遮蔭條件下光伏發電仿真實驗設計

肖文波, 王 慶, 顏 超

(南昌航空大學 國家級大學物理實驗教學示范中心，江西 南昌 330063)

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遮蔭條件下光伏發電仿真實驗設計

肖文波, 王 慶, 顏 超

(南昌航空大學 國家級大學物理實驗教學示范中心，江西 南昌 330063)

將Matlab/Simulink仿真軟件平臺引入光伏發電實驗, 可解決目前相關課程缺乏豐富實驗條件的問題。結合遮蔭條件下光伏發電的具體仿真教學實例,探索與總結出了該類實驗的注意事項。結果證明該實驗教學效果良好,為光伏發電技術等相關課程的實驗教學提供了一種新的途徑及方法。

實驗教學; 遮蔭條件下光伏發電; 仿真實驗; Matlab/Simulink

0 引 言

隨著石油、天然氣、煤等不可再生能源日益減少, 光伏產業得到了快速發展[1]。因此,對產業人才也有大量的需求。為了適應這種趨勢,許多高校開設了相關課程及實驗。但是光伏發電技術屬于新課程,受到實驗設備、實驗人員和實驗條件等的限制, 傳統的實驗教學很難開展[2];且光伏發電本身不僅受到溫度、光強等因素的影響,而且也易受到自然物體和人造物體遮蔭的影響[3],相關教學實驗難以完成所有內容。隨著Matlab 語言和Simulink 仿真環境在教學中日益廣泛的應用,國內外很多高校在教學與研究中都將它們作為首選的工具[4-5]。仿真虛擬實驗不僅避免了上述實驗條件等限制, 而且使學生在學習理論知識的同時加深對知識點的理解與掌握, 因此開發與開展光伏發電課程的虛擬實驗教學顯得極其重要[6-8]。這不僅提高了實驗教學質量,更可以改進課程教學效果。

為此,結合遮蔭條件下光伏電池等效電路原理[9-10]以及Matlab/Simulink語言[11-12],闡述如何通過軟件仿真實現遮蔭條件下光伏組件發電特性,并指出以上過程中培養學生動手能力和創新意識的注意事項,為光伏發電技術等相關課程實驗教學提供了一種新的途徑及方法。結果證明該實驗教學效果良好,不僅可充分利用計算機強大的仿真運算功能,而且可利用圖形化功能形象顯現教學內容并強化知識點。

1 遮蔭條件下光伏組件仿真模型、過程及結果

1.1 遮蔭條件下光伏組件仿真模型

光伏組件是利用性能接近的單體光伏電池串聯構成;單體光伏電池基本結構可以看成由恒流源、二極管、并聯電阻和串聯電阻組成。為了防止雪崩擊穿和熱斑效應,在實際使用串聯光伏電池時都會并聯一個旁路二極管[13]。圖1所示為兩塊電池串聯構成的組件對外供電的電路模型;圖中Iph1(Iph2),n1(n2),I01(I02),Rsh1(Rsh2),Rs1(Rs2)分別是光伏電池1(光伏電池2)的光生電流,理想因子,二極管反向飽和電流,并聯電阻以及串聯電阻。每一個電池的參數認為是一致的。在均勻光照強度下,它們處于相同的工作電流,旁路二極管1和2處于阻斷狀態,功率輸出維持單峰值。但在非均勻光照強度下,就會出現雙峰值情況。若第1塊電池的光生電流小于第2塊電池,旁路二極管1就有會導通;此時相當于僅有電池2對外輸出電量。當電池2的輸出電流等于電池1產生的電流時,電池1的旁路二極管兩端開始形成反向偏壓,即旁路二極管1開始處于阻斷狀態[14];此時電池1與2共同對外輸出電量。

圖1 帶有旁路二極管的兩塊光伏電池串聯示意圖

基于光生電流遠大于二極管反向飽和電流、并聯電阻為無窮大以及二極管反向飽和電流與光強無關的假設條件[15],可以獲得兩個旁路二極管處于阻斷狀態下,電池1和2共同正常對外輸出的功率為：

(1)

式中:I與U分別為組件輸出電流與電壓;Isc1、Uoc1、Im1、Um1、Isc2、Uoc2、Im2、Um2分別是電池1與2在光照下的短路電流、開路電壓、最大功率點電流與電壓。它們可以根據外界的溫度與光強計算出來[15]。

當旁路二極管1導通,僅有電池2正常對外輸出時的功率為：

(2)

由上述可知,可以由電池1與2所處的不同溫度與光照條件,模擬出遮蔭情況下的光伏組件輸出I-U和P-U曲線。

1.2 仿真過程

利用BP公司生產的UP-M180M-B光伏電池作為仿真對象[16],將2個光伏電池串聯,并在每個電池旁邊并聯一個旁路二極管。在Simunlink中,利用Fcn模塊編寫程序并封裝。仿真結構如圖2所示。其中,光伏電池1與2的計算可以包括外界的溫度與光強變化。PV與PV1是分別根據上式(1)與(2)封裝好的計算模塊。

圖2 仿真結構圖

1.3 仿真結果

在溫度為25 ℃,光伏電池1光強為1 000 W/m2,光伏電池2的光強分別為1 000、800、600、400和200 W/m2條件下,光伏組件輸出I-U曲線,如圖3所示。從圖中可以看出,在不均勻光照條件下,組件輸出I-U曲線呈現出階梯形狀,而不是典型的低電壓直線,高電壓線性下降現象[17-18]。

以上對應的組件輸出P-U曲線見圖4。可以明顯看出,當兩塊電池的光照強度不同時,P-U曲線有兩個峰值功率輸出,如圖中箭頭所示。且發現當電池2的光強下降的時候,第2個峰值也明顯下降,而第1個峰值卻幾乎沒有改變;所以第1個峰值是由電池1輸出性能決定;而第2個峰值受電池2上光強決定。

圖3 光伏組件輸出I-U曲線

圖4 光伏組件輸出P-U曲線

2 仿真教學注意事項

盡管仿真實驗不是真的,但學生可以在有限的時間內任意修改并重復,且可以加深和鞏固對光伏發電基本特性和基本參數的理解,充實實驗教學內容。上面內容的仿真,需要注意的事項包括:

(1) 原理性方面,遮蔭條件下光伏發電模型與正常情況下的電池模型不一樣;需要理論性指導學生將半導體專業知識、電路知識等結合起來,理解遮蔭情況下電池輸出功率的多峰值問題。

(2) 教學手段上面,應該強調Matlab/Simulink中Fcn模塊編寫程序的技巧。幫助學生熟記Simulink中的模塊,并教會學生如何建立新的仿真模塊。

(3) 在選擇教學模式時,應選擇任務驅動的教學模式,充分調動學生學習的積極性,使學生真正參與到教學活動中。當學生人數較多時,要充分考慮學生的現有知識和能力水平,讓每組中均有不同水平的學生,這樣有利于協同學習。

(4) 在教學評價方面,不僅要關注學生仿真結果的正確性,更要關注學生學習過程的評價;分析學生對原理的理解性以及動手能力的差別,為改進教學設計提供依據。

3 結 語

將Matlab/Simulink仿真平臺引入實驗教學, 加深了學生對光伏發電技術相關理論的理解與把握, 增強了工程意識, 改善了教學效果和提高了教學質量; 同時也解決了長期以來光伏發電技術缺少相對豐富的實驗教學狀況,對光伏發電技術的仿真實驗是一種創新與有益的嘗試, 也為光伏發電技術等相關課程的實驗教學提供了一種新的途徑及方法。學生反映良好,增加了學生對實驗的好奇心,激發了學生的學習興趣,收到了良好的教學效果。

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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

江西省發明專利產業化技術示范基金(20143BBM26116)、江西省教育廳科技項目(2015NCHU10)、高等學校計算物理課程教學研究項目(JZW-15-JW-02); 南昌航空大學教改課題(JY1460)資助

肖文波(1975-),男,博士,副教授,主要從事大學物理教學工作以及半導體光電檢測研究工作。

E-mail:xiaowenbo1570@163.com

G 642.0

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1006-7167(2016)09-0105-03