光伏發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用 教學(xué)課件 作者 魏學(xué)業(yè) 第八章

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)〔ComputerSimulationTechnology〕是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的成果建立被仿真系統(tǒng)的模型，并在某些實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的一門綜合性技術(shù)。它具有高效、平安、受環(huán)境條件約束少、可改變時(shí)間的比例大、速度快等優(yōu)點(diǎn)，已成為分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、評(píng)價(jià)系統(tǒng)的重要工具。電力電子器件所固有的非線性特性，使得由電力電子器件構(gòu)成的系統(tǒng)分析起來十分困難。計(jì)算機(jī)仿真通過使用數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際的電力電子器件，通過數(shù)值方法求解數(shù)學(xué)方程，獲得各種條件下電路及系統(tǒng)中各狀態(tài)變量的變化規(guī)律，到達(dá)實(shí)際實(shí)驗(yàn)所無法到達(dá)的效果。第8章光伏逆變電源的仿真技術(shù)在光伏逆變器的研究與設(shè)計(jì)中，仿真技術(shù)占有重要局部。常用于電力電子方面的仿真軟件有很多，比方PSIM、Saber、MATLAB和PSpice等。Saber軟件最早是針對(duì)電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域開發(fā)的，具有大量的電源專用器件和功率電子模型。與傳統(tǒng)仿真軟件不同，Saber在結(jié)構(gòu)上采用MAST硬件描述語言和單內(nèi)核混合仿真方案，并對(duì)仿真算法進(jìn)行了改進(jìn)，保證在最少的時(shí)間內(nèi)獲得最高的仿真精度。MATLAB中提供的“SimPowerSystems〞是進(jìn)行電力電子系統(tǒng)仿真的理想工具，與其他器件級(jí)的仿真系統(tǒng)不同，SimPowerSystems更關(guān)注器件的外特性，易于與控制系統(tǒng)相連接。PSIM是專門為電力電子設(shè)計(jì)的仿真軟件，具有大量的電力電子器件庫，為此本章將以PSIM為例對(duì)光伏逆變電源的仿真做一些介紹。8.1PSIM簡介PSIM是由美國Powersim公司研發(fā)，全稱為PowerSimulation的一款專門為電力電子和電動(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)的仿真軟件。PSIM軟件中的器件根本采用理想模型，計(jì)算速度非?？?，學(xué)習(xí)和使用非常方便。PSIM具有強(qiáng)大的仿真引擎，高效的算法克服了其其他多數(shù)仿真軟件的收斂失敗、仿真時(shí)間長的問題。PSIM的用戶界面友好，容易掌握，且其輸出數(shù)據(jù)的格式兼容性也非常好。PSIM被廣泛應(yīng)用于電力電子電路的解析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究等領(lǐng)域，還可以與其他公司的仿真器相連接，具備與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真的能力。PSIM可以仿真復(fù)雜的控制電路，模擬電路、s域傳遞函數(shù)、z域傳遞函數(shù)以及用戶自己編寫的C/C++程序等。其中，用戶編寫的C/C++程序，利用MicrosoftVisualC++編譯成DLL文件，編譯后的DLL文件便可以和PSIM鏈接進(jìn)行仿真，如圖8-1所示。頻率特性解析是設(shè)計(jì)控制環(huán)的重要工具，相比于其他仿真軟件要在執(zhí)行ACSweep之前把開關(guān)回路模型表示為平均模型〔Averagemodels〕，PSIM可以對(duì)工作在開關(guān)狀態(tài)的電路進(jìn)行ACSweep。對(duì)于太陽能光伏應(yīng)用，PSIM還特別包含了光伏電池的模型以及SolarModule工作參數(shù)計(jì)算器，模型精度高，仿真和計(jì)算功能強(qiáng)大。在PSIM中，要表示一個(gè)電路，需要由電力電路、控制電路、傳感器和開關(guān)控制器4局部構(gòu)成，如圖8-2所示，一個(gè)電路系統(tǒng)在PSIM中是以圖中所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述的。因此，電力電路中的一個(gè)系統(tǒng)在PSIM中是以圖中所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述的。因此，電力電路中的一個(gè)狀態(tài)量必須通過一種傳感器傳送給控制電路，而控制信號(hào)也必須通過一種開關(guān)控制器或者接口才能傳遞并控制相應(yīng)的電力電路。圖8-1PSIM的DLL接口和MATLAB接口圖8-2PSIM的電路結(jié)構(gòu)描述PSIM仿真軟件包括3個(gè)局部：電路輸入集成環(huán)境PSIM、PSIM仿真器以及波形分析軟件SIMVIEW。PSIM保存的電路示意圖擴(kuò)展名是sch，仿真生成的輸出結(jié)果那么以純文本格式〔*.txt〕保存。SIMVIEW軟件完成仿真數(shù)據(jù)結(jié)果的顯示、計(jì)算和分析功能。8.1.1軟件界面圖8-3為PSIM軟件的主界面，分為菜單欄、工具欄、繪圖工作區(qū)、常用器件欄和狀態(tài)欄。菜單欄中集中了所有可以操作的軟件命令，其中很多常用的功能命令都能夠在工具欄中找到，使用起來更為方便。在菜單欄中，“Elements〔元件〕〞項(xiàng)為PSIM軟件的器件庫。在輸入電路圖的過程中用戶會(huì)經(jīng)常需要用到相應(yīng)類別的器件以完成功能，例如，控制型器件的輸出不可以直接驅(qū)動(dòng)電力電路，需要添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。在元件菜單或工具欄上選定相應(yīng)的元器件后，鼠標(biāo)光標(biāo)便會(huì)在繪圖工作區(qū)改變?yōu)橄鄳?yīng)的元器件圖標(biāo)，這時(shí)單擊鼠標(biāo)左鍵就可以將元器件置于繪圖工作區(qū)中。在繪圖工作區(qū)的空白處按住鼠標(biāo)右鍵，還可以方便地拖動(dòng)“圖樣〞，快速定位操作區(qū)域。圖8-3軟件界面8.1.2菜單欄和工具欄PSIM主窗口PSIM主窗口有：〔1〕“文件〞菜單

新建New

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關(guān)閉全部CloseAll

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保存〔密碼保護(hù)〕SavewithPasswordPSIM具有設(shè)定密碼的功能，設(shè)置密碼之后的PSIM文檔只有在輸入密碼后才能看到電路圖，沒有輸入密碼的情況下只能夠進(jìn)行仿真和查看仿真結(jié)果〔波形〕。

打包保存SaveinPackageFile當(dāng)一個(gè)PSIM電路圖文件包含多個(gè)子電路圖，或者是參數(shù)文件時(shí)，使用打包保存的方式可以將它們存成一個(gè)文件。這種保存方式也方便存檔。

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復(fù)制到剪貼板CopytoClipboard復(fù)制到剪貼板是指復(fù)制到Windows操作系統(tǒng)的剪貼板中。例如，當(dāng)需要在MicrosoftWord中插入由PSIM繪制的電路圖時(shí)，就可以使用這個(gè)命令。在復(fù)制時(shí)可以選擇以矢量圖保存的metafile，或者bitmap位圖及黑白單色圖像。Metafile矢量圖在縮放時(shí)效果更好。假設(shè)保存為bitmap位圖，應(yīng)領(lǐng)先將電路在PSIM軟件中縮放至較大的顯示區(qū)域，再單擊“復(fù)制〞到剪貼板-彩色位圖，這樣可以復(fù)制較高分辨率的圖像。

放置文字Text

連線Wire

標(biāo)簽Label為節(jié)點(diǎn)放置標(biāo)簽可以將多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，省去使用連線連接的繁瑣。作用與Protel中的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)相同。

屬性Attributes

添加/刪除電流儀表Add/RemoveCurrentScope運(yùn)行該命令后，鼠標(biāo)光標(biāo)將有一儀表圖案跟隨，此時(shí)單擊想要觀察電流的元器件，選擇相應(yīng)電流，即可添加一個(gè)電流儀表。在仿真時(shí)直接單擊該儀表的圖標(biāo)，即可方便地查看該電流。如果想要?jiǎng)h除相應(yīng)儀表，那么在單擊該命令后單擊想要?jiǎng)h除的儀表即可。

顯示/隱藏仿真變量Show/HideRuntimeVariable運(yùn)行該命令后，鼠標(biāo)光標(biāo)將有一圖案跟隨，此時(shí)單擊想要查看運(yùn)行變量的元器件，并選擇要顯示的變量工程，就可以在電路圖中實(shí)時(shí)顯示該工程。如果想取消顯示該內(nèi)容，那么在單擊該命令后單擊想要?jiǎng)h除的變量所屬的元器件，然后將該工程前的對(duì)勾去掉即可。顯示/隱藏仿真變量的操作還可以通過在電路圖中單擊元器件，然后選擇“仿真運(yùn)行變量RuntimeVariable〞進(jìn)行更改。

激活Enable使被屏蔽的元件重新啟用。

屏蔽Disable暫時(shí)屏蔽局部元件〔軟件認(rèn)為該電路中無該局部〕。

旋轉(zhuǎn)Rotate

左右翻轉(zhuǎn)FlipL/R

上下翻轉(zhuǎn)FlipT/B

查找Find

查找下一個(gè)FindNext

編輯庫EditLibrary

退出Escape〔3〕“查看〞菜單

狀態(tài)欄StatusBar

工具欄Toolbar

元件工具欄ElementToolbar

最近使用的元件RecentlyUsedElementList

瀏覽庫LibraryBrowser

放大ZoomIn

縮小ZoomOut

適合屏幕FittoPage

縮放選擇ZoominSelected

元件列表ElementList

元件計(jì)數(shù)ElementCount

刷新Refresh〔4〕“子電路〞菜單

新建子電路NewSubcircuit

導(dǎo)入子電路LoadSubcircuit

編輯子電路EditSubcircuit

設(shè)置子電路大小SetSize

放置雙向端口PlaceBi-directionalPort

放置輸入信號(hào)端口PlaceInputSignalPort

放置輸出信號(hào)端口PlaceOutputSignalPort

顯示端口DisplayPort

編輯默認(rèn)變量列表EditDefaultVariableList

編輯圖像EditImage

向上一層OnePageUp

顯示頂層電路TopPage

顯示子電路名稱DisplaySubcircuitName

顯示子電路端口ShowSubcircuitPort

隱藏子電路端口HideSubcircuitPort

子電路列表SubcircuitList〔5〕“元件〞菜單

電力元件Power

控制元件Control

其他

源Sources

符號(hào)Symbols

用戶自定義UserDefined

事件控制元件EventControl

SimcoderforCodeGeneration組件〔6〕“仿真〞菜單

仿真控制SimulationControl

運(yùn)行仿真RunSimulation

取消仿真CancelSimulation

暫停仿真PauseSimulation

重啟仿真RestartSimulation

仿真下一時(shí)間步長SimulateNextTimeStep

運(yùn)行SIMVIEWRunSIMVIEW

生成網(wǎng)絡(luò)表GenerateNetlistFile

顯示網(wǎng)絡(luò)表ViewNetlistFile

顯示警告ShowWarning

整理SLINK節(jié)點(diǎn)ArrangeSLINKNodes

生成C語言源碼GenerateCode

設(shè)置仿真波形顯示RuntimeGraphs〔7〕“選項(xiàng)〞菜單

設(shè)置Settings

自動(dòng)運(yùn)行SIMVIEWAuto-runSIMVIEW

輸入密碼EnterPassword

設(shè)置DLL搜索路徑SetPath

自定義工具欄CustomToolbars

自定義熱鍵CustomKeyboard

保存自定義設(shè)置SaveCustomSettings

加載自定義設(shè)置LoadCustomSettings〔8〕“工具〞菜單

s域-z域轉(zhuǎn)換器s2zConverter

器件數(shù)據(jù)庫編輯器DeviceDatabaseEditor

B-H磁化曲線B-HCurve

光伏模塊〔物理模型〕計(jì)算器SolarModule(Physicalmodel)

SimCoupler設(shè)置SimCouplerSetup

運(yùn)行/導(dǎo)出到SmartCtrlLaunch/ExporttoSmartCtrl

單位轉(zhuǎn)換器UnitConverter

計(jì)算器Calculator〔9〕“窗口〞菜單

新建窗口NewWindow

層疊窗口Cascade

堆疊窗口Tile

整理圖標(biāo)ArrangeIconsSIMVIEW窗口有：〔1〕“文件〞菜單

翻開Open

合并Merge

重新加載Re-Load

保存設(shè)置SaveSettings

保存Save

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頁面設(shè)置PrintPageSetup

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退出Exit〔2〕“編輯〞菜單

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復(fù)制到剪貼板CopytoClipboard

查看數(shù)據(jù)點(diǎn)ViewDataPoints〔3〕“軸〞菜單

X軸XAxis

Y軸YAxis

選擇X軸變量ChooseX-AxisVariable〔4〕“屏幕〞菜單

添加/刪除曲線Add/DeleteCurves

添加屏幕AddScreen

刪除屏幕DeleteScreen〔5〕“測量〞菜單

測量Measure

最大值Max

最小值Min

下一個(gè)最大值NextMax

下一個(gè)最小值NextMin〔6〕“分析〞菜單

運(yùn)行FFTPerformFFT

時(shí)域中顯示DisplayinTimeDomain

平均值A(chǔ)vg

絕對(duì)值平均數(shù)Avg(|x|)

均方根rms

功率因數(shù)PF(powerfactor)

有功功率P(realpower)

視在功率S(apparentpower)

總諧波畸變率THD〔7〕“視圖〞菜單

縮放Zoom

重繪Redraw

退出Escape

標(biāo)準(zhǔn)工具欄StandardToolbar

測量工具欄MeasureToolbar

狀態(tài)欄StatusBar

計(jì)算器Calculator〔8〕“選項(xiàng)〞菜單

設(shè)置Settings

網(wǎng)格顯示Grid

顏色Color〔9〕“標(biāo)簽〞菜單

文字Text

直線Line

點(diǎn)線DottedLine

箭頭Arrow〔10〕“窗口〞菜單

新窗口New

層疊窗口Cascade

堆疊窗口Tile

整理圖標(biāo)ArrangeIconsSIMVIEW工具欄如下：從左至右依次為：“翻開〞、“打印波形〞、“復(fù)制波形到剪貼板〞、“撤銷〞、“重新載入波形〞、“重繪屏幕〞、“退出縮放或測量模式〔返回光標(biāo)〕〞、“x軸設(shè)置〞、“y軸設(shè)置〞、“添加/刪除波形到當(dāng)前屏幕〞、“添加屏幕〞、“選框縮放〞、“放大〞、“縮小〞、“動(dòng)態(tài)縮放〞、“鼠標(biāo)縮放〞、“平移〞、“測量〞、“標(biāo)記坐標(biāo)值〞、“FFT〞、“返回到時(shí)域〞、“添加文字到屏幕〞、“暫存當(dāng)前顯示設(shè)置〞、“加載暫存的顯示設(shè)置〞、“選擇波形〞、“測量x軸/y軸〞、“查找全局最大值〞、“查找全局最小值〞、“查找下一個(gè)局部最小值〞、“平均值〞、“方均根值〞、“絕對(duì)值平均數(shù)〞、“下一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)〞、“上一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)〞、“功率因數(shù)〞、“有功功率〞、“視在功率〞、“總諧波畸變率〞。8.1.3根本使用1．創(chuàng)立實(shí)驗(yàn)電路翻開PSIM軟件，新建一個(gè)電路圖。在元件菜單中，或者元件工具欄中查找電路所需要的元器件〔如單擊“元件〞→“源〞→“電壓源〞→“DC〞，可以選定一個(gè)直流電源，或者直接單擊元件工具欄上的進(jìn)行選擇〕。一旦選定一個(gè)元器件，該元器件的圖像將出現(xiàn)在屏幕中并隨光標(biāo)移動(dòng)，此時(shí)單擊鼠標(biāo)右鍵可以旋轉(zhuǎn)元器件。通過在屏幕相應(yīng)位置單擊鼠標(biāo)左鍵，就可以放置該元器件。放置元器件后，光標(biāo)仍然保持該元器件的圖像，表示可以繼續(xù)放置。假設(shè)不需要繼續(xù)放置該元器件，那么通過單擊PSIM工具欄中的箭頭圖標(biāo)，取消對(duì)相應(yīng)元器件的選擇并恢復(fù)成鼠標(biāo)光標(biāo)。將需要的元器件放置在屏幕上之后，可以移動(dòng)相應(yīng)元器件，或者旋轉(zhuǎn)元器件以方便連接和觀看電路圖。當(dāng)元器件放置好后，選擇工具欄上的連線工具〔或通過菜單項(xiàng)選擇擇連線命令〕，光標(biāo)將變?yōu)楣P樣的圖標(biāo)，這時(shí)可以對(duì)元器件進(jìn)行連線。單擊工具欄上的標(biāo)簽圖標(biāo)放置標(biāo)簽，可以減少連線。相同標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)是連接在一起的，屬于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。從左至右依次為：“翻開〞、“打印波形〞、“復(fù)制波形到剪貼板〞、“撤銷〞、“重新載入波形〞、“重繪屏幕〞、“退出縮放或測量模式〔返回光標(biāo)〕〞、“x軸設(shè)置〞、“y軸設(shè)置〞、“添加/刪除波形到當(dāng)前屏幕〞、“添加屏幕〞、“選框縮放〞、“放大〞、“縮小〞、“動(dòng)態(tài)縮放〞、“鼠標(biāo)縮放〞、“平移〞、“測量〞、“標(biāo)記坐標(biāo)值〞、“FFT〞、“返回到時(shí)域〞、“添加文字到屏幕〞、“暫存當(dāng)前顯示設(shè)置〞、“加載暫存的顯示設(shè)置〞、“選擇波形〞、“測量x軸/y軸〞、“查找全局最大值〞、“查找全局最小值〞、“查找下一個(gè)局部最小值〞、“平均值〞、“方均根值〞、“絕對(duì)值平均數(shù)〞、“下一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)〞、“上一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)〞、“功率因數(shù)〞、“有功功率〞、“視在功率〞、“總諧波畸變率〞。最后，雙擊圖中的元器件，并在相應(yīng)處填上元器件的參數(shù)，為元器件賦值。經(jīng)過以上步驟，完整的實(shí)驗(yàn)電路圖就被創(chuàng)立好了。在編輯菜單中的激活/屏蔽命令，可以激活/屏蔽電路的一局部。設(shè)置屏蔽后的電路，在電路仿真的時(shí)候?qū)⒈徽J(rèn)為是不存在的。當(dāng)某些元器件只是暫時(shí)不用時(shí)，可以防止刪除后再次使用時(shí)需要重復(fù)添加和設(shè)置參數(shù)。2．運(yùn)行仿真單擊菜單中的“仿真〞→“仿真控制〞，可以將仿真控制元器件放入電路圖中。雙擊仿真控制元器件，可以對(duì)仿真條件進(jìn)行設(shè)置。如圖8-4所示，對(duì)話框中依次可以設(shè)置包括仿真的時(shí)間步長、仿真的總時(shí)長、數(shù)據(jù)輸出開始時(shí)間和數(shù)據(jù)間隔等參數(shù)。圖8-4仿真參數(shù)設(shè)定設(shè)定仿真參數(shù)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：1〕時(shí)間步長的選擇。PSIM的仿真采用已設(shè)定的時(shí)間步長，仿真時(shí)間步長一定要合理選擇。限制電路時(shí)間步長的因素包括開關(guān)周期、脈沖寬度或波形振幅和瞬時(shí)間隔。時(shí)間步長最少也要比以上三者小一個(gè)數(shù)量級(jí)。2〕FFT分析應(yīng)滿足的要求：①波形要到達(dá)穩(wěn)定；②用于FFT變換的數(shù)據(jù)長度應(yīng)該是根本周期的整數(shù)倍。設(shè)置好仿真條件后，單擊“菜單仿真〞→“運(yùn)行仿真〞，或者按〈F8〉鍵。當(dāng)仿真運(yùn)行完成后，SIMVIEW程序會(huì)自動(dòng)翻開，并顯示可以顯示波形的變量。選擇需要查看的波形，并單擊“添加〞，即可查看相應(yīng)的波形。應(yīng)當(dāng)注意的是，由于開關(guān)元器件處理上的簡化，PSIM在提高仿真速度、簡化電路圖設(shè)計(jì)過程的同時(shí)，也失去了描述開關(guān)過渡過程的能力。因此，對(duì)于開關(guān)過程的電流、電壓尖刺等暫態(tài)過程，PSIM一般不能詳細(xì)描述。設(shè)定仿真參數(shù)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：1〕時(shí)間步長的選擇。PSIM的仿真采用已設(shè)定的時(shí)間步長，仿真時(shí)間步長一定要合理選擇。限制電路時(shí)間步長的因素包括開關(guān)周期、脈沖寬度或波形振幅和瞬時(shí)間隔。時(shí)間步長最少也要比以上三者小一個(gè)數(shù)量級(jí)。2〕FFT分析應(yīng)滿足的要求：①波形要到達(dá)穩(wěn)定；②用于FFT變換的數(shù)據(jù)長度應(yīng)該是根本周期的整數(shù)倍。設(shè)置好仿真條件后，單擊“菜單仿真〞→“運(yùn)行仿真〞，或者按〈F8〉鍵。當(dāng)仿真運(yùn)行完成后，SIMVIEW程序會(huì)自動(dòng)翻開，并顯示可以顯示波形的變量。選擇需要查看的波形，并單擊“添加〞，即可查看相應(yīng)的波形。應(yīng)當(dāng)注意的是，由于開關(guān)元器件處理上的簡化，PSIM在提高仿真速度、簡化電路圖設(shè)計(jì)過程的同時(shí)，也失去了描述開關(guān)過渡過程的能力。因此，對(duì)于開關(guān)過程的電流、電壓尖刺等暫態(tài)過程，PSIM一般不能詳細(xì)描述。3．分析波形在Powersim的安裝目錄下的examples目錄中，有大量的例如文件可以學(xué)習(xí)參考，需要的時(shí)候還可以作為功能模塊直接使用。運(yùn)行PSIM軟件所帶的例如文件之一—pwm-rectifier.sch〔電路見圖8-5〕，該電路是一個(gè)三相六開關(guān)PWM整流電路。上半局部是它的電力電子電路，下半局部是控制環(huán)節(jié)?？刂骗h(huán)節(jié)的輸入為傳感器采集的電壓信號(hào)，輸出通過開關(guān)控制器控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。單擊運(yùn)行仿真按鈕啟動(dòng)仿真，仿真完成后會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)波形的分析工具SIMVIEW。在彈出的屬性設(shè)置對(duì)話框中，雙擊窗口左側(cè)“可用變量〞列表中的Vdc工程，添加Vdc到波形圖顯示變量中，單擊確定之后軟件將Vdc的仿真波形圖繪制到屏幕，可以看到三相交流電被整流成近似直流電，如圖8-6所示。圖8-5電路原理圖圖8-6波形圖單擊工具欄上的圖標(biāo)〔或者單擊菜單“測量〞→“測量〞〕，可以激活測量光標(biāo)，并在“測量〞窗口上顯示當(dāng)前光標(biāo)位置，選定波形的X和Y值。單擊工具欄上的圖標(biāo)〔或者單擊菜單“測量〞→“標(biāo)記數(shù)據(jù)點(diǎn)〞〕，可以在波形圖上標(biāo)出當(dāng)前測量點(diǎn)的X和Y值，且光標(biāo)移動(dòng)后數(shù)值不會(huì)消失，如圖8-7所示。用戶還可以使用“測量〔Measure〕〞菜單項(xiàng)選擇擇其他的測量命令，或者“分析〔Analysis〕〞菜單中的命令，對(duì)波形進(jìn)行更多的分析。圖8-7波形圖中的測量值8.2光伏電池模型仿真8.2.1光伏電池模型由于包含單二極管的電路等效模型可以被用于描述單體光伏電池或者串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)的光伏模塊〔面板〕的電路特性，因此在PSIM軟件中的光伏模塊元件模型既可以用于仿真單個(gè)光伏單元，也可以用于仿真光伏模塊甚至是光伏陣列。在PSIM中，光伏模塊的模型分為物理模型和函數(shù)模型兩種，兩種元件在軟件中的圖形分別如圖8-8a、b所示。圖8-8PSIM軟件中的光伏模塊a)物理模型b)函數(shù)模型這兩種模型的理論根底都是光伏電池的單二極管等效電路模型，區(qū)別在于軟件的使用者輸入的參數(shù)類型不同。物理模型是描述信息比較詳細(xì)的模型，可以設(shè)定的參數(shù)較多，且參數(shù)與光伏面板的物理特性和工作環(huán)境相關(guān)。PSIM軟件根據(jù)用戶輸入的物理模型參數(shù)，對(duì)光伏面板的輸出特性曲線進(jìn)行計(jì)算。函數(shù)模型和物理模型基于的電路模型相同，但是用戶在仿真時(shí)需要設(shè)置的參數(shù)類型與物理模型不同，包括開路電壓、短路電流、最大功率點(diǎn)電壓和最大功率點(diǎn)電流。這些參數(shù)在物理模型中，是由PSIM軟件根據(jù)模型的物理參數(shù)間接計(jì)算得到的。在PSIM的幫助文件中，對(duì)PSIM軟件使用的光伏面板模型做了說明。物理模型和函數(shù)模型有3個(gè)相同的端口。最上面的端口是PSIM根據(jù)模型的參數(shù)和輸入的工作條件參數(shù)，對(duì)模型當(dāng)前的最大輸出功率進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，使用電壓探針可以讀取。右側(cè)的直流輸出正、負(fù)極端口，在兩種模型上也沒有分別，都是光伏面板的電能輸出端。而與函數(shù)模型不同的是，物理模型的左側(cè)S端口用于設(shè)定光伏面板接收的輻照度，左側(cè)的T端口用于設(shè)定光伏面板的工作溫度。根據(jù)單二極管等效電路模型，PSIM的光伏面板模型由下面的方程組進(jìn)行描述：式中，q為電子電荷，C；k為玻耳茲曼常數(shù)J/K；S為光強(qiáng)；為絕對(duì)溫度；；U為光伏電池的端電壓；i為模塊輸出的電流值。光伏面板物理模型的參數(shù)及解釋如下：光伏面板中串聯(lián)的光伏單元數(shù)Ns：光伏面板通常是由36個(gè)光伏電池單元串聯(lián)而成的，符合串聯(lián)電路電流相同電壓相加的規(guī)律。標(biāo)準(zhǔn)輻照度為S0：光伏面板測試的標(biāo)準(zhǔn)輻照度〔單位為W/m2〕，國際標(biāo)準(zhǔn)為1000W/m2。參考溫度為Tref：標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的溫度〔單位為℃〕，國際標(biāo)準(zhǔn)為25℃。串聯(lián)電阻Rs：光伏面板中單個(gè)光伏單元的串聯(lián)電阻〔單位為〕。并聯(lián)電阻Rsh：光伏面板中單個(gè)光伏單元的并聯(lián)電阻〔單位為〕。短路電流Isc0：光伏面板中的單顆光伏單元，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件〔1000W/m2，25℃〕下的短路電流。二極管飽和電流Is0：光伏面板中單顆光伏單元，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件〔1000W/m2，25℃〕下的飽和電流。能帶寬度Eg：光伏面板中單顆光伏單元的能帶寬度〔單位為eV〕。晶體硅光電池這一數(shù)值通常在1.2左右，非晶硅光電池通常為1.75左右。光伏面板物理模型的參數(shù)及解釋如下：光伏面板中串聯(lián)的光伏單元數(shù)Ns：光伏面板通常是由36個(gè)光伏電池單元串聯(lián)而成的，符合串聯(lián)電路電流相同電壓相加的規(guī)律。標(biāo)準(zhǔn)輻照度為S0：光伏面板測試的標(biāo)準(zhǔn)輻照度〔單位為W/m2〕，國際標(biāo)準(zhǔn)為1000W/m2。參考溫度為Tref：標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的溫度〔單位為℃〕，國際標(biāo)準(zhǔn)為25℃。串聯(lián)電阻Rs：光伏面板中單個(gè)光伏單元的串聯(lián)電阻〔單位為〕。并聯(lián)電阻Rsh：光伏面板中單個(gè)光伏單元的并聯(lián)電阻〔單位為〕。短路電流Isc0：光伏面板中的單顆光伏單元，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件〔1000W/m2，25℃〕下的短路電流。二極管飽和電流Is0：光伏面板中單顆光伏單元，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件〔1000W/m2，25℃〕下的飽和電流。能帶寬度Eg：光伏面板中單顆光伏單元的能帶寬度〔單位為eV〕。晶體硅光電池這一數(shù)值通常在1.2左右，非晶硅光電池通常為1.75左右。理想因子n：光伏面板中單顆光伏單元的理想因子，又稱為發(fā)射系數(shù)，與光伏單元PN結(jié)特性相關(guān)。晶體硅光電池這一數(shù)值大概在2左右，非晶體硅光電池通常小于2。溫度系數(shù)Ct：溫度系數(shù)〔單位為A/℃或A/K〕。系數(shù)Ks：系數(shù)Ks定義了光照強(qiáng)度影響光伏電池溫度的情況。8.2.2光伏模塊I-U仿真本節(jié)介紹PSIM中的光伏模塊物理模型元件。通過使用該模型，可以仿真得到光伏模塊在不同條件下的I-U特性曲線。仿真電路圖如圖8-9所示。圖8-9仿真電路圖PSIM的光伏模塊物理模型需要輸入光伏面板所接收的輻照度和環(huán)境溫度。在例如中，輸入的是標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下的物理參數(shù)，為1000W/m2的輻照度和25℃的工作溫度。在PSIM中，使用直流電源連接元件的參數(shù)設(shè)定端口，并通過直接將電壓值設(shè)置為相應(yīng)數(shù)值的方式對(duì)光伏模塊設(shè)置輸入?yún)?shù)。標(biāo)記為Pmax和Icell的分別是PSIM軟件中的電壓和電流探針，分別讀取光伏面板在當(dāng)前工作條件下的最大輸出功率值〔由PSIM根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)計(jì)算〕和光伏面板的輸出電流大小。它們將會(huì)對(duì)仿真過程中的電壓和電流值進(jìn)行記錄并保存，以便在SIMVIEW查看相應(yīng)的波形圖。在標(biāo)記Icell和Vcell中間的是電路傳感器，電流傳感器的用法和它的名稱非常相符，它的作用是將當(dāng)前的電流大小傳遞給控制電路。與電流探針不同的是，電流傳感器不記錄電流值。圖中的為電壓傳感器，它和電流傳感器的功能類似，是將電位差值傳送給控制電路。在本電路圖中，由電流傳感器的輸出和電壓傳感器的輸出相乘得到的光伏面板輸出功率值，由電壓探針Power記錄。圖中的為三角波電壓源，它能輸出周期三角波或鋸齒波。在本實(shí)例中，利用該器件產(chǎn)生一隨時(shí)間以固定斜率上升的電壓信號(hào)，以記錄光伏模塊的I-U特性。三角波設(shè)置為占空比0.5，頻率10000Hz，那么周期為1/10000s，電壓上升時(shí)間為1/20000s，即50us。故仿真控制元件中，設(shè)置仿真總時(shí)長為50us。仿真得到的I-U曲線如圖8-10所示，P-U曲線如圖8-11所示。PSIM軟件在“Utilities〔工具〕〞菜單中還提供了SolarModule(physicalmodel)功能。其界面如圖8-12所示。圖8-10I-U/曲線圖8-11P-U曲線圖8-12光伏模塊的參數(shù)設(shè)置通過輸入光伏模塊的物理參數(shù)，可以快速地計(jì)算模塊的工作參數(shù)和最大功率點(diǎn)的信息，并獲得模塊的I-U曲線。8.3最大功率點(diǎn)跟蹤仿真最大功率點(diǎn)跟蹤的方法不止一種，本節(jié)實(shí)例為基于擾動(dòng)觀察法的最大功率點(diǎn)跟蹤仿真。本節(jié)仿真的MPPT算法基于DLL模塊實(shí)現(xiàn)。在PSIM軟件中，用于編寫函數(shù)和算法程序的編程模塊有假設(shè)干種，比方基于數(shù)學(xué)函數(shù)的模塊、DLL模塊和C語言模塊。本節(jié)中介紹基于外部DLL文件的通用DLL模塊〔在PSIM中為GeneralDLLBlock〕。通用DLL模塊，比PSIM中另外提供的固定端口DLL模塊更為靈活，可以定義任意數(shù)量的輸入端口和輸出端口?；贑語言編寫的DLL模塊，某些也可以直接被PSIM軟件提供的C語言功能模塊代替，代碼無需修改。固定3端口輸入DLL模塊、通用DLL模塊、C語言模塊如圖8-13所示。1．編寫DLL文件下面使用MicrosoftVisualC++6.0介紹編寫DLL模塊文件的方法。首先，翻開VC6主程序，新建一個(gè)DLL工程。在新建對(duì)話框中選擇Win32Dynamic-LinkLibrary，并選擇好工程的保存路徑，填寫好工程名單擊確定，如圖8-14所示。圖8-13〔從左至右〕固定3端口輸入DLL模塊、通用DLL模塊、C語言模塊圖8-14創(chuàng)立工程文件圖8-15在工程中添加一個(gè)C語言源代碼文件在接下來的向?qū)е羞x擇建立一個(gè)空DLL工程，并單擊完成。彈出的對(duì)話框詢問是否創(chuàng)立一個(gè)空的DLL工程，再次單擊確定。在工程中添加一個(gè)C語言源代碼文件，如圖8-15所示。在新建的PODLL.C文件中參加以下代碼，引用根本的.h文件并定義函數(shù)體：#inculde<stdio.h>#include<math.h>_declspec(dllexport)voidsimuser(doublet,doubledelt,double*in,double*out){…}在函數(shù)體中編寫MPPT算法。其中輸入端口為in[

]數(shù)組，編號(hào)按從上到下為順序。輸出端口為out[

]數(shù)組，編號(hào)按從上到下為順序。變量t和變量delt分別是時(shí)間和仿真步長。編寫完成后單擊菜單欄的“組建〔Build〕〞→“全部重建〔RebuildAll〕〞，編譯通過后，便可以在工程目錄的Debug目錄下找到生成的DLL文件。2．設(shè)置DLL模塊通用DLL模塊需要設(shè)置的內(nèi)容包括輸入端口數(shù)和輸出端口數(shù)，以及DLL文件的位置，如圖8-16所示。圖8-16設(shè)置DLL模塊本實(shí)例中的MPPT算法根據(jù)光伏模塊的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行最大功率點(diǎn)的跟蹤，因此輸入端口需要兩個(gè)，分別為光伏模塊的輸出電壓值和輸出電流值；輸出端口只有一路信號(hào)，為MOS晶體管的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。定義好DLL模塊，參加到Boost電路中，得到整體的仿真電路圖如圖8-17所示，其中VPO為利用電壓和電流傳感器的輸出計(jì)算的光伏面板輸出功率。圖8-17MPPT算法擾動(dòng)觀察法的控制流程圖如圖8-18所示。圖8-18擾動(dòng)觀察法的控制流程3．仿真測試運(yùn)行仿真，可以觀察光伏面板在輻照度變化的情況下的最大輸出功率值的變化〔由PSIM軟件自動(dòng)計(jì)算得出〕，以及同光伏模塊當(dāng)前輸出功率進(jìn)行比照。仿真還可以觀察光伏模塊輸出電壓的變化情況，看到MPPT算法對(duì)UMPP的跟蹤