钜大LARGE | 点击量：662次 | 2021年05月06日
数字式光伏锂电池阵列模拟器的研制
1引言
太阳能作为一种新型的可再生资源受到越来越广泛的重视，但在光伏系统的研发过程中，太阳能电池阵列由于实验受到日照强度、环境温度的影响，导致实验成本过高，研发周期变长。光伏电池阵列模拟器可以大大缩短光伏系统的研究周期，提高研究效率及研究结果的可信性。
本文设计的光伏电池阵列模拟器以半桥电路为基础，基于DSp控制，并加入了pI控制改善系统动态性能和稳态精度。
2太阳能电池的工作特性
太阳能电池在有光照条件下，光生电流会流过负载，从而出现负载电压。这时太阳能电池的等效电路如图1所示。其中，RS为串联电阻，Rsh为旁漏电阻，也称跨接电阻，它是由体内的缺陷或硅片边缘不清洁引起的。显然，旁路电流Ish和二极管的正向电流ID(通过pN结总扩散电流)都要靠IL供应，剩余的光电流经过RS，流出太阳能电池而进入负载。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
根据文献资料[1]，利用厂家供应的短路电流Isc，开路电压VOC，最大功率点处的电流Im和最大功率点处的电压Vm这四个参数可以得到太阳能电池板便于工程计算的模型：
这样，就把太阳能电池板的I-V特性曲线转换为简单的、便于工程计算的形式。
3光伏电池阵列模拟器设计
模拟器的目的是要能模拟一定光照下，随负载变化的太阳能电池板的电特性，包括最大输出功率，输出I-V特性，以及不同日照下的变化。其应该完成以下三个方面的要求：
(1)系统能够按照光伏阵列的输出特性完成输出，当外电路负载一按时，系统能够在工作点上保持稳定的输出；
(2)当外接负载发生变化时，模拟器能够以合乎要求的速度变化到新工作点并能稳定在该点；
(3)能够输出要求的功率；
本文设计的光伏阵列模拟器的系统结构框图如图2所示，整个系统重要由功率电路和采集控制电路两部分构成。功率电路采用半桥拓扑，用以完成直流变换，经整流滤波后，出现合适的输出电压。检测电路实时采集输出电压、电流，并送给DSp控制电路。DSp依据采集到的值，出现合适的占空比信号控制半桥两个IGBT开关。隔离驱动电路用于驱动IGBT开关，并实现与控制电路的隔离。假如想要模拟一条新的太阳能电池板I-V曲线，只需在软件中重新设定该曲线的和，这四个参数就可以了。
由于半桥母线电压为100V，单个管子承受耐压应该在100V以上，系统最大输出电流为3.5A。综合以上因素后，我们选择Infinion公司生产的IGBT单管IKW40N120T2，其耐压1200V，可通过的均值电流40A，且该单管价格便宜，开通、关断时间极短，开通压降只有1.7V，因此，开关损耗较小，是较理想的选择。
在本系统中，一共要四路采集，分别是半桥高低端电压采集，输出电压电流采集。这四路信号都要设定过压或过流保护。采集电流信号使用电流传感器，采集电压信号使用电阻分压的形式。本设计的采集电路使用差分信号传输，并基于三级采集电路设计：首先使用全差分放大器LTC1992进行单端到差分信号的转换；然后使用模拟线性光耦HCpL7840进行信号隔离；最后使用仪用运放INA121将信号进行适当放大。
4控制算法实现
4.1寻找负载工作点的算法设计
光伏模拟器重要是跟踪负载的工作点，使得模拟器在不同负载情况下的输出能满足光伏阵列的输出特性。静态工作点的确定是模拟器的关键，如何在一特定负载下快速寻找到期望工作点，并使电源工作在这个点上。当负载变化，或是环境条件变化时，又如何找到新的工作点，并快速且精确的控制电源运行在这个工作点上，是模拟器控制算法所要解决的核心问题。
当负载电阻确定后，想要确定工作点处的电压电流，要代入式(1)进行计算，但公式复杂，且涉及指数运算，在程序实现上十分麻烦，而且也会影响系统响应的速度。从我们研究太阳能电池的输出I-V特性曲线可以看到，在短路电流点附近，电池板接近恒流，输出I-V曲线在这一段接近一条直线；在开路电压点附近，电池板接近恒压，输出I-V曲线在这一段也接近一条直线。所以我们用四条直线来对电池板输出I-V曲线进行拟合，如图3所示。
只要我们采集输出电压电流，得到负载电阻，其伏安特性曲线是一条通过原点的直线，这一直线与上面某一条直线必然交于一点，这一点就是我们系统的理想工作点。然后再根据这一点的电压和半桥公式就能得到系统要发出的占空比。
4.2pI控制算法在模拟器中的应用
为了提高系统速度和减少静态误差，在控制系统中应用了pI控制算法，本设计的控制结构见图4。根据上文的控制策略，从测得的输出电压电流，可以得到输出负载RL，进而得到参考电压Vref，它与实际输出电压相减送入pI控制器中，pI输出控制调节占空比，进而使实际输出电压与Vref一致。
将上述得到的理论、代入程序中，运行测得输出几乎与理论值一致，偏差基本都在0.3V以内，证明了我们整定的参数是成功的。
4.3软件主程序流程图
系统的控制工作是由软件部分完成的。软件系统的工作重要有两点：一是采集数据；二是完成占空比的计算。主程序模块中重要是进行系统初始化工作及等待处理中断，其中系统初始化重要包括ADC模块的初始化和事件管理器EVB模块的初始化。主程序流程图见图5。
图5主程序流程图
表1变负载时的输出电压
5实验结果
基于前面各章对硬件设计、算法、软件编程等方面的研究，设计了一台光伏电池阵列模拟器，其技术参数为：。
5.1模拟器系统的静态效果
为了验证系统输出是否能模拟出一条理想的太阳能电池的输出I-V特性曲线，要测试RL取不同值时，输出的工作点情况。依据四折线法，RL确定后，就能确定理论的输出电压。依照以上方法进行了一组不同负载实验，测试的数据如表1所示。
由表1可以看到，系统输出电压在69.4V以上时，系统工作在最大功率点附近和开路电压附近，这时系统输出精度基本都在1%以下。说明我们设计的光伏电池阵列模拟器能够在变负载时，比较精确的模拟出太阳能电池阵列的输出I-V特性曲线
5.2模拟器系统的动态效果
设计光伏电池阵列模拟器的最终目的是要用于光伏逆变系统实验，因此，只在静态情况下描出太阳能电池板输出I-V特性曲线是不够的，还要用实验检测系统的响应速度，即动态特性。
影响本系统动态响应时间的因素重要有两个：一是输出电容的电压惯性；二是系统软件算法的执行时间。我们做了两个实验，一是负载突变时，看输出电压的变化；二是直接接光伏逆变系统，让逆变器按照最大功率点跟踪算法(MppT)去测试模拟器的性能。假如逆变器能跟踪到最大的功率，则说明我们的模拟器达到了设计指标。
我们将负载电阻进行突变，输出电压也会变化。图6是在模拟开路电压为40V时，负载电阻由21.6Ω突变到49.5Ω时，输出电压由31.6V跳变到36.1V时的动态响应波形。由图6可以看到，输出电压可以在约8ms的时间里完成变化响应，但是，这个速度到底够不够，还要看接上实际逆变器后的效果。
图6输出电压动态响应波形
在逆变器前端是BOOST电路，用以实现MppT算法。BOOST电路输入端与我们设计的模拟器相连后，输出端接一电阻。首先让模拟器工作，测量此时输出为开路电压。然后，BOOST电路开始工作，执行MppT算法。实验测量，BOOST输入电压由开路电压90V逐渐减小，最终在最大功率点电压80V处基本稳定，证明找到了模拟电池的最大功率点。
6结论
本文在研究了太阳能电池的数学模型的基础上，结合电力电子技术和控制技术，给出了一个基于微控制器和DC/DC环节的光伏阵列模拟器的设计。实验证明，模拟器样机可以有效的模拟光伏阵列的输出，输出特性可以比较准确的模拟光伏阵列，输出电压、电流较稳定。■
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