數(shù)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越廣泛的重視，但在光伏系統(tǒng)的研發(fā)過程中，太陽(yáng)能電池陣列由于實(shí)驗(yàn)受到日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度的影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成本過高，研發(fā)周期變長(zhǎng)。光伏電池陣列模擬器可以大大縮短光伏系統(tǒng)的研究周期，提高研究效率及研究結(jié)果的可信性。

本文設(shè)計(jì)的光伏電池陣列模擬器以半橋電路為基礎(chǔ)，基于DSP控制，并加入了PI控制改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)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)流過負(fù)載，從而產(chǎn)生負(fù)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，也稱跨接電阻，它是由體內(nèi)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PN結(jié)總擴(kuò)散電流)都要靠IL提供，剩余的光電流經(jīng)過RS，流出太陽(yáng)能電池而進(jìn)入負(fù)載。

根據(jù)文獻(xiàn)資料[1]，利用廠家提供的短路電流Isc，開路電壓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(shù)可以得到太陽(yáng)能電池板便于工程計(jì)算的模型：

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

3 光伏電池陣列模擬器設(shè)計(jì)

模擬器的目的是要能模擬一定光照下，隨負(fù)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(yīng)該完成以下三個(gè)方面的要求：

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

(2) 當(dāng)外接負(fù)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(wěn)定在該點(diǎn)；

(3) 能夠輸出要求的功率；

本文設(shè)計(jì)的光伏陣列模擬器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由功率電路和采集控制電路兩部分構(gòu)成。功率電路采用半橋拓?fù)?，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(cè)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(jù)采集到的值，產(chǎn)生合適的占空比信號(hào)控制半橋兩個(gè)IGBT開關(guān)。隔離驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)IGBT開關(guān)，并實(shí)現(xiàn)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，只需在軟件中重新設(shè)定該曲線的和，這四個(gè)參數(shù)就可以了。

由于半橋母線電壓為100V，單個(gè)管子承受耐壓應(yīng)該在100V以上，系統(tǒng)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，可通過的均值電流40A，且該單管價(jià)格便宜，開通、關(guān)斷時(shí)間極短，開通壓降只有1.7V，因此，開關(guān)損耗較小，是較理想的選擇。

在本系統(tǒng)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(hào)都要設(shè)定過壓或過流保護(hù)。采集電流信號(hào)使用電流傳感器，采集電壓信號(hào)使用電阻分壓的形式。本設(shè)計(jì)的采集電路使用差分信號(hào)傳輸，并基于三級(jí)采集電路設(shè)計(jì)：首先使用全差分放大器LTC1992進(jìn)行單端到差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換；然后使用模擬線性光耦HCPL7840進(jìn)行信號(hào)隔離；最后使用儀用運(yùn)放INA121將信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大。

4 控制算法實(shí)現(xiàn)

4.1 尋找負(fù)載工作點(diǎn)的算法設(shè)計(jì)

光伏模擬器主要是跟蹤負(fù)載的工作點(diǎn)，使得模擬器在不同負(fù)載情況下的輸出能滿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(fù)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(dāng)負(fù)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(yùn)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題。

當(dāng)負(fù)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(jì)算，但公式復(fù)雜，且涉及指數(shù)運(yùn)算，在程序?qū)崿F(xiàn)上十分麻煩，而且也會(huì)影響系統(tǒng)響應(yīng)的速度。從我們研究太陽(yáng)能電池的輸出I-V特性曲線可以看到，在短路電流點(diǎn)附近，電池板接近恒流，輸出I-V曲線在這一段接近一條直線；在開路電壓點(diǎn)附近，電池板接近恒壓，輸出I-V曲線在這一段也接近一條直線。所以我們用四條直線來對(duì)電池板輸出I-V曲線進(jìn)行擬合，如圖3所示。

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

4.2 PI控制算法在模擬器中的應(yīng)用

為了提高系統(tǒng)速度和減少靜態(tài)誤差，在控制系統(tǒng)中應(yīng)用了PI控制算法，本設(shè)計(jì)的控制結(jié)構(gòu)見圖4。根據(jù)上文的控制策略，從測(cè)得的輸出電壓電流，可以得到輸出負(fù)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(diào)節(jié)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(yùn)行測(cè)得輸出幾乎與理論值一致，偏差基本都在0.3V以內(nèi)，證明了我們整定的參數(shù)是成功的。

4.3 軟件主程序流程圖

系統(tǒng)的控制工作是由軟件部分完成的。軟件系統(tǒng)的工作主要有兩點(diǎn)：一是采集數(shù)據(jù)；二是完成占空比的計(jì)算。主程序模塊中主要是進(jìn)行系統(tǒng)初始化工作及等待處理中斷，其中系統(tǒng)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。主程序流程圖見圖5。

圖5 主程序流程圖

表1 變負(fù)載時(shí)的輸出電壓

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于前面各章對(duì)硬件設(shè)計(jì)、算法、軟件編程等方面的研究，設(shè)計(jì)了一臺(tái)光伏電池陣列模擬器，其技術(shù)參數(shù)為：。

5.1 模擬器系統(tǒng)的靜態(tài)效果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)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，需要測(cè)試RL取不同值時(shí)，輸出的工作點(diǎn)情況。依據(jù)四折線法，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(fù)載實(shí)驗(yàn)，測(cè)試的數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可以看到，系統(tǒng)輸出電壓在69.4V以上時(shí)，系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)附近和開路電壓附近，這時(shí)系統(tǒng)輸出精度基本都在1%以下。說明我們?cè)O(shè)計(jì)的光伏電池陣列模擬器能夠在變負(fù)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

5.2 模擬器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)效果

設(shè)計(jì)光伏電池陣列模擬器的最終目的是要用于光伏逆變系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，因此，只在靜態(tài)情況下描出太陽(yáng)能電池板輸出I-V特性曲線是不夠的，還需要用實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，即動(dòng)態(tài)特性。

影響本系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(tǒng)軟件算法的執(zhí)行時(shí)間。我們做了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，一是負(fù)載突變時(shí)，看輸出電壓的變化；二是直接接光伏逆變系統(tǒng)，讓逆變器按照最大功率點(diǎn)跟蹤算法(MPPT)去測(cè)試模擬器的性能。如果逆變器能跟蹤到最大的功率，則說明我們的模擬器達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

我們將負(fù)載電阻進(jìn)行突變，輸出電壓也會(huì)變化。圖6是在模擬開路電壓為40V時(shí)，負(fù)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(yīng)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(yīng)，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(yīng)波形

在逆變器前端是BOOST電路，用以實(shí)現(xiàn)MPPT算法。BOOST電路輸入端與我們?cè)O(shè)計(jì)的模擬器相連后，輸出端接一電阻。首先讓模擬器工作，測(cè)量此時(shí)輸出為開路電壓。然后，BOOST電路開始工作，執(zhí)行MPPT算法。實(shí)驗(yàn)測(cè)量，BOOST輸入電壓由開路電壓90V逐漸減小，最終在最大功率點(diǎn)電壓80V處基本穩(wěn)定，證明找到了模擬電池的最大功率點(diǎn)。

6 結(jié)論

本文在研究了太陽(yáng)能電池的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)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(jié)的光伏陣列模擬器的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明，模擬器樣機(jī)可以有效的模擬光伏陣列的輸出，輸出特性可以比較準(zhǔn)確的模擬光伏陣列，輸出電壓、電流較穩(wěn)定?！?br />