基于SIMULINK工具的數(shù)字式光伏陣列模擬器的設計研

　　具體調節(jié)時，若采集的電壓電流對應的負載工作點在(點A)，曲線外時，可以減小占空比D。以減小輸出電壓，從而使工作點沿負載線向B點移動，此時B點就是想要的工作點；而當采集的電壓電流對應的負載工作點在(點A)，曲線內部時，則可增大占空比D，從而增大輸出電壓，使工作點沿負載線向B點移動。由于負載為阻性，所以，基于電壓和基于電流的調節(jié)是等效的。本文由于輸出電壓的惰性，設計時采用了基于電流的調節(jié)方式。

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

　　事實上，當負載不變，環(huán)境變化(也就是曲線變化)時，仍可按照事先存人的曲線數(shù)據(jù)把新的曲線調出來，然后與負載比較來得到新的工作點，之后仍按照以上方法調節(jié)占空比，使負載工作點沿負載線方向移動到我們想要的曲線上。

　　3算法實現(xiàn)流程

　　采用數(shù)據(jù)表查表法時，程序在逼近工作點的過程通常需要一定時間，因為算法本身需要一個步進量，步進量的大小選取也是個問題，且方法復雜。而采用四折線法來實時計算工作點則具有計算量小，執(zhí)行時間短等優(yōu)點。

　由太陽能電池板輸出的伏安特性曲線可以看出，開路點和短路點處的曲線都比較平滑，故可用四條折線來模擬。在這四條折線的方程曲線中，某一負載電阻RL必然與這四條折線的一條相交。這樣，就可以直接構造負載電阻RL與輸出電流的關系方程，進而得到負載電阻RL與所需占空比D的關系方程。因此，在程序中只需計算一個除法和一個加法運算就可以得到所需的占空比D，實現(xiàn)起來簡便易行。同樣，如果需要多組曲線，只需構造多組折線方程預先存入ARM中就可以了。其程序執(zhí)行流程圖圖4所示。

　　4SIMULINK仿真結果分析

　　為了提高系統(tǒng)的響應速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差，本設計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，從測得的輸出電壓電流可以得到輸出負載RL，進而得到參考電流Iref。把該電流與實際輸出電流相減再送人PI控制器中，然后用PI輸出控制調節(jié)占空比，進而使實際輸出電流與Iref一致。

　　圖6是用SIMUUNK工具構造的仿真模型。用該系統(tǒng)模擬的太陽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降壓電路后加在負載RL上。再將測得的負載兩端電壓除以電流，就可得到輸出負載RL的值。為了避免繁瑣的計算，提高系統(tǒng)的響應速度，可以將打算輸出的電池板的I-U曲線擬合成RL-Iref關系曲線。再做成LookupTable數(shù)據(jù)表。這樣，通過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的值進行相應的更換就可以了。

　　本文采用試湊法對PI控制器的參數(shù)進行了整定。首先將積分時間常數(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，直至系統(tǒng)響應速度變快到一定范圍的超調為止。之后再將積分時間常數(shù)Ti由大逐漸減小，使積分作用逐漸增強，這樣，觀察輸出會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的靜差會逐漸減少直至消除。操作時可以反復試驗幾次，直到消除靜差的速度滿意為止。本設計最終選擇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曲線的開路電壓為40V，短路電流為3A。當取RL=24Ω時，根據(jù)光伏電池的I-U曲線，系統(tǒng)應輸出36.54V電壓，輸出電流為1.524A，仿真后得到負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。系統(tǒng)從開機到穩(wěn)定值的動態(tài)響應時間約為10ms，響應速度比較快。由于PI超調的作用，剛開始有一個明顯的尖峰電壓電流，在實際實驗中，應在負載兩端并聯(lián)一個高耐壓的小電容，以吸收尖峰電壓。

　　更換負載電阻的大小可使每個阻值對應一對電壓電流值，也就是負載工作點。圖8用符號‘*'表示。把這些工作點與預存的光伏電池的I-U曲線相比可知，這些工作點大致在光伏電池I-U曲線附近，其多點仿真結果如圖8所示。

　　5結束語

　　本文用SIMULINK開發(fā)出了一種新的太陽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進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，代替實際的太陽能電池來進行實驗。