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        基于 Multisim 和 LabVIEW 聯(lián)合仿真的光伏發(fā)電系統(tǒng) Boost電路研究

        2017-04-10 02:44:30甘偉良
        中國設(shè)備工程 2017年6期

        甘偉良

        (武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,湖北 武漢 430070)

        基于 Multisim 和 LabVIEW 聯(lián)合仿真的光伏發(fā)電系統(tǒng) Boost電路研究

        甘偉良

        (武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,湖北 武漢 430070)

        隨著社會的快速發(fā)展,新能源發(fā)電越來越受到重視,在微電網(wǎng)中,對各個(gè)模塊通常是以功率為指標(biāo)來進(jìn)行調(diào)度。本文研究了光伏發(fā)電系統(tǒng)中的 Boost 電路,介紹了電路的工作原理,利用 Multisim 和 LabVIEW 聯(lián)合仿真的方式實(shí)現(xiàn)了電路的可控恒功率輸出。

        Boost 電路;Multisim;LabVIEW;聯(lián)合仿真

        在實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)中,為了能夠最大限度的利用太陽能,同時(shí)降低系統(tǒng)成本,通常都需要實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。實(shí)現(xiàn) MPPT 最常見的方法就是在光伏電池和負(fù)載之間加一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換電路,當(dāng)外界條件的變化引起光伏電池電壓和電流變化時(shí),通過控制 DC/DC 轉(zhuǎn)換電路達(dá)到控制輸出功率的目的。本文選擇了 Boost電路來進(jìn)行仿真研究,光伏電池輸出電壓則是用可控的穩(wěn)壓源來模擬,運(yùn)用 Multisim 和 LabVIEW 聯(lián)合仿真技術(shù)使得整體仿真可視化效果更好。但由于不是真正的光伏電池曲線,因此僅實(shí)現(xiàn)了電路的恒功率輸出。

        1 Boost電路的基本工作原理

        Boost電路是一種將輸入電壓升高的非隔離直直變換器,通過控制開關(guān)管的占空比可以控制升壓變換器的輸出電壓。根據(jù)電感電流是否連續(xù),Boost變換器可分為連續(xù)工作模式、臨界工作模式和不連續(xù)工作模式。在小型的光伏發(fā)電系統(tǒng)中,電路要求運(yùn)行在連續(xù)工作狀態(tài),并且常常會出現(xiàn)負(fù)載的正常運(yùn)作電壓比光伏電池電壓高的情況,因此一般都會選用升壓型 Boost電路來連接電池與負(fù)載。

        升壓型 Boost電路原理如圖1 所示。其中作為開關(guān)器件Q的是N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFET,輸出電壓 Uo和輸入電壓 Ui的比例關(guān)系就是通過控制場效應(yīng)管柵極 PWM(脈寬調(diào)制)信號的導(dǎo)通占空比來調(diào)節(jié)的。

        設(shè)電感和電容的取值足夠大,電路每個(gè)工作周期分為Q導(dǎo)通和關(guān)斷兩個(gè)階段。當(dāng)Q導(dǎo)通時(shí),電感L儲存能量,電感電流增大,感應(yīng)電動(dòng)勢左正右負(fù),二極管D截止,負(fù)載工作所需僅由電容C提供;當(dāng)Q關(guān)斷時(shí),電感電流不能突變,產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢左負(fù)右正,迫使二極管導(dǎo)通,此時(shí)負(fù)載工作能量由電感L和電源共同提供,同時(shí)電源還向電容C充電。由電感的伏秒平衡律可得,一個(gè)周期T內(nèi),電感L兩端電壓 UL對時(shí)間的積分為 0,則有:

        圖1 Boost電路原理圖

        由此可以推出下式:

        式中,T —— 開關(guān)周期;

        ton—— 開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間;

        toff—— 開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間;

        α —— 開關(guān)管占空比;

        Ui、Uo——Boost 電路的輸入電壓和輸出電壓。

        通過調(diào)節(jié)α的大小便可以改變輸出電壓Uo和輸入電壓 Ui的關(guān)系。圖1 中,Boost 電路的輸入電壓即太陽能電池的輸出電壓,若以理想情況考慮,純電阻負(fù)載的消耗功率即輸出功率:

        由式(3)和(4)就可以得到輸出功率和占空比的關(guān)系:

        2 聯(lián)合仿真的實(shí)現(xiàn)

        實(shí) 現(xiàn) Multisim 和 LabVIEW 的 聯(lián) 合 仿 真 必 須先創(chuàng)立所需開發(fā)環(huán)境。先在計(jì)算機(jī)上安裝 LabVIEW 2012 版本,并且選擇性安裝相應(yīng)版本的控制與仿真模塊,接著安裝 Multisim 12.0 版本,在安裝過程中選擇 安 裝 NI LabVIEW-Multisim Co-Simulation 插 件。安裝完畢后就完成了前期的軟件安裝工作。需要注意的是控制與仿真模塊和接口插件的安裝版本必須和LabVIEW 的版本一樣,不然會導(dǎo)致聯(lián)合仿真失敗。

        對于Boost電 路 的 聯(lián)合仿真來說,先 在Multisim 環(huán)境下將電路調(diào)試好再進(jìn)行接口的實(shí)現(xiàn)以及 LabVIEW 的控制,以免在兩個(gè)軟件里面一直切換尋找問題所在,不利于仿真的實(shí)現(xiàn)。先在Multisim 里搭建 Boost 電路,光伏電池輸入用恒壓源代替,PWM信號也用可調(diào)控方波信號源代替。檢驗(yàn)電路能否正常工作的指標(biāo)便是利用示波器檢測輸出端電壓,控制方波信號占空比α,如果在誤差允許的范圍內(nèi)輸出電壓與輸入電壓滿足式(3),則證明該電路能夠正常工作。然后將恒壓源和方波信號發(fā)生器替換成壓控電壓源,將負(fù)載電阻換成壓控電阻,并在另一端接上 HB/SC 接口。需要測量電壓的地方直接接上 HB/SC 接口,需要測量電流的地方通過電流探針再接上 HB/SC接口,如圖2 所示。然后再在 LabVIEW 協(xié)同仿真終端里面配置各個(gè)接口的類型。

        要 想 實(shí) 現(xiàn) LabVIEW 和 Multisim 之 間的數(shù)據(jù)傳遞, 接著就必須用到LabVIEW 的 控 制 與仿真模塊,在新建的VI文件的程序框圖中建立Contronl&Simulation Loop,然后在其中調(diào)用之前的Multisim 文件,就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。

        要從 LabVIEW 輸入 Multisim 的信號有光伏電池電壓、開關(guān)器件導(dǎo)通信號和負(fù)載電阻大小;從Multisim 輸出到 LabVIEW 的信號有輸出電流、輸出電壓和前端電流。VI文件前面板顯示的波形變化有光伏電池電壓、輸出電壓、輸出電流、占空比、前端電流和輸出功率。研究選取的自變量是輸出功率和負(fù)載電阻,通過設(shè)定輸出功率和負(fù)載電阻的值,觀察前面板一系列的波形變化。VI文件程序框圖如圖3所示。

        圖2 聯(lián)合仿真的 Boost電路圖

        圖3 VI文件程序框圖

        VI文件的控制程序是根據(jù)式(5)所編寫,通過設(shè)定功率和負(fù)載阻值,調(diào)節(jié)占空比α的大小,改變輸出電壓的值,使得輸出功率與設(shè)定功率相同。程序中光伏電壓是利用直流量和正弦量疊加的波形來模擬的光伏曲線。圖4是實(shí)際模擬中的波形結(jié)果,其中設(shè)定的輸出功率為 5W,負(fù)載電阻為 100Ω。由于電路響應(yīng)速度不快,因此將正弦波形的周期調(diào)大重點(diǎn)觀察前 1/4 周期的變化情況。

        光伏電壓不斷升高,占空比不斷下降,控制輸出電壓不變,進(jìn)而控制輸出功率不變。其前端電流由于開關(guān)器件的不斷導(dǎo)通關(guān)斷所以顯示為震蕩波形。仿真波形表明,在誤差允許的范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)了恒功率輸出控制。

        3 結(jié)語

        圖4 模擬仿真波形圖

        本文主要實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用 Multisim 和LabVIEW 聯(lián)合仿真的控制 Boost電路恒功率輸出,仿真結(jié)果也證明了聯(lián)合仿真的可行性,在實(shí)驗(yàn)條件有限制或者實(shí)體電路搭建之前可以利用其聯(lián)合仿真做前期的研究工作。同時(shí)也證明了通過控制 Boost電路開關(guān)器件的導(dǎo)通信號占空比就能控制整體光伏發(fā)電電路的輸出功率。

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        表1 選擇性微生物挑戰(zhàn)試驗(yàn)結(jié)果

        表2 選擇性微生物挑戰(zhàn)試驗(yàn)菌回收率

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        TM615

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