數字式光伏電池陣列模擬器的研製

2020-12-13 電子產品世界

1 引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/177533.htm

太陽能作為一種新型的可再生資源受到越來越廣泛的重視，但在光伏系統的研發過程中，太陽能電池陣列由於實驗受到日照強度、環境溫度的影響，導致實驗成本過高，研發周期變長。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，基於DSP控制，並加入了PI控制改善系統動態性能和穩態精度。

2 太陽能電池的工作特性

太陽能電池在有光照條件下，光生電流會流過負載，從而產生負載電壓。這時太陽能電池的等效電路如圖1所示。其中，RS為串聯電阻，Rsh為旁漏電阻，也稱跨接電阻，它是由體內的缺陷或矽片邊緣不清潔引起的。顯然，旁路電流Ish和二極體的正向電流ID (通過PN結總擴散電流)都要靠IL提供，剩餘的光電流經過RS，流出太陽能電池而進入負載。


根據文獻資料[1]，利用廠家提供的短路電流Isc，開路電壓VOC，最大功率點處的電流Im和最大功率點處的電壓Vm這四個參數可以得到太陽能電池板便於工程計算的模型：

這樣，就把太陽能電池板的I-V特性曲線轉換為簡單的、便於工程計算的形式。

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，系統能夠在工作點上保持穩定的輸出；

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

(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，整個系統主要由功率電路和採集控制電路兩部分構成。功率電路採用半橋拓撲，用以完成直流變換，經整流濾波後，產生合適的輸出電壓。檢測電路實時採集輸出電壓、電流，並送給DSP控制電路。DSP依據採集到的值，產生合適的佔空比信號控制半橋兩個IGBT開關。隔離驅動電路用於驅動IGBT開關，並實現與控制電路的隔離。如果想要模擬一條新的太陽能電池板I-V曲線，只需在軟體中重新設定該曲線的和，這四個參數就可以了。

由於半橋母線電壓為100V，單個管子承受耐壓應該在100V以上，系統最大輸出電流為3.5A。綜合以上因素後，我們選擇Infinion公司生產的IGBT單管IKW40N120T2，其耐壓1200V，可通過的均值電流40A，且該單管價格便宜，開通、關斷時間極短，開通壓降只有1.7V，因此，開關損耗較小，是較理想的選擇。

在本系統中，一共需要四路採集，分別是半橋高低端電壓採集，輸出電壓電流採集。這四路信號都要設定過壓或過流保護。採集電流信號使用電流傳感器，採集電壓信號使用電阻分壓的形式。本設計的採集電路使用差分信號傳輸，並基於三級採集電路設計：首先使用全差分放大器LTC1992進行單端到差分信號的轉換；然後使用模擬線性光耦HCPL7840進行信號隔離；最後使用儀用運放INA121將信號進行適當放大。

4 控制算法實現

4.1 尋找負載工作點的算法設計

光伏模擬器主要是跟蹤負載的工作點，使得模擬器在不同負載情況下的輸出能滿足光伏陣列的輸出特性。靜態工作點的確定是模擬器的關鍵，如何在一特定負載下快速尋找到期望工作點，並使電源工作在這個點上。當負載變化，或是環境條件變化時，又如何找到新的工作點，並快速且精確的控制電源運行在這個工作點上，是模擬器控制算法所要解決的核心問題。

當負載電阻確定後，想要確定工作點處的電壓電流，需要代入式(1)進行計算，但公式複雜，且涉及指數運算，在程序實現上十分麻煩，而且也會影響系統響應的速度。從我們研究太陽能電池的輸出I-V特性曲線可以看到，在短路電流點附近，電池板接近恆流，輸出I-V曲線在這一段接近一條直線；在開路電壓點附近，電池板接近恆壓，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電池板輸出I-V曲線進行擬合，如圖3所示。

只要我們採集輸出電壓電流，得到負載電阻，其伏安特性曲線是一條通過原點的直線，這一直線與上面某一條直線必然交於一點，這一點就是我們系統的理想工作點。然後再根據這一點的電壓和半橋公式就能得到系統需要發出的佔空比。

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，進而得到參考電壓Vref，它與實際輸出電壓相減送入PI控制器中，PI輸出控制調節佔空比，進而使實際輸出電壓與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以內，證明了我們整定的參數是成功的。

4.3 軟體主程序流程圖

系統的控制工作是由軟體部分完成的。軟體系統的工作主要有兩點：一是採集數據；二是完成佔空比的計算。主程序模塊中主要是進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。主程序流程圖見圖5。

圖5 主程序流程圖


表1 變負載時的輸出電壓

5 實驗結果

基於前面各章對硬體設計、算法、軟體編程等方面的研究，設計了一臺光伏電池陣列模擬器，其技術參數為：。

5.1 模擬器系統的靜態效果

為了驗證系統輸出是否能模擬出一條理想的太陽能電池的輸出I-V特性曲線，需要測試RL取不同值時，輸出的工作點情況。依據四折線法，RL確定後，就能確定理論的輸出電壓。依照以上方法進行了一組不同負載實驗，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，系統工作在最大功率點附近和開路電壓附近，這時系統輸出精度基本都在1%以下。說明我們設計的光伏電池陣列模擬器能夠在變負載時，比較精確的模擬出太陽能電池陣列的輸出I-V特性曲線

5.2 模擬器系統的動態效果

設計光伏電池陣列模擬器的最終目的是要用於光伏逆變系統實驗，因此，只在靜態情況下描出太陽能電池板輸出I-V特性曲線是不夠的，還需要用實驗檢測系統的響應速度，即動態特性。

影響本系統動態響應時間的因素主要有兩個：一是輸出電容的電壓慣性；二是系統軟體算法的執行時間。我們做了兩個實驗，一是負載突變時，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，則說明我們的模擬器達到了設計指標。

我們將負載電阻進行突變，輸出電壓也會變化。圖6是在模擬開路電壓為40V時，負載電阻由21.6 Ω突變到49.5 Ω時，輸出電壓由31.6V跳變到36.1V時的動態響應波形。由圖6可以看到，輸出電壓可以在約8ms的時間裡完成變化響應，但是，這個速度到底夠不夠，還要看接上實際逆變器後的效果。

圖6輸出電壓動態響應波形

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

6 結論

本文在研究了太陽能電池的數學模型的基礎上，結合電力電子技術和控制技術，給出了一個基於微控制器和DC/DC環節的光伏陣列模擬器的設計。實驗證明，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。■

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