數字式光伏電池陣列模擬器的研制

1 引言

太陽(yáng)能作為一種新型的可再生資源受到越來(lái)越廣泛的重視，但在光伏系統的研發(fā)過(guò)程中，太陽(yáng)能電池陣列由于實(shí)驗受到日照強度、環(huán)境溫度的影響，導致實(shí)驗成本過(guò)高，研發(fā)周期變長(cháng)。光伏電池陣列模擬器可以大大縮短光伏系統的研究周期，提高研究效率及研究結果的可信性。

本文設計的光伏電池陣列模擬器以半橋電路為基礎，基于DSP控制，并加入了PI控制改善系統動(dòng)態(tài)性能和穩態(tài)精度。

2 太陽(yáng)能電池的工作特性

太陽(yáng)能電池在有光照條件下，光生電流會(huì )流過(guò)負載，從而產(chǎn)生負載電壓。這時(shí)太陽(yáng)能電池的等效電路如圖1所示。其中，RS為串聯(lián)電阻，Rsh為旁漏電阻，也稱(chēng)跨接電阻，它是由體內的缺陷或硅片邊緣不清潔引起的。顯然，旁路電流Ish和二極管的正向電流ID (通過(guò)PN結總擴散電流)都要靠IL提供，剩余的光電流經(jīng)過(guò)RS，流出太陽(yáng)能電池而進(jìn)入負載。

根據文獻資料[1]，利用廠(chǎng)家提供的短路電流Isc，開(kāi)路電壓VOC，最大功率點(diǎn)處的電流Im和最大功率點(diǎn)處的電壓Vm這四個(gè)參數可以得到太陽(yáng)能電池板便于工程計算的模型：

這樣，就把太陽(yáng)能電池板的I-V特性曲線(xiàn)轉換為簡(jiǎn)單的、便于工程計算的形式。

3 光伏電池陣列模擬器設計

模擬器的目的是要能模擬一定光照下，隨負載變化的太陽(yáng)能電池板的電特性，包括最大輸出功率，輸出I-V特性，以及不同日照下的變化。其應該完成以下三個(gè)方面的要求：

(1) 系統能夠按照光伏陣列的輸出特性完成輸出，當外電路負載一定時(shí)，系統能夠在工作點(diǎn)上保持穩定的輸出；

(2) 當外接負載發(fā)生變化時(shí)，模擬器能夠以合乎要求的速度變化到新工作點(diǎn)并能穩定在該點(diǎn)；

(3) 能夠輸出要求的功率；

本文設計的光伏陣列模擬器的系統結構框圖如圖2所示，整個(gè)系統主要由功率電路和采集控制電路兩部分構成。功率電路采用半橋拓撲，用以完成直流變換，經(jīng)整流濾波后，產(chǎn)生合適的輸出電壓。檢測電路實(shí)時(shí)采集輸出電壓、電流，并送給DSP控制電路。DSP依據采集到的值，產(chǎn)生合適的占空比信號控制半橋兩個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)。隔離驅動(dòng)電路用于驅動(dòng)IGBT開(kāi)關(guān)，并實(shí)現與控制電路的隔離。如果想要模擬一條新的太陽(yáng)能電池板I-V曲線(xiàn)，只需在軟件中重新設定該曲線(xiàn)的和，這四個(gè)參數就可以了。

由于半橋母線(xiàn)電壓為100V，單個(gè)管子承受耐壓應該在100V以上，系統最大輸出電流為3.5A。綜合以上因素后，我們選擇Infinion公司生產(chǎn)的IGBT單管IKW40N120T2，其耐壓1200V，可通過(guò)的均值電流40A，且該單管價(jià)格便宜，開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間極短，開(kāi)通壓降只有1.7V，因此，開(kāi)關(guān)損耗較小，是較理想的選擇。

在本系統中，一共需要四路采集，分別是半橋高低端電壓采集，輸出電壓電流采集。這四路信號都要設定過(guò)壓或過(guò)流保護。采集電流信號使用電流傳感器，采集電壓信號使用電阻分壓的形式。本設計的采集電路使用差分信號傳輸，并基于三級采集電路設計：首先使用全差分放大器LTC1992進(jìn)行單端到差分信號的轉換；然后使用模擬線(xiàn)性光耦HCPL7840進(jìn)行信號隔離；最后使用儀用運放INA121將信號進(jìn)行適當放大。

4 控制算法實(shí)現

4.1 尋找負載工作點(diǎn)的算法設計

光伏模擬器主要是跟蹤負載的工作點(diǎn)，使得模擬器在不同負載情況下的輸出能滿(mǎn)足光伏陣列的輸出特性。靜態(tài)工作點(diǎn)的確定是模擬器的關(guān)鍵，如何在一特定負載下快速尋找到期望工作點(diǎn)，并使電源工作在這個(gè)點(diǎn)上。當負載變化，或是環(huán)境條件變化時(shí)，又如何找到新的工作點(diǎn)，并快速且精確的控制電源運行在這個(gè)工作點(diǎn)上，是模擬器控制算法所要解決的核心問(wèn)題。

當負載電阻確定后，想要確定工作點(diǎn)處的電壓電流，需要代入式(1)進(jìn)行計算，但公式復雜，且涉及指數運算，在程序實(shí)現上十分麻煩，而且也會(huì )影響系統響應的速度。從我們研究太陽(yáng)能電池的輸出I-V特性曲線(xiàn)可以看到，在短路電流點(diǎn)附近，電池板接近恒流，輸出I-V曲線(xiàn)在這一段接近一條直線(xiàn)；在開(kāi)路電壓點(diǎn)附近，電池板接近恒壓，輸出I-V曲線(xiàn)在這一段也接近一條直線(xiàn)。所以我們用四條直線(xiàn)來(lái)對電池板輸出I-V曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，如圖3所示。

只要我們采集輸出電壓電流，得到負載電阻，其伏安特性曲線(xiàn)是一條通過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，這一直線(xiàn)與上面某一條直線(xiàn)必然交于一點(diǎn)，這一點(diǎn)就是我們系統的理想工作點(diǎn)。然后再根據這一點(diǎn)的電壓和半橋公式就能得到系統需要發(fā)出的占空比。

4.2 PI控制算法在模擬器中的應用

為了提高系統速度和減少靜態(tài)誤差，在控制系統中應用了PI控制算法，本設計的控制結構見(jiàn)圖4。根據上文的控制策略，從測得的輸出電壓電流，可以得到輸出負載RL，進(jìn)而得到參考電壓Vref，它與實(shí)際輸出電壓相減送入PI控制器中，PI輸出控制調節占空比，進(jìn)而使實(shí)際輸出電壓與Vref一致。

將上述得到的理論、代入程序中，運行測得輸出幾乎與理論值一致，偏差基本都在0.3V以?xún)?，證明了我們整定的參數是成功的。

4.3 軟件主程序流程圖

系統的控制工作是由軟件部分完成的。軟件系統的工作主要有兩點(diǎn)：一是采集數據；二是完成占空比的計算。主程序模塊中主要是進(jìn)行系統初始化工作及等待處理中斷，其中系統初始化主要包括ADC模塊的初始化和事件管理器EVB模塊的初始化。主程序流程圖見(jiàn)圖5。

圖5 主程序流程圖

表1 變負載時(shí)的輸出電壓

5 實(shí)驗結果

基于前面各章對硬件設計、算法、軟件編程等方面的研究，設計了一臺光伏電池陣列模擬器，其技術(shù)參數為：。

5.1 模擬器系統的靜態(tài)效果

為了驗證系統輸出是否能模擬出一條理想的太陽(yáng)能電池的輸出I-V特性曲線(xiàn)，需要測試RL取不同值時(shí)，輸出的工作點(diǎn)情況。依據四折線(xiàn)法，RL確定后，就能確定理論的輸出電壓。依照以上方法進(jìn)行了一組不同負載實(shí)驗，測試的數據如表1所示。

由表1可以看到，系統輸出電壓在69.4V以上時(shí)，系統工作在最大功率點(diǎn)附近和開(kāi)路電壓附近，這時(shí)系統輸出精度基本都在1%以下。說(shuō)明我們設計的光伏電池陣列模擬器能夠在變負載時(shí)，比較精確的模擬出太陽(yáng)能電池陣列的輸出I-V特性曲線(xiàn)

5.2 模擬器系統的動(dòng)態(tài)效果

設計光伏電池陣列模擬器的最終目的是要用于光伏逆變系統實(shí)驗，因此，只在靜態(tài)情況下描出太陽(yáng)能電池板輸出I-V特性曲線(xiàn)是不夠的，還需要用實(shí)驗檢測系統的響應速度，即動(dòng)態(tài)特性。

影響本系統動(dòng)態(tài)響應時(shí)間的因素主要有兩個(gè)：一是輸出電容的電壓慣性；二是系統軟件算法的執行時(shí)間。我們做了兩個(gè)實(shí)驗，一是負載突變時(shí)，看輸出電壓的變化；二是直接接光伏逆變系統，讓逆變器按照最大功率點(diǎn)跟蹤算法(MPPT)去測試模擬器的性能。如果逆變器能跟蹤到最大的功率，則說(shuō)明我們的模擬器達到了設計指標。

我們將負載電阻進(jìn)行突變，輸出電壓也會(huì )變化。圖6是在模擬開(kāi)路電壓為40V時(shí)，負載電阻由21.6 Ω突變到49.5 Ω時(shí)，輸出電壓由31.6V跳變到36.1V時(shí)的動(dòng)態(tài)響應波形。由圖6可以看到，輸出電壓可以在約8ms的時(shí)間里完成變化響應，但是，這個(gè)速度到底夠不夠，還要看接上實(shí)際逆變器后的效果。

圖6輸出電壓動(dòng)態(tài)響應波形

在逆變器前端是BOOST電路，用以實(shí)現MPPT算法。BOOST電路輸入端與我們設計的模擬器相連后，輸出端接一電阻。首先讓模擬器工作，測量此時(shí)輸出為開(kāi)路電壓。然后，BOOST電路開(kāi)始工作，執行MPPT算法。實(shí)驗測量，BOOST輸入電壓由開(kāi)路電壓90V逐漸減小，最終在最大功率點(diǎn)電壓80V處基本穩定，證明找到了模擬電池的最大功率點(diǎn)。

6 結論

本文在研究了太陽(yáng)能電池的數學(xué)模型的基礎上，結合電力電子技術(shù)和控制技術(shù)，給出了一個(gè)基于微控制器和DC/DC環(huán)節的光伏陣列模擬器的設計。實(shí)驗證明，模擬器樣機可以有效的模擬光伏陣列的輸出，輸出特性可以比較準確的模擬光伏陣列，輸出電壓、電流較穩定?！?br />