離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)實驗報告

1、1)新能源技術(shù)課程設(shè)計實驗報告題目姓 名 ： 專業(yè)：指導(dǎo)教師 ： 輔助教師 ： 完成日期 ：實驗過程記錄1. 根據(jù)光伏電池的等效電路，利用仿真軟件搭建光伏電池數(shù)學(xué)模型( 1 ) Iph 數(shù)學(xué)模型及參數(shù)設(shè)置按照原理算式如下I ph I sc, ref ph sc, refTrefSSref圖 1 Iph 數(shù)學(xué)模型圖 通過參考實驗時所運(yùn)用的太陽能電池板的參數(shù)其中參數(shù)設(shè)置2Ssef=1000W/m 2， =0.06/1 ， Isc,ref=8.30/1A 。在 MATLAB 中建立模型，從 Simulink 元件庫中拉取 inport 、 sum 、 gain 、product 、 outport

2、等原件，并按照原理搭建合適模型并封裝。如圖 1 所示Tref=298K ，2) Uoc 數(shù)學(xué)模型及參數(shù)設(shè)置根據(jù)原理中 Uoc=Voc,ref+×(T-298) 可在 MATLAB 中建立模型，從 Simulink 元 件庫中拉取 inport 、 constant 、sum 、gain 、outport 等原件，并按照原理搭建應(yīng)有模 型并封裝。如圖 2 所示。通過參考實驗時所運(yùn)用的太陽能電池板的參數(shù)其中參數(shù)設(shè)置：Voc,ref=29.5/1V ， =-0.33/13 ） Id 數(shù)學(xué)模型及參數(shù)設(shè)置根據(jù)原理公式 TI 0 expIphq(V IRS ) N 1pAKT可在 MATLAB

3、中建立模型，從 Simulink 元件庫中拉取 constant gain 、 product 、outport 等原件，按照原理搭建適當(dāng)模型并封裝。如圖 Np1（ 2 ）、inport 、sum、 C3 所示。× 10-23 J/K通過參考實驗時所運(yùn)用的太陽能電池板的參數(shù)其中參數(shù)設(shè)置：4）輸出 I 數(shù)學(xué)模型及參數(shù)設(shè)置 根據(jù)原理公式q(V IR )I N p I ph N P I O exp(s ) 1Ns AKT可在 MATLAB 中將以上封裝好的模塊拼裝成合適的仿真模型圖 4 輸出 I 數(shù)學(xué)模型圖A=5 ， K=1.38( 3 )如圖 4 所示。s+-I+C-U通過參考實驗時所運(yùn)

4、用的太陽能電池板的參數(shù)其中參數(shù)設(shè)置：Np=1。在這一過程中開始時由于粗心，少了一個環(huán)節(jié)，即對Vt 取 1/U ，導(dǎo)致出現(xiàn)的仿真圖形總是達(dá)不到理想的結(jié)果， 所以通過同學(xué)之間的討論以及細(xì)心的檢查終 于在推導(dǎo)公式的過程中發(fā)現(xiàn)了這個粗心的錯誤。powergui（ 5 ）總體封裝后數(shù)學(xué)模型，如圖 5 所示。298T-U1000SUScope1SUP-UPV Array圖 5 總體封裝后數(shù)學(xué)模型圖2. 放大電路的模塊構(gòu)建Boost根據(jù) DC-DC 升壓電路的原理，在系統(tǒng)主電路圖中我選擇的升壓電路是升壓電路，先從 Simulink 元件庫中拉取 inport 、 constant 、 sum 、 gain

5、、outport 等原 件，構(gòu)建光伏陣列輸出。 再從元件庫中拉取 signum 、memory 、 zero-order hold 、 constant 、inport、sum、gain、product 、outport 等原件搭建 MPPT 模塊， 最后從 元件庫中拉取 universal bridge 、 diode 、 RLC 等原件構(gòu)建升壓電路。搭建好模塊之后，如圖 6 所示，其中包括 MPPT 擾動法的數(shù)學(xué)模型如圖 7 所示， 設(shè)置參 數(shù)， 其中 L=1mH ， C1=500 F ， R=10 ， IGBT 開關(guān)頻率 為 10kHz ， -6C=100e -6F。在這一過程中，出現(xiàn)的

6、麻煩就是對于 DC-DC 電路的參數(shù)設(shè)置問題，開始時設(shè) 置的是自己通過參考文獻(xiàn)設(shè)置的電路參數(shù)， 但是仿真中并不能更好的出現(xiàn)仿真波形 所以通過自己的調(diào)試， L=10e-3H，C1=100e-5F，R=10，IGBT 開關(guān)頻率為 -610kHz ，C=300e -6F。VTsSine WavepowerguiPWM GeneratorZero-OrderHoldZero-OrderHold1ProductSignMemoryProduct1ProductS2 ign1ProductS2 ign1VreVreMemory2Sign2-C-CpMemory1圖 7 MPPT 擾動法數(shù)學(xué)模型圖3. DC

7、-AC 逆變電路的構(gòu)建根據(jù) DC-AC 逆變電路的原理，在系統(tǒng)主電路圖中我選擇的逆變電路是電壓型逆變電路，先從 Simulink 元件庫中拉取inport 、constant 、sum 、 gain 、 outport等原件，構(gòu)建直流輸出。再從元件庫中拉取universal bridge 、 diode 、RLC 等原件構(gòu)建升壓電路。構(gòu)建的逆變電路如圖8 所示。圖 8 DC-AC 逆變電路圖Scope114. 太陽能電池板的搭建以及實際電路的搭建如圖搭建好太陽能電池板， 如圖 9 所示。并按照實際測量電路圖搭建電路，10 所示。在這一過程中，出現(xiàn)的困難就是對光伏電池板的安裝過程不熟悉，搭建 過

8、程繁瑣，但是通過大家統(tǒng)一的要求， 我們將光伏電池板安裝整潔并能夠獲得較 好的光照角度。方便了我們的實驗數(shù)據(jù)的測量。圖 9 光伏電池板搭建圖圖 10 實際測量電路搭建圖5. 數(shù)據(jù)測量記錄并處理 調(diào)節(jié)滑動變阻器，并記錄不同光照強(qiáng)度下光伏電池板輸出的電壓值和電流 值，并計算出功率大小，記入準(zhǔn)備好的表格中。并用 Excel 軟件分別畫出 I-U 和 P-U 曲線，如圖 11 、12、 13 所示。表1當(dāng) S=1270W/m 2 ， T= 286K 時I(A)0.350.520.991.732.456.357.58.350U(V)27.126.926.62625.421.313.97.28.91P(W)

9、9.48513.98826.33444.9862.23135.25104.2560.120表2當(dāng) S=1200W/m 2 ， T= 286K 時I(A)0.340.591.0567.17.688.078.18U(V)26.426.3262113.411.47.73.40.08P(W)8.97615.51727.312695.1486.6461.627.4380.6544表3當(dāng) S=1250W/m 2 ， T= 286K 時I(A)01.333.054.965.76.57.47.848.11U(V)26.825.724.522.621.118.112.990P(W)034.18174.72511

10、2.09120.27117.6595.4670.560圖 12 對應(yīng)表 2 的 I-U 、 P-U 圖圖 11 對應(yīng)表 1 的 I-U 、 P-U 圖圖 13 對應(yīng)表 3 的 I-U 、 P-U 圖、實驗結(jié)果處理與分析1. 根據(jù)建立的光伏電池的等效模型，繪制不同光照強(qiáng)度下、不同溫度下光伏電池的 I-V 、P-V 特性曲線。1）標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，當(dāng)S=1000W/m 2，T= 298K 時，得到的 I-U 、P-U 仿真圖如圖 14所示。其中最大功率輸出是可以達(dá)到給定光伏電池板的特性所表示出的 180W 。 其短路電流為 8.3A ，開路電壓為 29.5V 。圖 14 I-U 、 P-U 仿真圖）當(dāng)2

11、一定時，改變 T 分別為 320K 、360K 時的仿真圖分別為圖15、2 S=1000W/m 圖 16 所示。圖 16 I-U 、 P-U 仿真圖從上仿真圖的對比可以看出其它條件一定時， 光伏電池周圍環(huán)境溫度的升高將 使光伏電池的開路電壓 Voc 下降，短路電流 I sc 輕微增加，從而導(dǎo)致光伏電池的輸出 功率下降。 光伏電池的溫度特性一般用光伏電池的溫度系數(shù)表示， 溫度系數(shù)小， 說明光伏電池的輸出隨溫度變化的越緩慢。3）當(dāng) T=298K 時，改變 S 分別為 750W/m 2、500W/m 2 的仿真分別如圖 17、圖 18 所示。圖 17 I-U 、 P-U 仿真圖圖 18 I-U 、

12、P-U 仿真圖光伏電池表面光照強(qiáng)度的增加將從上仿真圖形中可以看出其它條件一定時，使光伏電池的短路電流 Isc 增加，開路電壓 Voc 也略微增加， 從而導(dǎo)致光伏電池輸出功率增加2. 實際測量出數(shù)據(jù)的處理及誤差分析 通過對光伏電池板的實際測量， 我們要對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理繪成所需求的I-U 、P-U 的實際曲線。 在這過程中， 運(yùn)用了對數(shù)據(jù)處理比較方便的 Excel 辦公軟 件，其中包括了功率的計算即P=U ×I，同時也運(yùn)用了該軟件對于數(shù)據(jù)繪制的圖形方便之處。繪制出自己統(tǒng)計的數(shù)據(jù)對應(yīng)的圖形。但是在運(yùn)用 Excel 軟件時，并 不是將所有的數(shù)據(jù)統(tǒng)統(tǒng)輸入進(jìn)去繪制圖形， 而是先將數(shù)據(jù)輸入后繪

13、制圖形， 然后 觀察數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，然后將試驗中偏差較大的、嚴(yán)重影響實際波形的點剔除掉， 使我們實際的波形更加完美，誤差更加小。試驗中，我們的溫度是 T=286K ， S=1250W/m 2，其實際波形如圖 19 所示。而這種情況下的仿真圖形如圖 20 所示。 T=286K ，S=1200W/m 2，其實際波形如圖 21 所示。而這種情況下的仿真圖形如 圖 22 所示。圖 19 I-U 、 P-U 實際繪圖圖 20 I-U 、 P-U 仿真圖實際繪圖圖 21 I-U 、 P-U圖 22 I-U 、 P-U 仿真圖從仿真和實際圖可看出， I-U 、P-U 都是有差別的，通過自己的分析我認(rèn)為 出現(xiàn)誤

14、差的原因就是在調(diào)節(jié)滑動變阻器的時候滑動不均勻原因，比如在 15-20V 電壓 中實際的測量中本應(yīng)該多測量幾組數(shù)據(jù)可以看出其轉(zhuǎn)折點的確定值， 而自己 的測量則不細(xì)致， 跨度太大，不能完美的表現(xiàn)出其轉(zhuǎn)折點， 這會使波形的轉(zhuǎn)折點 不一致，從而出現(xiàn)誤差，這一點在 T=286K ，S=1200W/m 2 這種情況下的實際測 量數(shù)據(jù)擬合的圖和仿真圖的對比下表現(xiàn)得特別明顯， 這也是我們實驗室比較偏嚴(yán)重 的操作誤差。 還有一個原因， 我認(rèn)為實際的內(nèi)阻大小是沒法估計的， 而在仿真中 Rs 的值也是估計值，這會影響仿真波形和仿真圖的擬合程度。3. DC-DC 升壓電路的仿真效果首先在搭建的光伏陣列模塊中， 我們首

15、先需要其輸出達(dá)到我們預(yù)設(shè)的 180W ，在這一塊，我是做到了自己預(yù)想，仿真效果如圖23 所示。其次就是 MPPT 擾動法通過零階保持器以及設(shè)定的三角波的差值產(chǎn)生的 PWM 波的波形，如圖 24 所示。圖 24 PWM 波輸出仿真圖然后就是最后的輸出功率在 180W 上下波動，其中其功率是不停的波動的，因為那是對 MPPT 擾動法的自身追蹤，如圖 25 所示最后就是 DC-DC 的放大倍數(shù)的體現(xiàn)，通過預(yù)習(xí)時設(shè)定的參數(shù)，我將電壓放圖 25 DC-DC 后輸出功率、上下波動仿真圖大 3 倍，其仿真效果如圖 26 所示4. DC-AC 逆變電路的仿真效果 首先是產(chǎn)生 PWM 波，以產(chǎn)生脈沖分別相差 1

16、20°的脈沖，以控制 4 個 IGBT 的導(dǎo)通時間，從而產(chǎn)生逆變效果。其次就是將直流電源改為 DC-DC 的輸出電壓 的穩(wěn)定直流電壓值即 69V ，從而產(chǎn)生交流正弦波，其仿真圖如圖 27 所示。圖 27 DC-AC 輸出交流電仿真圖三、心得體會本次課程設(shè)計是一次別開生面的實驗過程，之前沒有接觸過光伏電池的研 究，更沒有接觸到其仿真電路、以及 MATLAB 軟件的仿真模型的構(gòu)建。通過這以及 DC-DC-AC次課程設(shè)計，我發(fā)現(xiàn)了自己的問題，比如仿真效果的不完美擬合、 電路的仿真模型搭建是自己的一個弱項， 包括電路的搭建以及參數(shù)的整定我都是比 較弱的，鑒于這些問題， 我對自己的解決方法就是

17、先獨(dú)立思考， 回歸課本尋找最 基本的原理知識。 其次就是通過自己查找文獻(xiàn)， 來尋找相關(guān)內(nèi)容， 來彌補(bǔ)自己的 缺陷，最后實在不會我就會求助老師， 在整個環(huán)節(jié)中，老師對我的幫助特別大，每 一個小的提醒就會讓我們茅塞頓開。當(dāng)然，在設(shè)計中也有自己沒有預(yù)想到的問題， 比如在光伏電池板的裝配過程中 出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)搭建繁瑣以及不穩(wěn)定問題、 MPPT 擾動法改變占空比的原理等， 我是在 預(yù)習(xí)時沒有預(yù)想到的。 但是對于沒有預(yù)想到的問題， 我能夠靜下心來踏實的去思考 解決方法， 能夠主動的提出解決方案。 并通過大家的協(xié)商， 達(dá)到較好的解決問題 的效果。在這次課程設(shè)計中， 我學(xué)到了很多的知識其中包括： 光伏電池的原理、 公式 推導(dǎo)、 MPPT 的幾種常規(guī)方法的原理及仿真模型的搭建、 DC-DC 升