基于LabVIEW與Simulink混合編程的光伏發電系統仿真

劉　穎，陸　寧

(1.武漢供電公司電力調度控制中心，湖北武漢430070；2.武漢理工大學自動化學院，湖北武漢430070)

基于LabVIEW與Simulink混合編程的光伏發電系統仿真

劉穎1，陸寧2

(1.武漢供電公司電力調度控制中心，湖北武漢430070；2.武漢理工大學自動化學院，湖北武漢430070)

光伏作為重要的新能源之一備受關注，對光伏組件的建模與仿真，可為光伏系統其他環節的研究以及其并網運行提供基礎與理論依據。在MATLAB/Simulink仿真軟件中建立了光伏陣列和功率變換的仿真模型,并實現基于電導增量法的最大功率跟蹤的仿真。Simulink不足之處在于界面開發較復雜，利用LabVIEW的界面開發優勢，采用該軟件所提供的與Simulink的接口,實現了基于LabVIEW和MATLAB/Simulink混合編程的小型混合能源發電系統的仿真。實例表明,利用LabVIW和MATLAB/Simulink進行協同仿真，可以較好地完成復雜系統的輔助設計與仿真分析。

光伏發電；LabVIEW；Simulink；混合編程；系統仿真

隨著全球新能源的開發和新能源技術的發展，各國對可再生能源發電的研究也逐漸深入和廣泛。我國正緊鑼密鼓地規劃新能源的發展，其中光伏發電就是新能源發展的四大重點之一，而促進光伏產業走向市場化、規范化、可持續發展的道路，有利于推動我國節能環保事業的發展，促進資源節約型和環境友好型社會的建設。湖北省日照豐富，已出臺《關于促進光伏發電項目建設的通知》，鼓勵發電項目的建設，對于光伏發電的研究也提出要求。光伏發電系統中光伏電池以及其他環節的實驗及研究需要以仿真研究為基礎。對光伏組件的建模與仿真可以為其他環節的深入研究提供基礎和理論依據。

光伏電池材料是一種特殊半導體，它是一種將光能轉換成電能的一種固態器件。根據其工作原理可以建立數學模型描述其特性[1-2]，這是建立光伏電池仿真模型的基礎。在一定的光照強度、一定溫度下，光伏組件存在一個最大輸出功率的工作點(MPP)，為了使光伏組件的發電效率最大，常要進行最大功率跟蹤控制(maximum power point tracking，MPPT)。

MATLAB/Simulink仿真軟件功能強大并且有良好簡潔的建模環境，根據光伏電池組件的物理特性等效電路及數學模型，本文在該平臺建立了光伏組件的仿真模型,光伏發電系統采用電導增量法實現最大功率跟蹤。

由于MATLAB界面開發能力較弱，不直觀，在數據輸入方面比較繁瑣，不利于參數設置。因此我們采用NI公司的LabVIEW實現編程界面，并實現與Simulink模型的接口，在LabVIEW中調用和操作MATLAB的模型，直觀地進行參數設置和協調控制，實現發電系統的監控。

1　LabVIEW與Simulink的接口設計

美國NI公司推出的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)，它是基于圖形化數據流編程語言——G語言的開軟件開發平臺，其優點是大大簡化了軟件的開發。MATLAB以其強大的科學計算功能、大量穩定可靠的算法庫，已成為數學計算工具方面事實上的標準。但兩者各有優勢，利用混合編程可以相互補充。

1.1Simulink與LabVIEW軟件平臺特點

MATLAB中Simulink是基于MATLAB的框圖設計環境，用于實現動態系統建模、仿真和綜合分析[4]，不足之處是界面開發能力不強，不直觀簡潔，并且數據輸入、參數設置等方面都相對復雜。

LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環境的簡稱，是一種方便的面向對象的圖形化編程平臺。它與其他計算機語言的顯著區別是：LabVIEW使用的是圖形化編輯語言，而其他的計算機語言是采用基于文本的語言形成代碼，LabVIEW的程序是由框圖構成。它含有大量與其他應用程序進行通信接口的VI庫。但LabVIEW缺點在于它對各種算法的支持非常有限，從而限制了大型應用程序的開發。

本文綜合LabVIEW和MATLAB的優點，在LabVIEW 2012中調用、操作MATLAB2014中Simulink開發的模型，從而實現LabVIEW和MATLAB的混合編程[3-4]，具體是由MATLAB編程實現光伏發電系統仿真，用LabVIEW實現編程界面，直觀進行參數設置和協調控制，以及運行過程與結果顯示，充分發揮兩者的優勢，為新能源的仿真研究提供新思路。

1.2接口實現

通過LabVIEW仿真工具包 Simulation Interface Toolkit (SIT)實現對Simulink的鏈接，如圖1所示。

圖1　LabVIEW與Simulink的接口

(1)Host VI(LabVIEW平臺上開發)將使用TCP/IP發送新的參數給SIT服務器；

(2)SIT服務器傳送這些參數給Model模型(在Simulink中編寫)；

(3)Model模型使用這些新參數，執行更新；

(4)SIT服務器檢測已經建立映射的模型信號；

(5)SIT Server傳輸新的信號數值給Host VI，Host VI更新前面版指示器。

通過SIT工具包，可實現LabVIEW與Simulink的接口。

2　仿真實例

本文采用LabVIEW和MATLAB的混合編程，實現含有柴油發電、光伏發電、負載、儲能的系統的監控與協調控制。

2.1小型光伏、柴油混合能源發電系統結構

設系統由光伏發電以及柴油發電機的混合能源給負載進行供電(如圖2)，柴油發電機(15 kW)，供電可以完全滿足負載需求，系統中由蓄電池進行儲能。

圖2　小型混合發電系統結構

2.2光伏發電的MATLAB/Simulink仿真

在MATLAB/Simulink仿真環境下，建立光伏發電的仿真模型[5]，如圖3所示。該模型實現數學模型中電壓與電流的復雜函數關系，能很好地模擬光伏電池的工作情況，同時可以實現在不同光照強度和溫度下光伏組件的模擬。根據光伏電池的輸出U-I特性，可以分析得到組件的U-P特性曲線為單峰曲線，故光伏電池存在最大功率工作點(MPP)[6]。該模型采用導納增量法實現光伏電池的最大功率跟蹤。

圖3　光伏發電仿真

2.3發電系統的設計

系統需要實現的功能有：

(1)運行：當打開程序并運行時，系統等待開始監控的命令，所有控件置為默認值；

(2)開始監控：當點擊開始按鈕后，系統開始檢測可再生能源與荷載；

(3)檢測可再生能源與荷載：比較可再生能源功率總輸出PRE與荷載功率消耗總和PL，決定下一個執行狀態。

若光伏能源提供功率輸出PRE大于所有荷載的功率消耗時，停止使用柴油發電機供電，檢測是否要為電池充電；光伏發電提供功率輸出PRE小于所有荷載的功率消耗時，檢測是否開啟電池，由蓄電池進行供電。

檢測是否為電池充電：當電池不飽和時，為電池充電。當電池飽和時，繼續檢測光伏能源與荷載。檢測是否開啟電池供電：檢測電池容量，當高于放電級別(Discharge Level)時，控制電池放電，并停止使用柴油發電機供電。當電池容量低于放電級別時，開始使用柴油發電機供電，并檢測是否為電池充電。

檢測是否關閉電池供電：檢測電池容量是否低于充電級別(Charge Level)。若低于，則開始使用柴油發電機供電，并檢測是否為電池充電。當電池容量高于充電級別時，繼續控制電池放電。

電池充電：為電池充電，并繼續檢測可再生能源與荷載。

電池放電：控制電池放電，并繼續檢測是否關閉電池供電。

2.4在LabVIEW中調用MATLAB/Simulink光伏發電系統

在LabVIEW完成界面設計，實現該發電系統的運行與監控，界面中的控件與對應的描述見表1。

表1　系統界面中的控件及描述

打開SIT Connection Manager—Model and Host選項卡，其中Current Model用來設置模型文件的路徑。通過配置SIT Connection Manager中的Current Mapping對話框來實現前面板(host vi)中的輸入/輸出控件與光伏發電模型的輸入輸出變量(model parameters)之間的映射關系。

2.5系統的運行

首先運行LabVIEW程序，然后運行Simulink模型。在運行期間，通過LabVIEW前面板的控件可調整光伏發電參數，進行仿真，并顯示結果。

發電系統仿真結果如圖4，利用SIT工具包，可使MATLAB/Simulink和LabVIEW兩者的優勢結合起來，使得參數調節與結果顯示方便直觀，有利于對該系統的監控。

圖4　發電系統仿真運行界面

3　結論

太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對的安全性、相對的廣泛性、確實的長壽命和資源的充足性及潛在的經濟性等優點，是我國光伏發電新能源發展的四大重點之一,發展光伏產業，將促進資源節約型和環境友好型社會的建設。湖北省日照豐富，相關政策也鼓勵光伏發電項目的建設，這對于光伏發電的研究也提出要求，光伏發電系統仿真的研究能更好地為光伏發電的實踐提供依據。本文利用LabVIEW和MATLAB的優點，首先通過SIT工具包，實現LabVIEW與Simulink的接口，然后在LabVIEW中調用Simulink模型，LabVIEW實現參數設置，顯示結果。Lab-VIEW和MATLAB的結合與協同操作，實現對光伏組件的建模與仿真，不僅為光伏發電系統其他環節的深入研究提供依據,也將為光伏發電并網的研究提供基礎。

[1]禹華軍,潘俊民.光伏電池的輸出特性與最大功率跟蹤的仿真分析[J].計算機仿真,2005,22(6):248-252.

[2]杜慧.太陽能發電控制系統的研究[D].北京:華北電力大學, 2008.

[3]曲麗榮,胡容，范康壽.LabVIEW、MABLAB及其混合編程技術[M].北京：機械工業出版社，2011.

[4]XIONG Y.LabVIEW and Matlab-based virtual control system for virtual prototyping of cyclotron[C]//Proceeding of PAC07.Albuquerque,NM:IEEE,2007：281-283.

[5]張志涌.精通Matlab[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

[6]田慧雯,李咸善,陳鐵,等.基于混合儲能的光伏微網孤網運行的綜合控制策略[J].電力系統保護與控制,2014,42(19):122-128.

Co-simulation of photovoltaic power system based on LabVIEW and Simulink

LIU Ying1,LU Ning2
(1.Wuhan Power Electric Dispatching and Control Center,Wuhan Hubei 430070,China; 2.School of Automation,Wuhan University of Technology,Wuhan Hubei 430070,China)

The modeling and simulation of PV modules can provide a theoretical basis for other aspects of the photovoltaic system.In this paper,the simulation model of photovoltaic array and power transformation was built in MATLAB/Simulink simulation software.The MPPT was based on the incremental conductance increment method. The simulation of photovoltaic power generation system based on MATLAB and Simulink LabVIEW hybrid programming was realized by using the simulation interface toolkit.The case study shows that the use of LabVIEW and MATLAB/Simulink for collaborative simulation,can better complete the complex system of auxiliary design and simulation analysis.

photovoltaic power;LabVIEW;Simulink;hybrid programming;system simulation

TM 615

A

1002-087 X(2016)10-1987-03

2016-03-01

國家自然科學青年基金項目(51307128)

劉穎(1980—)，男，湖北省人，工程碩士研究生，主要研究方向為電力系統經濟運行。