數(shù)字式光伏陣列模擬器研究與設(shè)計(jì)

0引言

　　目前，全球性的能源危機(jī)迫使越來(lái)越多的國(guó)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(dǎo)致研究成本很高，不利于其初期的研究。因此，很有必要設(shè)計(jì)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(yàn)的太陽(yáng)能電池模擬器。

　　本文所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池模擬器以BUCK電路為基礎(chǔ)，采用ARM控制，并加入了電流PI控制方式來(lái)改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。此外，本文還采用四折線法來(lái)對(duì)光伏電池陣列的特性曲線進(jìn)行分段擬合，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

　　1系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　1.1太陽(yáng)能電池板伏安特性曲線

　　圖1所示是太陽(yáng)能電池板輸出I-U特性曲線隨日照、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，換言之，模擬器最終要能夠模擬出許多條曲線。但是，某一時(shí)間下，日照強(qiáng)度和溫度是一定的，在此時(shí)間下，輸出曲線也只有一條符合要求。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)設(shè)定的日照強(qiáng)度和溫度來(lái)計(jì)算確定輸出哪一條曲線。實(shí)際做法是將不同日照、不同溫度下的曲線計(jì)算出來(lái)后將其離散化，并以數(shù)據(jù)表的形式存入ARM控制器中。存入的曲線越多，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(shù)學(xué)模型

　　電池板出廠時(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(shù)(ISC、VOC、Im和Vm)，而且四個(gè)參數(shù)符合下列公式：

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

　　式(1)描述的是標(biāo)準(zhǔn)照度(Sref=1000W／m2)和標(biāo)準(zhǔn)溫度(Tref=25℃)下的I-U曲線。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(jì)算：

　　首先算出一般情況與標(biāo)準(zhǔn)情況下的溫度差△T和相對(duì)照度差△S：

　　2系統(tǒng)原理及控制策略

　　2.1系統(tǒng)原理

　　本系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示，其中直流穩(wěn)壓電源可提供150V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(fù)載上，以實(shí)時(shí)采集負(fù)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(yù)想的I-U曲線上。

　　2.2系統(tǒng)控制策略

　　由于在某一環(huán)境條件下，電池板的輸出伏安特性曲線只有確定的一條，這樣，采集系統(tǒng)輸出的電壓電流，就可以得到輸出負(fù)載的大小。其負(fù)載線與輸出I-U曲線會(huì)有一個(gè)交點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是工作點(diǎn)，也就是圖3中的B點(diǎn)。這一工作點(diǎn)將對(duì)應(yīng)一個(gè)電流和一個(gè)電壓。調(diào)節(jié)BUCK電路的PWM占空比，可使輸出電壓電流變換為工作點(diǎn)處的電壓電流，從而達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。

具體調(diào)節(jié)時(shí)，若采集的電壓電流對(duì)應(yīng)的負(fù)載工作點(diǎn)在(點(diǎn)A)，曲線外時(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(fù)載線向B點(diǎn)移動(dòng)，此時(shí)B點(diǎn)就是想要的工作點(diǎn)；而當(dāng)采集的電壓電流對(duì)應(yīng)的負(fù)載工作點(diǎn)在(點(diǎn)A)，曲線內(nèi)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(fù)載線向B點(diǎn)移動(dòng)。由于負(fù)載為阻性，所以，基于電壓和基于電流的調(diào)節(jié)是等效的。本文由于輸出電壓的惰性，設(shè)計(jì)時(shí)采用了基于電流的調(diào)節(jié)方式。

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

　　事實(shí)上，當(dāng)負(fù)載不變，環(huán)境變化(也就是曲線變化)時(shí)，仍可按照事先存人的曲線數(shù)據(jù)把新的曲線調(diào)出來(lái)，然后與負(fù)載比較來(lái)得到新的工作點(diǎn)，之后仍按照以上方法調(diào)節(jié)占空比，使負(fù)載工作點(diǎn)沿負(fù)載線方向移動(dòng)到我們想要的曲線上。

　　3算法實(shí)現(xiàn)流程

　　采用數(shù)據(jù)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?yàn)樗惴ū旧硇枰粋€(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(fù)雜。而采用四折線法來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算工作點(diǎn)則具有計(jì)算量小，執(zhí)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可以看出，開(kāi)路點(diǎn)和短路點(diǎn)處的曲線都比較平滑，故可用四條折線來(lái)模擬。在這四條折線的方程曲線中，某一負(fù)載電阻RL必然與這四條折線的一條相交。這樣，就可以直接構(gòu)造負(fù)載電阻RL與輸出電流的關(guān)系方程，進(jìn)而得到負(fù)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(jì)算一個(gè)除法和一個(gè)加法運(yùn)算就可以得到所需的占空比D，實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)便易行。同樣，如果需要多組曲線，只需構(gòu)造多組折線方程預(yù)先存入ARM中就可以了。其程序執(zhí)行流程圖圖4所示。

　　4SIMULINK仿真結(jié)果分析

　　為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差，本設(shè)計(jì)在電流反饋中使用了PI控制。其控制框圖如圖5所示。根據(jù)本文的控制策略，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(diào)節(jié)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(gòu)造的仿真模型。用該系統(tǒng)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(fù)載RL上。再將測(cè)得的負(fù)載兩端電壓除以電流，就可得到輸出負(fù)載RL的值。為了避免繁瑣的計(jì)算，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，可以將打算輸出的電池板的I-U曲線擬合成RL-Iref關(guān)系曲線。再做成LookupTable數(shù)據(jù)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，只要把LookupTable的值進(jìn)行相應(yīng)的更換就可以了。

　　本文采用試湊法對(duì)PI控制器的參數(shù)進(jìn)行了整定。首先將積分時(shí)間常數(shù)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，并觀察系統(tǒng)響應(yīng)，直至系統(tǒng)響應(yīng)速度變快到一定范圍的超調(diào)為止。之后再將積分時(shí)間常數(shù)Ti由大逐漸減小，使積分作用逐漸增強(qiáng)，這樣，觀察輸出會(huì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的靜差會(huì)逐漸減少直至消除。操作時(shí)可以反復(fù)試驗(yàn)幾次，直到消除靜差的速度滿意為止。本設(shè)計(jì)最終選擇P=200，Ti=2。

　　根據(jù)系統(tǒng)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曲線的開(kāi)路電壓為40V，短路電流為3A。當(dāng)取RL=24Ω時(shí)，根據(jù)光伏電池的I-U曲線，系統(tǒng)應(yīng)輸出36.54V電壓，輸出電流為1.524A，仿真后得到負(fù)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曲線上的點(diǎn)。系統(tǒng)從開(kāi)機(jī)到穩(wěn)定值的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間約為10ms，響應(yīng)速度比較快。由于PI超調(diào)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(yàn)中，應(yīng)在負(fù)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(fù)載電阻的大小可使每個(gè)阻值對(duì)應(yīng)一對(duì)電壓電流值，也就是負(fù)載工作點(diǎn)。圖8用符號(hào)‘*'表示。把這些工作點(diǎn)與預(yù)存的光伏電池的I-U曲線相比可知，這些工作點(diǎn)大致在光伏電池I-U曲線附近，其多點(diǎn)仿真結(jié)果如圖8所示。

　　5結(jié)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法來(lái)進(jìn)行光伏電池陣列輸出曲線的分段擬合方法。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(jié)果可以看到，本系統(tǒng)可以較快的擬合出想要的電池陣列輸出I-V曲線?？梢栽诠夥l(fā)電系統(tǒng)研究中，代替實(shí)際的太陽(yáng)能電池來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。