光伏模拟器的设计_张大磊.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering99光伏电池组件在光伏发电系统的机构组成中是具有不可替代的核心地位，在实际的光伏电站或者小型光伏发电系统应用过程中，光伏组件会受到光照、温度等自然环境的影响输出不同特性的曲线。光伏模拟器可以在短时间内模拟不同温度、光照强度等自然因素下光伏组件的输出特性，可以获得不同天气状况下的系统工作状况。光伏模拟器一般应满足三方面的要求即特性曲线输出、随负载的改变工作点随之改变、输出功率满足需要。因此稳定性高、性能出众的光伏模拟器的研究作为光伏发电系统的辅助设计和外围部件的研制开发具有现实意义。1 总体设计光伏模拟器根据开关电源的输出特性模拟光伏电池的输出特性，这就要求光伏模拟器可以提供类似光伏电池的输出特性曲线，在外部环境（温度、光照度）发生变化时，所带负载工作点也会随之发生变化。光伏模拟器通过采样负载电压和电流值并根据光伏电池数学模型生成 I-V 特性曲线，其工作过程如图 1 所示。工作过程分析：通过电压电流采样电路采集 BUCK电路输出的电压和电流，结合光伏电池数学模型及负载跟踪算法可以得到控制器所带负载的参考电流 Iref在把参考电流和实际采样的电流做比较，经过 PI 调节器后经 PWM 解调生成 PWM 控制信号，控制 BUCK 电路开关的占空比，进而保证电路工作在对应的工作点上。光伏电池在实际工作中，其负载工作点随外部环境变化而变化，同时负载发生改变其工作点也随之改变，目前常用的寻找负载工作点的方法主要有迭代法和数值分析法两种，两种方法都需要通过计算光伏电池数学模型的数据进行负载工作点寻找，对于控制芯片 DSP 的光伏模拟器的设计张大磊李媛媛（秦皇岛职业技术学院 河北省省秦皇岛市 066000）摘要：本文为了更好的在实验室中开展光伏系统的相关研发工作，提出了一种基于 ZVCS 变换器和 BUCK 组合的拓扑结构组合的光伏模拟器，ZVCS 变换器作为光伏模拟器的整流器可以高效地运行，BUCK 电路采用双闭环控制策略，消除了控制延时的影响。在进行光伏模拟器负载工作点跟踪策略控制上平抛运动模型,推导出了负载工作点参考电流和负载之间的函数关系式，并采用分段迭代法可以快速准确的寻找负载工作点，提升模拟器动态性能。关键词：光伏模拟器；平抛运动模型；ZVCS 变换器；BUCK图 1：BUCK 光伏模拟器控制模型电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering100运算速度要求较高，而光伏模拟器恰恰是需要在短时间内就需要能模拟实际电池组件的实验设备，所以在进行负载工作点跟踪算法设计时要求既能快速生成曲线又能保证准确度。光伏电池平抛数学模型，提出一种分段迭代寻求负载工作点的算法。2 迭代法寻负载工作点分析图 2 所示为负载发生突变情况下寻找负载工作点的示意图，当负载为 R0时，模拟器工作在图中 C 点，当负载突然由 R0变成 R1时，由于图 1BUCK 电路中输出端的电容 C（假设 C 足够大）的作用，使得 BUCK 电路输出端电压不会发生突然变化，此时工作点会由原本的 C 点跳到 B 点，电流采集电路采集到 B 点电流后会沿着特性曲线使负载工作点向离负载 R1斜率更近并与B 点电流相等的 C 点移动，在闭环调节器的调节下工作点会调节到和 C 点电压相等的 R1负载线上的 D 点移动，这样经过几次迭代后，最终是模拟器能稳定的工作在 E点，调节过程结束，E 点为光伏曲线和负载 R1的负载线交点。通过对传统的迭代法寻找负载工作点的工作过程分析可知，迭代的步长直接影响着光伏模拟器的动态性能，所以采用分段迭代法进行寻找负载工作点寻找工作会大大减少迭代步长，增加光伏模拟器的动态相应性能。光伏模拟器运用迭代法寻找负载工作点的工作过程中，需要对于数学模型中的电压和电流与负载 R 的关系进行求解，利用平抛数学模型，可以分段求解出电压电流和负载 R 的表达式：（1）当负载为纯电阻负载时按照传统迭代法分析，采用公式（1）的模型，可以快速生成，参考电流，寻找负载工作点只需一次迭代即可，当负载为非纯电阻负载时，采用分段迭代分析法也可以快速准确的找到负载工作点，如图 3 所示，R 为非线性负载。图 2：传统迭代法寻负载工作点示意图图 3：分段迭代寻负载工作点示意图图 4：模拟器仿真模型电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering101系统开始工作点位于 D 点，当光照度改变后（光照变弱），需要系统由原来的工作点 D 改为工作点 C。此时根据公式（1），负载当做纯电阻负载，按照迭代分析法，可以求得参考点 A 点，但实际负载 R 为非线性负载，系统会按照参考电流调节工作点到与 R 切线斜率最近的 B 点，经过几次调节以后，系统会自动收敛于C 点。从上述分析可以看出，系统采用分段的迭代调节，具有强烈的收敛特性，迭代次数明显变小，并且在计算参考电流时，公式（1）不存在指数运算，会大大减少计算量从而加速系统外部环境参数变化时的响应时间。3 光伏模拟器系统仿真与分析根据上述分析，对光伏模拟器进行动态性能仿真分析和验证，验证在外部环境发生变化和负载发生变化时光伏模拟器的动态性能。如图 4 所示，仿真模型包括构成模拟器的 BUCK主电路、PID 控制电路、负载工作点算法部分和示波器等部分组成。仿真参数为直流输入端电压为 100V，滤波电感10mH,电容 1000F，所带负载 30，开关频率 10kHz,温度参数 T 和光照度参数 S 可调。标准条件下 BUCK电路仿真仿真结果如图 5 所示，从图中可以看出，系统从启动到 0.1 秒就达到了稳态，并且电压电流波动很小，在 0.5 秒时参数光照强度 S 由 1000w/m2突变为 800w/m2，温度 T 由 25变为 40，BUCK 电路从稳态工作点迅速改变并达到平稳，动态性能良好。根据上述分析可以看出采用准谐振 DC/DC 变换器作为光伏模拟器的整流器可以高效地运行，开关噪声很(a)电流仿真波形(b)电压仿真波形图 5：系统仿真波形电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering102小，而且运行简单，损耗很低。它可以用于未经调节的DC/DC 变换器，可以比较理想地实现从低压到高压的转换。因为它使用副边的漏感作为谐振元件，而且变换器不需要高品质因数的谐振电路，所以不需要分离式的谐振电感。不止如此，还可以很容易的控制输出电压纹波，因为大部分的谐振电流都流经了输出电容。4 实验结果基于 TMS320F28335 数字控制系统的光伏模拟器实验平台对照标准环境参数（T=25、S=100W/m2）下，光 伏 电 池 板 参 数 为 Voc=44.2V、Isc=5.2A、Vm=35.2V、Im=4.95A 进行仿真实验。设定温度和光照强度分别为T=25、S=1000W/m2，光伏阵列 50%遮挡条件下，改变负载 R 的大小，实现光伏电池输出 I-V 特性曲线模拟，并记录 25 次稳定时电压和电流数据绘制曲线如图 6-7所示，通过对比图中曲线和散点可以看出，光伏模拟器能较好的模拟出光伏输出特性曲线。图 7 根据图 6 的电压和流值绘制的系统 P-V 特性曲线，从图 7 中可以看出，光伏模拟器在模拟带有旁路二极管的光伏阵列阴影遮挡条件下 P-V 特性模拟时，光伏模拟器能较好的模拟出光伏输出特性曲线。5 结论本文主要在传统的光伏电池平抛数学模型的基础上提出一种分段迭代法求解光伏电池数学模型的分析方法，并采用 ZVCS 变换器与 BUCK 电路结合的拓扑电路结构进行光伏模拟器的动态输出特性进行仿真验证，仿真结果证明了光伏模拟器主电路拓扑结构和控制策略的正确性，并且光伏模拟器动态性能良好，为实验室研究光伏发电系统提供了性能优异的平台。参考文献1 马帅旗.太阳能光伏电池建模及V-I特性研究J.电源技术,2013,37(08):1396-1398.2 张俊红,魏学业,祝天龙.光伏阵列建模和仿真特性研究 J.计算机仿真,2014,31(3):134-13.3 Quaschning V,Hanitsch R,Numerical s i m u l a t i o n o f c u r r e n t-v o l t a g e characteristics of photovoltaic sysems with shaded solar cellsJ.Solar Energy,1996,56(6):513-520.4 杨金焕,葛亮,谈蓓月等.太阳能光伏发电的应用J.上海电力,2006,19(4):355-36.作者简介张大磊（1983-），男，河北省秦皇岛市人。大学本科学历，讲师。研究方向为电力电子技术及新能源技术。李媛媛（1982-），女，河北省秦皇岛市人。大学本科学历，讲师。研究方向为机电一体化技术。图 6：光伏模拟器 I-V 特性曲线拟合图图 7：光伏模拟器 P-V 特性曲线拟合图