數字式光伏陣列模擬器的設計研究

0 引言

目前，全球性的能源危機迫使越來(lái)越多的國家開(kāi)始重視新能源的研究，光伏發(fā)電作為其中很重要的一種也得到了廣泛研究。但是，由于光伏電池造價(jià)高，導致研究成本很高，不利于其初期的研究。因此，很有必要設計一種成本較低，能夠代替實(shí)際光伏電池陣列來(lái)進(jìn)行各種光伏實(shí)驗的太陽(yáng)能電池模擬器。

本文所設計的太陽(yáng)能電池模擬器以 BUCK 電路為基礎，采用 ARM 控制，并加入了電流 PI 控制方式來(lái)改善系統動(dòng)態(tài)性能和穩態(tài)精度。此外，本文還采用四折線(xiàn)法來(lái)對光伏電池陣列的特性曲線(xiàn)進(jìn)行分段擬合，并進(jìn)行了仿真驗證。

1 系統設計目標

1.1 太陽(yáng)能電池板伏安特性曲線(xiàn)

圖 1 所示是太陽(yáng)能電池板輸出 I-U 特性曲線(xiàn)隨日照、溫度的變化情況。太陽(yáng)能電池板模擬器需要能夠模擬出不同溫度、不同光照下的各種曲線(xiàn)，換言之，模擬器最終要能夠模擬出許多條曲線(xiàn)。但是，某一時(shí)間下，日照強度和溫度是一定的，在此時(shí)間下，輸出曲線(xiàn)也只有一條符合要求。設計時(shí)可根據設定的日照強度和溫度來(lái)計算確定輸出哪一條曲線(xiàn)。實(shí)際做法是將不同日照、不同溫度下的曲線(xiàn)計算出來(lái)后將其離散化，并以數據表的形式存入 ARM 控制器中。存入的曲線(xiàn)越多，所能覆蓋的溫度日照范圍越廣。

1.2 太陽(yáng)能電池板的工程數學(xué)模型

電池板出廠(chǎng)時(shí)都會(huì )給出短路電流、開(kāi)路電壓、最大功率點(diǎn)電流和電壓這四個(gè)參數 (ISC 、 VOC 、 Im 和 Vm) ，而且四個(gè)參數符合下列公式：

這樣，就可將太陽(yáng)能電池板的 I-U 特性曲線(xiàn)轉換為便于工程計算的形式。

式 (1) 描述的是標準照度 (Sref=1000 W ／ m2) 和標準溫度 (Tref= 25 ℃ ) 下的 I-U 曲線(xiàn)。一般情況下 ( 照度 S ，溫度 T) 的 I-U 方程可按照以下方法進(jìn)行計算：

首先算出一般情況與標準情況下的溫度差△ T 和相對照度差△ S ：

2 系統原理及控制策略

2.1 系統原理

本系統的原理框圖如圖 2 所示，其中直流穩壓電源可提供 150 V 的恒定電壓輸出，然后通過(guò) BUCK 降壓電路把電壓加在輸出負載上，以實(shí)時(shí)采集負載兩端的電壓和電流，再經(jīng)過(guò)控制電路的控制算法改變 BUCK 電路的 PWM 占空比，以把輸出電壓和電流控制在預想的 I-U 曲線(xiàn)上。