基于LabVIEW与Simulink混合编程的光伏发电系统仿真

刘　颖，陆　宁

(1.武汉供电公司电力调度控制中心，湖北武汉430070；2.武汉理工大学自动化学院，湖北武汉430070)

基于LabVIEW与Simulink混合编程的光伏发电系统仿真

刘颖1，陆宁2

(1.武汉供电公司电力调度控制中心，湖北武汉430070；2.武汉理工大学自动化学院，湖北武汉430070)

光伏作为重要的新能源之一备受关注，对光伏组件的建模与仿真，可为光伏系统其他环节的研究以及其并网运行提供基础与理论依据。在MATLAB/Simulink仿真软件中建立了光伏阵列和功率变换的仿真模型,并实现基于电导增量法的最大功率跟踪的仿真。Simulink不足之处在于界面开发较复杂，利用LabVIEW的界面开发优势，采用该软件所提供的与Simulink的接口,实现了基于LabVIEW和MATLAB/Simulink混合编程的小型混合能源发电系统的仿真。实例表明,利用LabVIW和MATLAB/Simulink进行协同仿真，可以较好地完成复杂系统的辅助设计与仿真分析。

光伏发电；LabVIEW；Simulink；混合编程；系统仿真

随着全球新能源的开发和新能源技术的发展，各国对可再生能源发电的研究也逐渐深入和广泛。我国正紧锣密鼓地规划新能源的发展，其中光伏发电就是新能源发展的四大重点之一，而促进光伏产业走向市场化、规范化、可持续发展的道路，有利于推动我国节能环保事业的发展，促进资源节约型和环境友好型社会的建设。湖北省日照丰富，已出台《关于促进光伏发电项目建设的通知》，鼓励发电项目的建设，对于光伏发电的研究也提出要求。光伏发电系统中光伏电池以及其他环节的实验及研究需要以仿真研究为基础。对光伏组件的建模与仿真可以为其他环节的深入研究提供基础和理论依据。

光伏电池材料是一种特殊半导体，它是一种将光能转换成电能的一种固态器件。根据其工作原理可以建立数学模型描述其特性[1-2]，这是建立光伏电池仿真模型的基础。在一定的光照强度、一定温度下，光伏组件存在一个最大输出功率的工作点(MPP)，为了使光伏组件的发电效率最大，常要进行最大功率跟踪控制(maximum power point tracking，MPPT)。

MATLAB/Simulink仿真软件功能强大并且有良好简洁的建模环境，根据光伏电池组件的物理特性等效电路及数学模型，本文在该平台建立了光伏组件的仿真模型,光伏发电系统采用电导增量法实现最大功率跟踪。

由于MATLAB界面开发能力较弱，不直观，在数据输入方面比较繁琐，不利于参数设置。因此我们采用NI公司的LabVIEW实现编程界面，并实现与Simulink模型的接口，在LabVIEW中调用和操作MATLAB的模型，直观地进行参数设置和协调控制，实现发电系统的监控。

1　LabVIEW与Simulink的接口设计

美国NI公司推出的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)，它是基于图形化数据流编程语言——G语言的开软件开发平台，其优点是大大简化了软件的开发。MATLAB以其强大的科学计算功能、大量稳定可靠的算法库，已成为数学计算工具方面事实上的标准。但两者各有优势，利用混合编程可以相互补充。

1.1Simulink与LabVIEW软件平台特点

MATLAB中Simulink是基于MATLAB的框图设计环境，用于实现动态系统建模、仿真和综合分析[4]，不足之处是界面开发能力不强，不直观简洁，并且数据输入、参数设置等方面都相对复杂。

LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境的简称，是一种方便的面向对象的图形化编程平台。它与其他计算机语言的显著区别是：LabVIEW使用的是图形化编辑语言，而其他的计算机语言是采用基于文本的语言形成代码，LabVIEW的程序是由框图构成。它含有大量与其他应用程序进行通信接口的VI库。但LabVIEW缺点在于它对各种算法的支持非常有限，从而限制了大型应用程序的开发。

本文综合LabVIEW和MATLAB的优点，在LabVIEW 2012中调用、操作MATLAB2014中Simulink开发的模型，从而实现LabVIEW和MATLAB的混合编程[3-4]，具体是由MATLAB编程实现光伏发电系统仿真，用LabVIEW实现编程界面，直观进行参数设置和协调控制，以及运行过程与结果显示，充分发挥两者的优势，为新能源的仿真研究提供新思路。

1.2接口实现

通过LabVIEW仿真工具包 Simulation Interface Toolkit (SIT)实现对Simulink的链接，如图1所示。

图1　LabVIEW与Simulink的接口

(1)Host VI(LabVIEW平台上开发)将使用TCP/IP发送新的参数给SIT服务器；

(2)SIT服务器传送这些参数给Model模型(在Simulink中编写)；

(3)Model模型使用这些新参数，执行更新；

(4)SIT服务器检测已经建立映射的模型信号；

(5)SIT Server传输新的信号数值给Host VI，Host VI更新前面版指示器。

通过SIT工具包，可实现LabVIEW与Simulink的接口。

2　仿真实例

本文采用LabVIEW和MATLAB的混合编程，实现含有柴油发电、光伏发电、负载、储能的系统的监控与协调控制。

2.1小型光伏、柴油混合能源发电系统结构

设系统由光伏发电以及柴油发电机的混合能源给负载进行供电(如图2)，柴油发电机(15 kW)，供电可以完全满足负载需求，系统中由蓄电池进行储能。

图2　小型混合发电系统结构

2.2光伏发电的MATLAB/Simulink仿真

在MATLAB/Simulink仿真环境下，建立光伏发电的仿真模型[5]，如图3所示。该模型实现数学模型中电压与电流的复杂函数关系，能很好地模拟光伏电池的工作情况，同时可以实现在不同光照强度和温度下光伏组件的模拟。根据光伏电池的输出U-I特性，可以分析得到组件的U-P特性曲线为单峰曲线，故光伏电池存在最大功率工作点(MPP)[6]。该模型采用导纳增量法实现光伏电池的最大功率跟踪。

图3　光伏发电仿真

2.3发电系统的设计

系统需要实现的功能有：

(1)运行：当打开程序并运行时，系统等待开始监控的命令，所有控件置为默认值；

(2)开始监控：当点击开始按钮后，系统开始检测可再生能源与荷载；

(3)检测可再生能源与荷载：比较可再生能源功率总输出PRE与荷载功率消耗总和PL，决定下一个执行状态。

若光伏能源提供功率输出PRE大于所有荷载的功率消耗时，停止使用柴油发电机供电，检测是否要为电池充电；光伏发电提供功率输出PRE小于所有荷载的功率消耗时，检测是否开启电池，由蓄电池进行供电。

检测是否为电池充电：当电池不饱和时，为电池充电。当电池饱和时，继续检测光伏能源与荷载。检测是否开启电池供电：检测电池容量，当高于放电级别(Discharge Level)时，控制电池放电，并停止使用柴油发电机供电。当电池容量低于放电级别时，开始使用柴油发电机供电，并检测是否为电池充电。

检测是否关闭电池供电：检测电池容量是否低于充电级别(Charge Level)。若低于，则开始使用柴油发电机供电，并检测是否为电池充电。当电池容量高于充电级别时，继续控制电池放电。

电池充电：为电池充电，并继续检测可再生能源与荷载。

电池放电：控制电池放电，并继续检测是否关闭电池供电。

2.4在LabVIEW中调用MATLAB/Simulink光伏发电系统

在LabVIEW完成界面设计，实现该发电系统的运行与监控，界面中的控件与对应的描述见表1。

表1　系统界面中的控件及描述

打开SIT Connection Manager—Model and Host选项卡，其中Current Model用来设置模型文件的路径。通过配置SIT Connection Manager中的Current Mapping对话框来实现前面板(host vi)中的输入/输出控件与光伏发电模型的输入输出变量(model parameters)之间的映射关系。

2.5系统的运行

首先运行LabVIEW程序，然后运行Simulink模型。在运行期间，通过LabVIEW前面板的控件可调整光伏发电参数，进行仿真，并显示结果。

发电系统仿真结果如图4，利用SIT工具包，可使MATLAB/Simulink和LabVIEW两者的优势结合起来，使得参数调节与结果显示方便直观，有利于对该系统的监控。

图4　发电系统仿真运行界面

3　结论

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和资源的充足性及潜在的经济性等优点，是我国光伏发电新能源发展的四大重点之一,发展光伏产业，将促进资源节约型和环境友好型社会的建设。湖北省日照丰富，相关政策也鼓励光伏发电项目的建设，这对于光伏发电的研究也提出要求，光伏发电系统仿真的研究能更好地为光伏发电的实践提供依据。本文利用LabVIEW和MATLAB的优点，首先通过SIT工具包，实现LabVIEW与Simulink的接口，然后在LabVIEW中调用Simulink模型，LabVIEW实现参数设置，显示结果。Lab-VIEW和MATLAB的结合与协同操作，实现对光伏组件的建模与仿真，不仅为光伏发电系统其他环节的深入研究提供依据,也将为光伏发电并网的研究提供基础。

[1]禹华军,潘俊民.光伏电池的输出特性与最大功率跟踪的仿真分析[J].计算机仿真,2005,22(6):248-252.

[2]杜慧.太阳能发电控制系统的研究[D].北京:华北电力大学, 2008.

[3]曲丽荣,胡容，范康寿.LabVIEW、MABLAB及其混合编程技术[M].北京：机械工业出版社，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]张志涌.精通Matlab[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

[6]田慧雯,李咸善,陈铁,等.基于混合储能的光伏微网孤网运行的综合控制策略[J].电力系统保护与控制,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

国家自然科学青年基金项目(51307128)

刘颖(1980—)，男，湖北省人，工程硕士研究生，主要研究方向为电力系统经济运行。