基于SIMULINK工具的數字式光伏陣列模擬器的設計研

　　具體調節時(shí)，若采集的電壓電流對應的負載工作點(diǎn)在(點(diǎn)A)，曲線(xiàn)外時(shí)，可以減小占空比D。以減小輸出電壓，從而使工作點(diǎn)沿負載線(xiàn)向B點(diǎn)移動(dòng)，此時(shí)B點(diǎn)就是想要的工作點(diǎn)；而當采集的電壓電流對應的負載工作點(diǎn)在(點(diǎn)A)，曲線(xiàn)內部時(shí)，則可增大占空比D，從而增大輸出電壓，使工作點(diǎn)沿負載線(xiàn)向B點(diǎn)移動(dòng)。由于負載為阻性，所以，基于電壓和基于電流的調節是等效的。本文由于輸出電壓的惰性，設計時(shí)采用了基于電流的調節方式。

　　當外部環(huán)境不變，也就是太陽(yáng)能電池板的輸出曲線(xiàn)不變時(shí)，若負載變化，則馬上可以得到新的負載工作點(diǎn)，這樣，按照以上方法調節占空比，也可使負載工作點(diǎn)沿負載線(xiàn)方向移動(dòng)到我們想要的曲線(xiàn)上。

　　事實(shí)上，當負載不變，環(huán)境變化(也就是曲線(xiàn)變化)時(shí)，仍可按照事先存人的曲線(xiàn)數據把新的曲線(xiàn)調出來(lái)，然后與負載比較來(lái)得到新的工作點(diǎn)，之后仍按照以上方法調節占空比，使負載工作點(diǎn)沿負載線(xiàn)方向移動(dòng)到我們想要的曲線(xiàn)上。

　　3算法實(shí)現流程

　　采用數據表查表法時(shí)，程序在逼近工作點(diǎn)的過(guò)程通常需要一定時(shí)間，因為算法本身需要一個(gè)步進(jìn)量，步進(jìn)量的大小選取也是個(gè)問(wèn)題，且方法復雜。而采用四折線(xiàn)法來(lái)實(shí)時(shí)計算工作點(diǎn)則具有計算量小，執行時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

　由太陽(yáng)能電池板輸出的伏安特性曲線(xiàn)可以看出，開(kāi)路點(diǎn)和短路點(diǎn)處的曲線(xiàn)都比較平滑，故可用四條折線(xiàn)來(lái)模擬。在這四條折線(xiàn)的方程曲線(xiàn)中，某一負載電阻RL必然與這四條折線(xiàn)的一條相交。這樣，就可以直接構造負載電阻RL與輸出電流的關(guān)系方程，進(jìn)而得到負載電阻RL與所需占空比D的關(guān)系方程。因此，在程序中只需計算一個(gè)除法和一個(gè)加法運算就可以得到所需的占空比D，實(shí)現起來(lái)簡(jiǎn)便易行。同樣，如果需要多組曲線(xiàn)，只需構造多組折線(xiàn)方程預先存入ARM中就可以了。其程序執行流程圖圖4所示。

　　4SIMULINK仿真結果分析

　　為了提高系統的響應速度，減小穩態(tài)誤差，本設計在電流反饋中使用了PI控制。其控制框圖如圖5所示。根據本文的控制策略，從測得的輸出電壓電流可以得到輸出負載RL，進(jìn)而得到參考電流Iref。把該電流與實(shí)際輸出電流相減再送人PI控制器中，然后用PI輸出控制調節占空比，進(jìn)而使實(shí)際輸出電流與Iref一致。

　　圖6是用SIMUUNK工具構造的仿真模型。用該系統模擬的太陽(yáng)能電池板的最大輸出功率為120W。由150V直流電源提供輸入，經(jīng)BUCK降壓電路后加在負載RL上。再將測得的負載兩端電壓除以電流，就可得到輸出負載RL的值。為了避免繁瑣的計算，提高系統的響應速度，可以將打算輸出的電池板的I-U曲線(xiàn)擬合成RL-Iref關(guān)系曲線(xiàn)。再做成LookupTable數據表。這樣，通過(guò)查表就很容易得到參考電流Iref。如果想要擬合不同日照溫度下的電池板的I-U曲線(xiàn)，只要把LookupTable的值進(jìn)行相應的更換就可以了。

　　本文采用試湊法對PI控制器的參數進(jìn)行了整定。首先將積分時(shí)間常數Ti取零，即取消積分作用，而采用純比例控制。然后將比例增益P由小變到大，并觀(guān)察系統響應，直至系統響應速度變快到一定范圍的超調為止。之后再將積分時(shí)間常數Ti由大逐漸減小，使積分作用逐漸增強，這樣，觀(guān)察輸出會(huì )發(fā)現系統的靜差會(huì )逐漸減少直至消除。操作時(shí)可以反復試驗幾次，直到消除靜差的速度滿(mǎn)意為止。本設計最終選擇P=200，Ti=2。

　　根據系統電壓要求及BUCK電路特性可以算出電感L取2mH，電容C取100μF，ARM存入的I-U曲線(xiàn)的開(kāi)路電壓為40V，短路電流為3A。當取RL=24Ω時(shí)，根據光伏電池的I-U曲線(xiàn)，系統應輸出36.54V電壓，輸出電流為1.524A，仿真后得到負載兩端的電壓波形如圖7所示。

　　由圖7可以看出，所得到的電壓電流值剛好就是想要得到的I-V曲線(xiàn)上的點(diǎn)。系統從開(kāi)機到穩定值的動(dòng)態(tài)響應時(shí)間約為10ms，響應速度比較快。由于PI超調的作用，剛開(kāi)始有一個(gè)明顯的尖峰電壓電流，在實(shí)際實(shí)驗中，應在負載兩端并聯(lián)一個(gè)高耐壓的小電容，以吸收尖峰電壓。

　　更換負載電阻的大小可使每個(gè)阻值對應一對電壓電流值，也就是負載工作點(diǎn)。圖8用符號‘*'表示。把這些工作點(diǎn)與預存的光伏電池的I-U曲線(xiàn)相比可知，這些工作點(diǎn)大致在光伏電池I-U曲線(xiàn)附近，其多點(diǎn)仿真結果如圖8所示。

　　5結束語(yǔ)

　　本文用SIMULINK開(kāi)發(fā)出了一種新的太陽(yáng)能電池陣列模擬器的仿真模型，并提出了一種基于四折線(xiàn)法來(lái)進(jìn)行光伏電池陣列輸出曲線(xiàn)的分段擬合方法。論證了一種用電流反饋PI控制BUCK電路做成的光伏電池陣列模擬器。由仿真結果可以看到，本系統可以較快的擬合出想要的電池陣列輸出I-V曲線(xiàn)?？梢栽诠夥l(fā)電系統研究中，代替實(shí)際的太陽(yáng)能電池來(lái)進(jìn)行實(shí)驗。