基于LabVIEW的虛擬光伏實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李志軍， 劉　爽， 張軒濤， 秦曉雪， 劉漢征

(河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院， 天津　300130)

?

基于LabVIEW的虛擬光伏實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李志軍， 劉爽， 張軒濤， 秦曉雪， 劉漢征

(河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院， 天津300130)

基于LabVIEW軟件技術(shù)，利用光伏電池的特性及其數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了虛擬光伏實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了光伏電池特性、光伏發(fā)電過(guò)程、虛擬MPPT等多種教學(xué)環(huán)節(jié)演示實(shí)驗(yàn)。虛擬光伏實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用方便、可靠，實(shí)驗(yàn)界面形象、友好。由于不受硬件條件限制，可以安全、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研工作。

光伏實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；LabVIEW； 虛擬實(shí)驗(yàn)； 最大功率點(diǎn)跟蹤

光伏電池是一種非線性電源，其輸出特性是隨外部環(huán)境的變化而變化的。為了高效利用太陽(yáng)能，對(duì)光伏電池特性及其發(fā)電過(guò)程、最大功率點(diǎn)跟蹤(maximumpowerpointtracking，MPPT)等技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究是非常重要的。基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充，可以安全、可靠地完成建模和實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室硬件的不足[1-2]。

LabVIEW以G語(yǔ)言為基礎(chǔ),采用圖形化編程語(yǔ)言，操作簡(jiǎn)便、功能強(qiáng)大，并提供了直觀的用戶編程界面及用于顯示仿真結(jié)果的前面板。本文基于LabVIEW軟件技術(shù)，利用光伏電池特性及其數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了基于LabVIEW的虛擬光伏實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了光伏電池特性實(shí)驗(yàn)、虛擬MPPT實(shí)驗(yàn)等多種教學(xué)環(huán)節(jié)演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

1　太陽(yáng)能發(fā)電及其虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

太陽(yáng)能是通過(guò)光伏電池的光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能的，然而由于光伏電池的非線性特性，其輸出會(huì)跟隨外部環(huán)境的改變而改變[3]。光伏電池組件會(huì)在某個(gè)特定的工作點(diǎn)達(dá)到最大輸出功率，即最大功率點(diǎn)(maximumpowerpoint，MPP)。MPPT本質(zhì)上就是一個(gè)自動(dòng)尋優(yōu)的過(guò)程，通過(guò)改變光伏板的輸出側(cè)電壓，使光伏電池可以在不同的溫度及太陽(yáng)光輻射照度下的輸出功率總是趨近于光伏電池輸出的最大功率[4-5]。

基于LabVIEW的虛擬光伏實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)光伏(photovoltaic，PV)電池的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建了光伏電池的LabVIEW虛擬模型，并通過(guò)參數(shù)修改及MPPT算法分別實(shí)現(xiàn)了光伏電池特性、光伏MPPT等多個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，可進(jìn)行直觀的驗(yàn)證和演示。學(xué)生通過(guò)改變光伏電池的環(huán)境參數(shù)，可以在LabVIEW前面板上觀察到光伏特性及MPPT的變化，并加深對(duì)光伏電池特性的了解。

2　虛擬光伏實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1光伏電池的數(shù)學(xué)模型

光伏電池的輸出特性受溫度和太陽(yáng)光輻射照度的影響[6]，它是一種非線性的能量轉(zhuǎn)換裝置，在標(biāo)準(zhǔn)光輻射照度Sref=1 000W/m2和電池溫度Tref=25 ℃下的PV數(shù)學(xué)模型[7]如式(l)。

(1)

其中：

(2)

(3)

式(1)中的Isc、Voc分別是光伏電池的短路電流和開路電壓，式(2)和式(3)中的Im、Vm分別是光伏電池最大功率工作點(diǎn)處的電流和電壓。此模型只需要輸入光伏電池的技術(shù)參數(shù)Voc、Isc、Vm、Im，就可以根據(jù)上述公式得到標(biāo)準(zhǔn)光輻射照度和環(huán)境溫度下光伏電池的輸出特性曲線。光伏組件的V-I特性曲線直接受太陽(yáng)光輻射照度和電池溫度的影響，由在標(biāo)準(zhǔn)光輻射強(qiáng)度Sref=1 000W/m2和電池溫度Tref=25℃下的V-I曲線上任意點(diǎn)的移動(dòng)規(guī)律，可得到在不同的輻射照度和電池溫度下的V-I特性曲線上任一點(diǎn)的輸出電壓V′和輸出電流I′為：

(4)

(5)

式中的T為電池溫度，Tref為標(biāo)準(zhǔn)溫度值，S為當(dāng)前環(huán)境下輻射照度、Sref為標(biāo)準(zhǔn)輻射照度，Rs為等效串聯(lián)負(fù)載值，α、β分別為標(biāo)準(zhǔn)輻射照度下的電流和電壓溫度系數(shù)。

2.2基于LabVIEW的光伏建模

根據(jù)光伏電池的數(shù)學(xué)模型，在LabVIEW中對(duì)光伏電池進(jìn)行虛擬建模，其中選擇型號(hào)為KD210GH-2PU的單晶硅光伏電池作為參考，其主要參數(shù)設(shè)置為：Voc=33.2V，Isc=8.58A，Vm=26.6V，Im=7.9A，每1 000W/m2可以產(chǎn)生的功率為210W，等效串聯(lián)電阻Rs=0.5Ω，電流溫度系數(shù)α=6.24mA/℃，電壓溫度系數(shù)β=0.221V/℃[8]。虛擬光伏建模程序如圖1所示。

圖1　虛擬光伏的LabVIEW程序圖

2.3基于LabVIEW的MPPT算法的設(shè)計(jì)

在不同太陽(yáng)光輻射照度和電池溫度下，光伏電池只有在特定的工作點(diǎn)才能達(dá)到輸出功率最大值Pm[9]。為了最大限度地利用光伏電池轉(zhuǎn)化出來(lái)的電能，光伏電池與負(fù)載之間需要一個(gè)最大功率點(diǎn)跟蹤匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出功率的最大化。這實(shí)際上就是一個(gè)阻抗匹配的過(guò)程，功率匹配網(wǎng)絡(luò)通常采用開關(guān)模式的DC/DC功率轉(zhuǎn)換器[10]。本文采用擾動(dòng)觀察法對(duì)虛擬光伏的輸出電壓進(jìn)行擾動(dòng)以實(shí)現(xiàn)最大功率的跟蹤，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于LabVIEW的虛擬光伏MPPT實(shí)驗(yàn)。

擾動(dòng)觀察法的程序設(shè)計(jì)思路是通過(guò)給虛擬光伏的輸出電壓施加一個(gè)定步長(zhǎng)的擾動(dòng)，并依據(jù)上一次電壓擾動(dòng)后虛擬光伏輸出功率的增減確定下一次擾動(dòng)的方向。假設(shè)擾動(dòng)為正，如果虛擬光伏的輸出功率增大即證明光伏電池工作在最大功率點(diǎn)左側(cè)，應(yīng)進(jìn)一步施加正擾動(dòng)；反之，要進(jìn)行相反方向擾動(dòng)，以此方法逐漸逼近MPP[11]。其LabVIEW程序設(shè)計(jì)流程圖2所示。

2.4基于虛擬光伏的MPPT設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

由式(1)、式(4)和式(5)可知，光伏電池任意時(shí)刻的輸出電流為輸出電壓的函數(shù)，為了搭建虛擬光伏MPPT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，要將虛擬光伏的輸出電壓通過(guò)函數(shù)選板的反饋節(jié)點(diǎn)回饋給虛擬光伏模型的輸入端。

首先，將虛擬光伏的輸出電壓U(k)、輸出功率P(k)通過(guò)LabVIEW的反饋節(jié)點(diǎn)與前一次的電壓U(k-1)、功率P(k-1)分別做差，進(jìn)而利用兩個(gè)嵌套的條件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬光伏的MPPT；其次，利用反饋節(jié)點(diǎn)將經(jīng)過(guò)擾動(dòng)的光伏輸出電壓分別反饋給條件結(jié)構(gòu)和虛擬光伏的輸入。該模型可以在LabVIEW前面板輸入控件中改變虛擬電池參數(shù)，如光輻射照度及電池溫度等，得到相應(yīng)條件下虛擬光伏的最大輸出功率，并將計(jì)算結(jié)果及跟蹤波形顯示在前面板。在圖1虛擬光伏電池仿真模型的基礎(chǔ)上，利用擾動(dòng)觀察法原理在LabVIEW程序面板中建立的虛擬光伏MPPT實(shí)驗(yàn)的程序如圖3所示。

圖2　虛擬MPPT的LabVIEW流程圖

圖3　虛擬光伏MPPT實(shí)驗(yàn)的程序面板

2.5人機(jī)交互界面

LabVIEW虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池特性、虛擬光伏MPPT等實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。學(xué)生可通過(guò)輸入賬號(hào)、密碼，自行登錄進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面[12]并選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路。首先，采用事件結(jié)構(gòu)對(duì)各實(shí)驗(yàn)進(jìn)行選擇；其次，在條件結(jié)構(gòu)內(nèi)選擇相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的VI程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的相互獨(dú)立。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，分別點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)按鈕進(jìn)入相應(yīng)程序。

3　虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)選擇型號(hào)為KD210GH-2PU的單晶硅光伏電池作為參考，其主要參數(shù)如下：

Voc=33.2V，Isc=8.58A，Vm=26.5V，Im=7.9A，每1 000W/m2可以產(chǎn)生的功率為210W，等效串聯(lián)電阻Rs=0.5Ω，電流溫度系數(shù)α=6.24mA/℃，電壓溫度系數(shù)β=0.221V/℃[7]。

LabVIEW虛擬光伏特性實(shí)驗(yàn)前面板顯示界面如圖4所示。通過(guò)在前面板輸入控件中改變光伏電池的特性參數(shù)以及輻射照度和溫度等，便可獲得相應(yīng)參數(shù)下的光伏電池的輸出V-I特性曲線和P-V特性曲線。其中，紅色曲線為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光輻射照度Sref=1 000W/m2、光伏電池溫度Tref=25℃下的光伏特性曲線，此時(shí)最大功率209.531W；白色曲線是太陽(yáng)光輻射照度為1 000W/m2、光伏電池溫度在35℃下的光伏特性曲線，最大功率為194.123W；綠色曲線是太陽(yáng)光輻射照度800W/m2、光伏電池溫度在25℃下的光伏特性曲線，最大功率為159.277W。根據(jù)不同參數(shù)下虛擬光伏的V-I特性曲線和P-V特性曲線的變化可知，太陽(yáng)光輻射照度和溫度的變化將直接影響到光伏電池的輸出特性。

圖4　虛擬光伏特性實(shí)驗(yàn)

圖5　虛擬MPPT實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證虛擬MPPT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)最大功率的跟蹤情況，將太陽(yáng)光輻射照度參數(shù)由較低的200W/m2逐漸增加到1 000W/m2，通過(guò)顯示控件得到不同輻射照度下MPPT功率值，并將其分別與對(duì)應(yīng)光照下的虛擬光伏最大功率值進(jìn)行比較，觀察系統(tǒng)對(duì)最大輸出功率的跟蹤，其比較情況見表1。由表1比較可知，此LabVIEW虛擬MPPT實(shí)驗(yàn)可以比較理想地達(dá)到對(duì)光伏電池模型的最大功率跟蹤，證明了虛擬光伏MPPT實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

表1　不同輻射照度下MPPT比較

4　結(jié)語(yǔ)

本文基于LabVIEW軟件技術(shù)，利用光伏電池的特性及其數(shù)學(xué)模型構(gòu)建了虛擬光伏實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。由虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于LabVIEW的虛擬光伏實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以虛擬演示光伏發(fā)電過(guò)程，學(xué)生可以直觀、形象地觀察到環(huán)境參數(shù)變化對(duì)光伏特性的影響，方便、簡(jiǎn)捷地實(shí)現(xiàn)MPPT算法的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。設(shè)計(jì)的LabVIEW虛擬光伏實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不存在電路損耗的影響，其結(jié)果將更加精確，同時(shí)解決了購(gòu)買光伏組件的經(jīng)費(fèi)問(wèn)題，可以安全、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研工作。

References)

[1] 薛家祥，鐘良文，張思章，等.光伏系統(tǒng)中擾動(dòng)觀察法的控制方法研究[J].電氣傳動(dòng)，2013，43(3)：40-44.

[2] 黃會(huì).基于LabVIEW的過(guò)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].天津：天津理工大學(xué)，2007.

[3] 韓琪.基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[4] 王雪婷.光伏發(fā)電系統(tǒng)變流器的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[5] 吳小進(jìn)，魏學(xué)業(yè)，于蓉蓉，等.復(fù)雜光照環(huán)境下光伏陣列輸出特性研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(增刊1)：162-167.

[6] 張?chǎng)?基于VRLA蓄電池儲(chǔ)能的小型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].銀川：寧夏大學(xué)，2014.

[7] 張厚生，趙艷雷.多項(xiàng)式擬合的光伏陣列模擬器研究與設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，32(2)：109-113.

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

[9] 鄭穎楠，王俊平，張霞.基于動(dòng)態(tài)等效阻抗匹配的光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(2)：111-118.

[10] 劉翼，荊龍，童亦斌.基于Simulink的光伏電池組件建模和MPPT仿真研究[J].科技導(dǎo)報(bào)，2010，28(18)：94-97.

[11] 宋亮，王曉東，劉雯，等.光伏電池MPPT擾動(dòng)觀察法的研究現(xiàn)狀[J].半導(dǎo)體光學(xué)，2012，33(4)：455-462.

[12] 許麗川，唐凱飛，梁永春，等.基于LabVIEW的自助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)想與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，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

河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“智能電網(wǎng)中的若干關(guān)鍵技術(shù)研究”(15212105D)

李志軍(1964—)，男，河北石家莊，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榫G色能源轉(zhuǎn)換及控制技術(shù).

E-mail：zhijun_li@263.net

TM615

A

1002-4956(2016)5- 0105- 04

虛擬仿真技術(shù)探索與實(shí)踐