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。