數(shù)字式光伏陣列模擬器的設(shè)計(jì)研究

0 引言

目前，全球性的能源危機(jī)迫使越來越多的國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)際光伏電池陣列來進(jìn)行各種光伏實(shí)驗(yàn)的太陽能電池模擬器。

本文所設(shè)計(jì)的太陽能電池模擬器以 BUCK 電路為基礎(chǔ)，采用 ARM 控制，并加入了電流 PI 控制方式來改善系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。此外，本文還采用四折線法來對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 太陽能電池板伏安特性曲線

圖 1 所示是太陽能電池板輸出 I-U 特性曲線隨日照、溫度的變化情況。太陽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 太陽能電池板的工程數(shù)學(xué)模型

電池板出廠時(shí)都會給出短路電流、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=1000 W ／ 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 150 V 的恒定電壓輸出，然后通過 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。