离网型光伏发电系统实验报告

新能源技术课程设计实验报告题目
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完成日期：
一、 实验过程记录
1. 根据光伏电池的等效电路，利用仿真软件搭建光伏电池数学模型 （1）I ph 数学模型及参数设置
按照原理算式如下
ref
ref ref S S
T T I I ]
[,sc ph ）（-+=α
（1）
在MATLAB 中建立模型，从Simulink 元件库中拉取inport 、sum 、gain 、product 、outport 等原件，并按照原理搭建合适模型并封装。

如图1所示。

图1 I ph 数学模型图
通过参考实验时所运用的太阳能电池板的参数其中参数设置T ref =298K ，S sef =1000W/m 2，α=0.06/1，I
sc,ref =8.30/1A 。

（2）U oc 数学模型及参数设置
根据原理中U oc =V oc,ref +β×(T -298)可在MATLAB 中建立模型，从Simulink 元件库中拉取inport 、constant 、sum 、gain 、outport 等原件，并按照原理搭建应有模型并封装。

如图2所示。

图2 U oc 数学模型图
通过参考实验时所运用的太阳能电池板的参数其中参数设置：V oc,ref =29.5/1V ，β=-0.33/1。

（3）I d 数学模型及参数设置
可在gain 、product 、图3 I d 数学模型图
通过参考实验时所运用的太阳能电池板的参数其中参数设置：A =5，K =1.38×10-23J/K 。

（4）输出I 数学模型及参数设置
根据原理公式
]1))
((
ex [ph -+-=AKT N IR V q p I N I N I s s O P p
（3）
可在MATLAB 中将以上封装好的模块拼装成合适的仿真模型。

如图4所示。

U
I
图4输出I 数学模型图
通过参考实验时所运用的太阳能电池板的参数其中参数设置：N p=1。

在这一过程中开始时由于粗心，少了一个环节，即对Vt取1/U，导致出现的仿真图形总是达不到理想的结果，所以通过同学之间的讨论以及细心的检查终于在推导公式的过程中发现了这个粗心的错误。

powergui
（5）总体封装后数学模型，如图5所示。

图5总体封装后数学模型图
2. 放大电路的模块构建
根据DC-DC升压电路的原理，在系统主电路图中我选择的升压电路是Boost 升压电路，先从Simulink元件库中拉取inport、constant、sum、gain、outport等原件，构建光伏阵列输出。

再从元件库中拉取signum、memory、zero-order hold、constant、inport、sum、gain、product、outport等原件搭建MPPT模块，最后从元件库中拉取universal bridge、diode、RLC等原件构建升压电路。

搭建好模块之后，如图6所示，其中包括MPPT扰动法的数学模型如图7所示，设置参数，其中L=1mH，C1=500μF，R=10Ω，IGBT开关频率为10kHz，C=100e-6F。

在这一过程中，出现的麻烦就是对于DC-DC电路的参数设置问题，开始时设置的是自己通过参考文献设置的电路参数，但是仿真中并不能更好的出现仿真波形。

所以通过自己的调试，L=10e-3H，C1=100e-5F，R=10Ω，IGBT开关频率为10kHz，C=300e-6F。

Ts
powergui
Sine Wave
Scope
+
S
PWM Generator
E
k
+
i -Current 1
i -
Current
+
+
图6 DC-DC 升压电路数学模型图
图7 MPPT 扰动法数学模型图
3. DC-AC 逆变电路的构建
根据DC-AC 逆变电路的原理，在系统主电路图中我选择的逆变电路是电压型逆变电路，先从Simulink 元件库中拉取inport 、constant 、sum 、gain 、outport 等原件，构建直流输出。

再从元件库中拉取universal bridge 、diode 、RLC 等原件构建升压电路。

构建的逆变电路如图8所示。

E
E
E
E
图8 DC-AC 逆变电路图
4. 太阳能电池板的搭建以及实际电路的搭建
搭建好太阳能电池板，如图9所示。

并按照实际测量电路图搭建电路，如图10所示。

在这一过程中，出现的困难就是对光伏电池板的安装过程不熟悉，搭建过程繁琐，但是通过大家统一的要求，我们将光伏电池板安装整洁并能够获得较好的光照角度。

方便了我们的实验数据的测量。

图9光伏电池板搭建图
图10实际测量电路搭建图
5. 数据测量记录并处理
调节滑动变阻器，并记录不同光照强度下光伏电池板输出的电压值和电流值，并计算出功率大小，记入准备好的表格中。

并用Excel软件分别画出I-U和P-U曲线，如图11、12、13所示。

表1
当S=1270W/m2，T= 286K 时
I(A) 0.35 0.52 0.99 1.73 2.45 6.35 7.5 8.35 0
U(V) 27.1 26.9 26.6 26 25.4 21.3 13.9 7.2 8.91 P(W) 9.485 13.988 26.334 44.98 62.23 135.25 104.25 60.12 0
表2
当S=1200W/m2，T= 286K 时
I(A) 0.34 0.59 1.05 6 7.1 7.6 8 8.07 8.18 U(V) 26.4 26.3 26 21 13.4 11.4 7.7 3.4 0.08 P(W) 8.97615.517 27.3 126 95.14 86.64 61.6 27.438 0.6544
表3
当S=1250W/m2，T= 286K 时
I(A) 0 1.33 3.05 4.96 5.7 6.5 7.4 7.84 8.11 U(V) 26.8 25.7 24.5 22.6 21.1 18.1 12.9 9 0
P(W) 0 34.181 74.725 112.09 120.27 117.65 95.46 70.56 0
图11对应表1的I-U、P-U图
图12对应表2的I-U、P-U图
图13对应表3的I-U、P-U图
二、实验结果处理与分析
1. 根据建立的光伏电池的等效模型，绘制不同光照强度下、不同温度下光伏电池的I-V、P-V特性曲线。

1）标准状态下，当S=1000W/m2，T= 298K时，得到的I-U、P-U仿真图如图14所示。

其中最大功率输出是可以达到给定光伏电池板的特性所表示出的180W。

其短路电流为8.3A，开路电压为29.5V。

图14 I-U、P-U仿真图
2）当S=1000W/m2一定时，改变T分别为320K、360K时的仿真图分别为图15、图16所示。

图15 I-U、P-U仿真图
图16 I-U、P-U仿真图
从上仿真图的对比可以看出其它条件一定时，光伏电池周围环境温度的升高将使光伏电池的开路电压V oc下降，短路电流I sc轻微增加，从而导致光伏电池的输出功率下降。

光伏电池的温度特性一般用光伏电池的温度系数表示，温度系数小，说明光伏电池的输出随温度变化的越缓慢。

3）当T=298K时，改变S分别为750W/m2、500W/m2的仿真分别如图17、图18所示。

图17 I-U、P-U仿真图
图18 I-U、P-U仿真图
从上仿真图形中可以看出其它条件一定时，光伏电池表面光照强度的增加将
使光伏电池的短路电流I sc增加，开路电压V oc也略微增加，从而导致光伏电池输出功率增加。

2. 实际测量出数据的处理及误差分析
通过对光伏电池板的实际测量，我们要对记录的数据进行处理绘成所需求的I-U、P-U的实际曲线。

在这过程中，运用了对数据处理比较方便的Excel办公软件，其中包括了功率的计算即P=U×I，同时也运用了该软件对于数据绘制的图形方便之处。

绘制出自己统计的数据对应的图形。

但是在运用Excel软件时，并不是将所有的数据统统输入进去绘制图形，而是先将数据输入后绘制图形，然后观察数据的准确性，然后将试验中偏差较大的、严重影响实际波形的点剔除掉，使我们实际的波形更加完美，误差更加小。

试验中，我们的温度是T=286K，S=1250W/m2，其实际波形如图19所示。

而这种情况下的仿真图形如图20所示。

T=286K，S=1200W/m2，其实际波形如图21所示。

而这种情况下的仿真图形如图22所示。

图19 I-U、P-U实际绘图
图20 I-U、P-U仿真图
图21 I-U、P-U实际绘图
图22 I-U、P-U仿真图
从仿真和实际图可看出，I-U、P-U都是有差别的，通过自己的分析我认为出现误差的原因就是在调节滑动变阻器的时候滑动不均匀原因，比如在15-20V 电压中实际的测量中本应该多测量几组数据可以看出其转折点的确定值，而自己的测量则不细致，跨度太大，不能完美的表现出其转折点，这会使波形的转折点不一致，从而出现误差，这一点在T=286K，S=1200W/m2这种情况下的实际测量数据拟合的图和仿真图的对比下表现得特别明显，这也是我们实验室比较偏严重的操作误差。

还有一个原因，我认为实际的内阻大小是没法估计的，而在仿真中R s的值也是估计值，这会影响仿真波形和仿真图的拟合程度。

3. DC-DC升压电路的仿真效果
首先在搭建的光伏阵列模块中，我们首先需要其输出达到我们预设的180W，在这一块，我是做到了自己预想，仿真效果如图23所示。

图23光伏阵列功率输出仿真图
其次就是MPPT扰动法通过零阶保持器以及设定的三角波的差值产生的PWM波的波形，如图24所示。

图24 PWM波输出仿真图
然后就是最后的输出功率在180W上下波动，其中其功率是不停的波动的，因为那是对MPPT扰动法的自身追踪，如图25所示。

图25 DC-DC后输出功率、上下波动仿真图
最后就是DC-DC的放大倍数的体现，通过预习时设定的参数，我将电压放大3倍，其仿真效果如图26所示。

图26 DC-DC后电压放大倍数仿真图
4. DC-AC逆变电路的仿真效果
首先是产生PWM波，以产生脉冲分别相差120°的脉冲，以控制4个IGBT 的导通时间，从而产生逆变效果。

其次就是将直流电源改为DC-DC的输出电压的稳定直流电压值即69V，从而产生交流正弦波，其仿真图如图27所示。

图27 DC-AC输出交流电仿真图
三、心得体会
本次课程设计是一次别开生面的实验过程，之前没有接触过光伏电池的研究，更没有接触到其仿真电路、以及MATLAB软件的仿真模型的构建。

通过这次课程设计，我发现了自己的问题，比如仿真效果的不完美拟合、以及DC-DC-AC
电路的仿真模型搭建是自己的一个弱项，包括电路的搭建以及参数的整定我都是比较弱的，鉴于这些问题，我对自己的解决方法就是先独立思考，回归课本寻找最基本的原理知识。

其次就是通过自己查找文献，来寻找相关内容，来弥补自己的缺陷，最后实在不会我就会求助老师，在整个环节中，老师对我的帮助特别大，每一个小的提醒就会让我们茅塞顿开。

当然，在设计中也有自己没有预想到的问题，比如在光伏电池板的装配过程中出现的结构搭建繁琐以及不稳定问题、MPPT扰动法改变占空比的原理等，我是在预习时没有预想到的。

但是对于没有预想到的问题，我能够静下心来踏实的去思考解决方法，能够主动的提出解决方案。

并通过大家的协商，达到较好的解决问题的效果。

在这次课程设计中，我学到了很多的知识其中包括：光伏电池的原理、公式推导、MPPT的几种常规方法的原理及仿真模型的搭建、DC-DC升压电路的原理、DC-AC逆变电路的原理、还有就是怎么样将输出信号转化为PWM波的简单的方法等。

这么多知识有的在课堂上是学过的，在这次课程设计中的到了验证。

也有很多东西在课堂上收学不到的，就比如光伏阵列模型的构建、以及MPPT 后PWM波的生成方式、实际电路中参数的整定等。

所以，通过这次课程设计，既发现了自己的不足，也学会了很多的知识，同时也锻炼了自己解决复杂工程问题的能力和独立思考的能力。

综上而言，我特别欣赏这次的课程设计，它是实实在在锻炼了我们的能力，对我们的课堂知识以及工程师的基本能力都有大的提高。