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(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。此外，本文還采用四折線法來對(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(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(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 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。

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。

具體調(diào)節(jié)時(shí)，若采集的電壓電流對(duì)應(yīng)的負(fù)載工作點(diǎn)在 ( 點(diǎn) A) ，曲線外時(shí)，可以減小占空比 D 。以減小輸出電壓，從而使工作點(diǎn)沿負(fù)載線向 B 點(diǎn)移動(dòng)，此時(shí) B 點(diǎn)就是想要的工作點(diǎn)；而當(dāng)采集的電壓電流對(duì)應(yīng)的負(fù)載工作點(diǎn)在 ( 點(diǎn) A) ，曲線內(nèi)部時(shí)，則可增大占空比 D ，從而增大輸出電壓，使工作點(diǎn)沿負(fù)載線向 B 點(diǎn)移動(dòng)。由于負(fù)載為阻性，所以，基于電壓和基于電流的調(diào)節(jié)是等效的。本文由于輸出電壓的惰性，設(shè)計(jì)時(shí)采用了基于電流的調(diào)節(jié)方式。

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

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

3 算法實(shí)現(xiàn)流程

采用數(shù)據(jù)表查表法時(shí)，程序在逼近工作點(diǎn)的過程通常需要一定時(shí)間，因?yàn)樗惴ū旧硇枰粋€(gè)步進(jìn)量，步進(jìn)量的大小選取也是個(gè)問題，且方法復(fù)雜。而采用四折線法來實(shí)時(shí)計(jì)算工作點(diǎn)則具有計(jì)算量小，執(zhí)行時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

由太陽能電池板輸出的伏安特性曲線可以看出，開路點(diǎn)和短路點(diǎn)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(fù)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(gòu)造負(fù)載電阻 RL 與輸出電流的關(guān)系方程，進(jìn)而得到負(fù)載電阻 RL 與所需占空比 D 的關(guān)系方程。因此，在程序中只需計(jì)算一個(gè)除法和一個(gè)加法運(yùn)算就可以得到所需的占空比 D ，實(shí)現(xiàn)起來簡便易行。同樣，如果需要多組曲線，只需構(gòu)造多組折線方程預(yù)先存入 ARM 中就可以了。其程序執(zhí)行流程圖圖 4 所示。

4 SIMULINK 仿真結(jié)果分析

為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差，本設(shè)計(jì)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(cè)得的輸出電壓電流可以得到輸出負(fù)載 RL ，進(jìn)而得到參考電流 Iref 。把該電流與實(shí)際輸出電流相減再送人 PI 控制器中，然后用 PI 輸出控制調(diào)節(jié)占空比，進(jìn)而使實(shí)際輸出電流與 Iref 一致。

圖 6 是用 SIMUUNK 工具構(gòu)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 120 W 。由 150 V 直流電源提供輸入，經(jīng) BUCK 降壓電路后加在負(fù)載 RL 上。再將測(cè)得的負(fù)載兩端電壓除以電流，就可得到輸出負(fù)載 RL 的值。為了避免繁瑣的計(jì)算，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，可以將打算輸出的電池板的 I-U 曲線擬合成 RL-Iref 關(guān)系曲線。再做成 Lookup Table 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(jìn)行相應(yīng)的更換就可以了。

本文采用試湊法對(duì) PI 控制器的參數(shù)進(jìn)行了整定。首先將積分時(shí)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(yīng)，直至系統(tǒng)響應(yīng)速度變快到一定范圍的超調(diào)為止。之后再將積分時(shí)間常數(shù) Ti 由大逐漸減小，使積分作用逐漸增強(qiáng)，這樣，觀察輸出會(huì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的靜差會(huì)逐漸減少直至消除。操作時(shí)可以反復(fù)試驗(yàn)幾次，直到消除靜差的速度滿意為止。本設(shè)計(jì)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 2 mH ，電容 C 取 100 μ F ， ARM 存入的 I-U 曲線的開路電壓為 40 V ，短路電流為 3 A 。當(dāng)取 RL=24 Ω時(shí)，根據(jù)光伏電池的 I-U 曲線，系統(tǒng)應(yīng)輸出 36.54 V 電壓，輸出電流為 1.524 A ，仿真后得到負(fù)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(diǎn)。系統(tǒng)從開機(jī)到穩(wěn)定值的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間約為 10 ms ，響應(yīng)速度比較快。由于 PI 超調(diào)的作用，剛開始有一個(gè)明顯的尖峰電壓電流，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)高耐壓的小電容，以吸收尖峰電壓。

更換負(fù)載電阻的大小可使每個(gè)阻值對(duì)應(yīng)一對(duì)電壓電流值，也就是負(fù)載工作點(diǎn)。圖 8 用符號(hào)‘ * '表示。把這些工作點(diǎn)與預(yù)存的光伏電池的 I-U 曲線相比可知，這些工作點(diǎn)大致在光伏電池 I-U 曲線附近，其多點(diǎn)仿真結(jié)果如圖 8 所示。

5 結(jié)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(jìn)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(jié)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(shí)際的太陽能電池來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。