劉　穎，陸　寧

(1.武漢供電公司電力調(diào)度控制中心，湖北武漢430070；2.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430070)

基于LabVIEW與Simulink混合編程的光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真

劉穎1，陸寧2

(1.武漢供電公司電力調(diào)度控制中心，湖北武漢430070；2.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430070)

光伏作為重要的新能源之一備受關(guān)注，對(duì)光伏組件的建模與仿真，可為光伏系統(tǒng)其他環(huán)節(jié)的研究以及其并網(wǎng)運(yùn)行提供基礎(chǔ)與理論依據(jù)。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(shí)現(xiàn)基于電導(dǎo)增量法的最大功率跟蹤的仿真。Simulink不足之處在于界面開發(fā)較復(fù)雜，利用LabVIEW的界面開發(fā)優(yōu)勢(shì)，采用該軟件所提供的與Simulink的接口,實(shí)現(xiàn)了基于LabVIEW和MATLAB/Simulink混合編程的小型混合能源發(fā)電系統(tǒng)的仿真。實(shí)例表明,利用LabVIW和MATLAB/Simulink進(jìn)行協(xié)同仿真，可以較好地完成復(fù)雜系統(tǒng)的輔助設(shè)計(jì)與仿真分析。

光伏發(fā)電；LabVIEW；Simulink；混合編程；系統(tǒng)仿真

隨著全球新能源的開發(fā)和新能源技術(shù)的發(fā)展，各國(guó)對(duì)可再生能源發(fā)電的研究也逐漸深入和廣泛。我國(guó)正緊鑼密鼓地規(guī)劃新能源的發(fā)展，其中光伏發(fā)電就是新能源發(fā)展的四大重點(diǎn)之一，而促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)走向市場(chǎng)化、規(guī)范化、可持續(xù)發(fā)展的道路，有利于推動(dòng)我國(guó)節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)。湖北省日照豐富，已出臺(tái)《關(guān)于促進(jìn)光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)的通知》，鼓勵(lì)發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)，對(duì)于光伏發(fā)電的研究也提出要求。光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池以及其他環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)及研究需要以仿真研究為基礎(chǔ)。對(duì)光伏組件的建模與仿真可以為其他環(huán)節(jié)的深入研究提供基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

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

MATLAB/Simulink仿真軟件功能強(qiáng)大并且有良好簡(jiǎn)潔的建模環(huán)境，根據(jù)光伏電池組件的物理特性等效電路及數(shù)學(xué)模型，本文在該平臺(tái)建立了光伏組件的仿真模型,光伏發(fā)電系統(tǒng)采用電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。

由于MATLAB界面開發(fā)能力較弱，不直觀，在數(shù)據(jù)輸入方面比較繁瑣，不利于參數(shù)設(shè)置。因此我們采用NI公司的LabVIEW實(shí)現(xiàn)編程界面，并實(shí)現(xiàn)與Simulink模型的接口，在LabVIEW中調(diào)用和操作MATLAB的模型，直觀地進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)控。

1　LabVIEW與Simulink的接口設(shè)計(jì)

美國(guó)NI公司推出的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)，它是基于圖形化數(shù)據(jù)流編程語(yǔ)言——G語(yǔ)言的開軟件開發(fā)平臺(tái)，其優(yōu)點(diǎn)是大大簡(jiǎn)化了軟件的開發(fā)。MATLAB以其強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能、大量穩(wěn)定可靠的算法庫(kù)，已成為數(shù)學(xué)計(jì)算工具方面事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。但兩者各有優(yōu)勢(shì)，利用混合編程可以相互補(bǔ)充。

1.1Simulink與LabVIEW軟件平臺(tái)特點(diǎn)

MATLAB中Simulink是基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析[4]，不足之處是界面開發(fā)能力不強(qiáng)，不直觀簡(jiǎn)潔，并且數(shù)據(jù)輸入、參數(shù)設(shè)置等方面都相對(duì)復(fù)雜。

LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的簡(jiǎn)稱，是一種方便的面向?qū)ο蟮膱D形化編程平臺(tái)。它與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言，而其他的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是采用基于文本的語(yǔ)言形成代碼，LabVIEW的程序是由框圖構(gòu)成。它含有大量與其他應(yīng)用程序進(jìn)行通信接口的VI庫(kù)。但LabVIEW缺點(diǎn)在于它對(duì)各種算法的支持非常有限，從而限制了大型應(yīng)用程序的開發(fā)。

本文綜合LabVIEW和MATLAB的優(yōu)點(diǎn)，在LabVIEW 2012中調(diào)用、操作MATLAB2014中Simulink開發(fā)的模型，從而實(shí)現(xiàn)LabVIEW和MATLAB的混合編程[3-4]，具體是由MATLAB編程實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真，用LabVIEW實(shí)現(xiàn)編程界面，直觀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和協(xié)調(diào)控制，以及運(yùn)行過程與結(jié)果顯示，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，為新能源的仿真研究提供新思路。

1.2接口實(shí)現(xiàn)

通過LabVIEW仿真工具包 Simulation Interface Toolkit (SIT)實(shí)現(xiàn)對(duì)Simulink的鏈接，如圖1所示。

圖1　LabVIEW與Simulink的接口

(1)Host VI(LabVIEW平臺(tái)上開發(fā))將使用TCP/IP發(fā)送新的參數(shù)給SIT服務(wù)器；

(2)SIT服務(wù)器傳送這些參數(shù)給Model模型(在Simulink中編寫)；

(3)Model模型使用這些新參數(shù)，執(zhí)行更新；

(4)SIT服務(wù)器檢測(cè)已經(jīng)建立映射的模型信號(hào)；

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

通過SIT工具包，可實(shí)現(xiàn)LabVIEW與Simulink的接口。

2　仿真實(shí)例

本文采用LabVIEW和MATLAB的混合編程，實(shí)現(xiàn)含有柴油發(fā)電、光伏發(fā)電、負(fù)載、儲(chǔ)能的系統(tǒng)的監(jiān)控與協(xié)調(diào)控制。

2.1小型光伏、柴油混合能源發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)系統(tǒng)由光伏發(fā)電以及柴油發(fā)電機(jī)的混合能源給負(fù)載進(jìn)行供電(如圖2)，柴油發(fā)電機(jī)(15 kW)，供電可以完全滿足負(fù)載需求，系統(tǒng)中由蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)能。

圖2　小型混合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2光伏發(fā)電的MATLAB/Simulink仿真

在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下，建立光伏發(fā)電的仿真模型[5]，如圖3所示。該模型實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型中電壓與電流的復(fù)雜函數(shù)關(guān)系，能很好地模擬光伏電池的工作情況，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)在不同光照強(qiáng)度和溫度下光伏組件的模擬。根據(jù)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(diǎn)(MPP)[6]。該模型采用導(dǎo)納增量法實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤。

圖3　光伏發(fā)電仿真

2.3發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能有：

(1)運(yùn)行：當(dāng)打開程序并運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)等待開始監(jiān)控的命令，所有控件置為默認(rèn)值；

(2)開始監(jiān)控：當(dāng)點(diǎn)擊開始按鈕后，系統(tǒng)開始檢測(cè)可再生能源與荷載；

(3)檢測(cè)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(gè)執(zhí)行狀態(tài)。

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

檢測(cè)是否為電池充電：當(dāng)電池不飽和時(shí)，為電池充電。當(dāng)電池飽和時(shí)，繼續(xù)檢測(cè)光伏能源與荷載。檢測(cè)是否開啟電池供電：檢測(cè)電池容量，當(dāng)高于放電級(jí)別(Discharge Level)時(shí)，控制電池放電，并停止使用柴油發(fā)電機(jī)供電。當(dāng)電池容量低于放電級(jí)別時(shí)，開始使用柴油發(fā)電機(jī)供電，并檢測(cè)是否為電池充電。

檢測(cè)是否關(guān)閉電池供電：檢測(cè)電池容量是否低于充電級(jí)別(Charge Level)。若低于，則開始使用柴油發(fā)電機(jī)供電，并檢測(cè)是否為電池充電。當(dāng)電池容量高于充電級(jí)別時(shí)，繼續(xù)控制電池放電。

電池充電：為電池充電，并繼續(xù)檢測(cè)可再生能源與荷載。

電池放電：控制電池放電，并繼續(xù)檢測(cè)是否關(guān)閉電池供電。

2.4在LabVIEW中調(diào)用MATLAB/Simulink光伏發(fā)電系統(tǒng)

在LabVIEW完成界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)該發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行與監(jiān)控，界面中的控件與對(duì)應(yīng)的描述見表1。

表1　系統(tǒng)界面中的控件及描述

打開SIT Connection Manager—Model and Host選項(xiàng)卡，其中Current Model用來設(shè)置模型文件的路徑。通過配置SIT Connection Manager中的Current Mapping對(duì)話框來實(shí)現(xiàn)前面板(host vi)中的輸入/輸出控件與光伏發(fā)電模型的輸入輸出變量(model parameters)之間的映射關(guān)系。

2.5系統(tǒng)的運(yùn)行

首先運(yùn)行LabVIEW程序，然后運(yùn)行Simulink模型。在運(yùn)行期間，通過LabVIEW前面板的控件可調(diào)整光伏發(fā)電參數(shù)，進(jìn)行仿真，并顯示結(jié)果。

發(fā)電系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4，利用SIT工具包，可使MATLAB/Simulink和LabVIEW兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，使得參數(shù)調(diào)節(jié)與結(jié)果顯示方便直觀，有利于對(duì)該系統(tǒng)的監(jiān)控。

圖4　發(fā)電系統(tǒng)仿真運(yùn)行界面

3　結(jié)論

太陽(yáng)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(duì)的安全性、相對(duì)的廣泛性、確實(shí)的長(zhǎng)壽命和資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)光伏發(fā)電新能源發(fā)展的四大重點(diǎn)之一,發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，將促進(jìn)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)。湖北省日照豐富，相關(guān)政策也鼓勵(lì)光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)，這對(duì)于光伏發(fā)電的研究也提出要求，光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真的研究能更好地為光伏發(fā)電的實(shí)踐提供依據(jù)。本文利用LabVIEW和MATLAB的優(yōu)點(diǎn)，首先通過SIT工具包，實(shí)現(xiàn)LabVIEW與Simulink的接口，然后在LabVIEW中調(diào)用Simulink模型，LabVIEW實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置，顯示結(jié)果。Lab-VIEW和MATLAB的結(jié)合與協(xié)同操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件的建模與仿真，不僅為光伏發(fā)電系統(tǒng)其他環(huán)節(jié)的深入研究提供依據(jù),也將為光伏發(fā)電并網(wǎng)的研究提供基礎(chǔ)。

[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(jì)算機(jī)仿真,2005,22(6):248-252.

[2]杜慧.太陽(yáng)能發(fā)電控制系統(tǒng)的研究[D].北京:華北電力大學(xué), 2008.

[3]曲麗榮,胡容，范康壽.LabVIEW、MABLAB及其混合編程技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)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(xué)出版社,2009.

[6]田慧雯,李咸善,陳鐵,等.基于混合儲(chǔ)能的光伏微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行的綜合控制策略[J].電力系統(tǒng)保護(hù)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(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(51307128)

劉穎(1980—)，男，湖北省人，工程碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。