與太陽能發(fā)電系統(tǒng)密切相關(guān)的為斬波電路和逆變電路。本文介紹的太陽能發(fā)電系統(tǒng)運行在離網(wǎng)模式，主要變流器為DC-DC變換，所以本文著重介紹斬波電路。在教學(xué)設(shè)計上，學(xué)生初次接觸電力電子應(yīng)用實例，實際的感觀并不多，對太陽能發(fā)電系統(tǒng)各個模塊理解有些困難，因此本文提出了一種精簡的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，從而達到電力電子技術(shù)教學(xué)的目的。太陽能發(fā)電系統(tǒng)的拓撲如圖1所示。[1]它由光伏電池板、升壓斬波電路、MPPT控制器和負載組成，下面詳細介紹各部分的作用。

太陽能電池是太陽能發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器件。其原理是光生伏打效應(yīng)，當(dāng)太陽光照射到太陽能電池上時，電池吸收光能，產(chǎn)生光電子-空穴對。在電池內(nèi)電場的作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓”，若在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負載，則負載就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。[2]

太陽能電池后級一般采用Boost電路進行DC/DC變換。[3]由于在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能電池的輸出功率受多種因素影響，如太陽光照強度、環(huán)境溫度。在不同的環(huán)境下，太陽能電池的輸出曲線是不同的，相應(yīng)的最大功率點也不同。日照越強，太陽能電池能夠輸出的功率越大；本身溫度越高，其輸出功率越小。在特定的日照強度和溫度條件下，太陽能電池具有唯一的最大功率輸出點（MPP），也只有工作在最大功率點才輸出最大功率。

根據(jù)太陽能電池特性，有以下幾種最大功率點跟蹤方法：CVT法；基于擾動的自尋優(yōu)控制算法，主要有擾動觀察法、電導(dǎo)增量法等；基于優(yōu)化模型的控制算法，主要有短路電流檢測法、開路電壓檢測法、電流掃描法等；基于人工智能的處理算法，主要有模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等；負載電流/電壓最大法。擾動觀察法是目前研究最廣也是應(yīng)用較為普遍的控制算法之一。其原理是每隔一段時間對太陽能陣列的工作點實施擾動，然后測量其功率變化，與擾動之前的功率值相比較，若功率值增加，則表示擾動方法正確，可朝同一方向擾動；若擾動后的功率值小于擾動前，則往相反的方向擾動。由于擾動觀察法結(jié)構(gòu)簡單，跟蹤算法簡單，容易實現(xiàn)，容易被接受和理解，所以采用擾動法進行最大功率點跟蹤。

二、仿真實例

為了構(gòu)建與實際相符合的教學(xué)場景，引入仿真軟件MATLAB/

SIMULINK，利用 MATLAB/ SIMLINK軟件構(gòu)建電力電子電路進行仿真演示，電力電子變換與控制領(lǐng)域的典型開關(guān)電路均可建立仿真模型，通過對模型的仿真，可直觀展示各種參數(shù)變化對電路波形的影響以及數(shù)值計算，可以為教學(xué)現(xiàn)場營造一種真實的電力電子電路工作場景，能夠有效地彌補傳統(tǒng)教學(xué)方式的不便和不足，學(xué)生能夠全面準確理解教學(xué)內(nèi)容。同時，在電路仿真時，可以模擬各種電力電子器件故障，如開路、短路等，能夠清晰地展示各種電力電子電路的工作過程，使學(xué)生能夠直觀、全面地掌握課程學(xué)習(xí)內(nèi)容，同時將學(xué)習(xí)活動情境化、趣味化，大大加深了學(xué)生對所學(xué)知識的理解，使學(xué)生能夠?qū)㈦[性的理論知識轉(zhuǎn)化為顯性的技能。[4]因此，將MATLAB仿真軟件引入太陽能發(fā)電系統(tǒng)課程設(shè)計的教學(xué)，可以充分利用MATLAB的強大運算與圖形化功能，提高課程教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效果。

1.太陽能電池內(nèi)部特性MATLAB仿真

太陽能電池的I-V特性隨光照和電池表面溫度的變化而變化。單個太陽能電池的輸出伏安特性表達式為：

（1）

式中：I——太陽能電池輸出電流；U——太陽能電池輸出電壓；Iph——光生電流；I0——二極管反相飽和電流；K——玻爾茲曼常數(shù)（K=1.38×10-23J/K）；q——電子的電荷量（q=1.6× 1019C）；n——二極管特性因子；RS——太陽能電池的串聯(lián)電阻；Rsh——太陽能電池的并聯(lián)電阻。

根據(jù)太陽能電池內(nèi)部特性，結(jié)合式（1）在MATLAB/ SIMULINK仿真實驗平臺中建立太陽能電池內(nèi)部特性仿真模型，如圖2所示，對太陽能電池的輸出特性進行實驗研究。本案例初步設(shè)置光照強度Sref為400W/m2，溫度Tref為25℃，電池開路電壓UOC為66V，峰值電壓Um為54.2V，短路電流ISC為25.44A，峰值電流Im為23.25A。

2.占空比擾動法的MATLAB仿真研究

干擾觀測法算法簡單且易于硬件實現(xiàn)，所以被廣泛地應(yīng)用。經(jīng)典干擾控制法步長不易確定，如果步長大可以較快跟蹤到最大功率，但在最大功率附近振動較大。如果步長較小，雖然在最大功率點附近振蕩較小，但跟蹤的速度又太慢。在本案例中，采用PWM信號占空比D作為控制變量，相對于干擾觀測法，占空比擾動法由于直接把占空比作為控制變量，只需要控制一個參數(shù)，從而使控制器簡單化。[5]圖3為MPPT模塊的MATLAB仿真模型。

3.太陽能發(fā)電系統(tǒng)MATLAB仿真模型

在建立太陽能電池內(nèi)部特性模型及MPPT模塊模型后，在SIMULINK中建立太陽能發(fā)電系統(tǒng)整體仿真模型，該模型采用光照強度S和溫度T作為輸入，以流過負載的電流I和負載兩端的電壓U作為輸出來進行仿真。將電路元器件模塊按太陽能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖連接起來組成仿真電路，如圖4所示，主要由太陽能電池板模型、升壓斬波電路、MPPT模塊、負載（500Ω電阻）組成。

4.仿真結(jié)果分析

太陽能電池板輸出電壓（左）、電流（右）波形如圖5所示，圖6左右分別為負載電壓和電流波形。由仿真結(jié)果可以看出，給定參數(shù)的太陽能電池在光照強度Sref為400W/m2，溫度Tref為25℃條件下，輸出電壓為78V，輸出電流為9.7A，負載電壓為550V，電流約為1.1A。由圖5、圖6可見，電池輸出電壓、電流在1s前已達穩(wěn)定，說明Boost電路實現(xiàn)太陽能發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤是可行的。此仿真模型和仿真結(jié)果有利于本科生學(xué)習(xí)太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)和理解相關(guān)電力電子技術(shù)。

三、結(jié)論

以太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)為案例，基于MATLAB仿真平臺設(shè)計的“電力電子技術(shù)”教學(xué)模式，不僅在教學(xué)方式上進行整改，并且在教學(xué)內(nèi)容上也進行了改革創(chuàng)新，形成理論與實踐并進，理論與仿真相結(jié)合的教學(xué)新思路和新模式。一方面改善了教育質(zhì)量，提高了學(xué)生對課堂學(xué)習(xí)的興趣，另一方面向?qū)W生介紹了新能源，增強“電力電子技術(shù)”吸引力的同時使學(xué)生擁有更多的實踐經(jīng)驗，幫助學(xué)生加深對電力電子基礎(chǔ)理論和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計知識的理解，掌握利用仿真技術(shù)進行輔助分析與設(shè)計的技能。

參考文獻：

[1]P.Bauer，W.Kolar.Teaching Power Electronics in the 21st Century[J].EPE Journal，2003，13（4）：43-50.

[2]汪義旺.MATLAB仿真在光伏發(fā)電技術(shù)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2011，28（7）：177-179.

[3]李京，胡仁杰.光伏電池在Boost電路中的最大功率跟蹤[J].電氣技術(shù)，2013，（4）：21-24.

[4]李鵬飛，葉文.MATLAB仿真軟件在“電力電子技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2010，（13）：85-87.

[5]蔡曉峰，張鴻博.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤的占空比擾動法仿真研究[J].華電技術(shù)，2009，31（9）：19-23.

（責(zé)任編輯：王意琴）