光伏电池阵列模拟器研究报告

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江苏电器 (2007 No.6>

光伏电池阵列模拟器的研究 光伏电池阵列模拟器的研究

唐金成1，林明耀1，张蔚2 (1 东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096；2 南通大学 电气工程学院，江苏 南通 226007> 摘 要： 根据光伏电池阵列的输出 I - U 特性，提出了利用四段折线拟合法对该特性曲线进行分段 拟合，并在此基础上设计了基于B u c k电路的太阳能电池模拟器。模拟器采用输出电流反馈P I调节，提高 了系统的动态性能以及稳态精度。通过仿真验证了设计的合理性。 关键词： 太阳能电池模拟器；分段拟合；PI调节；Buck电路 中图分类号：TM619 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2007>06-0010-03 Research on Solar Array Simulator

TANG Jin-cheng, LIN Ming-yao, ZHANG Wei2 <1 College of Electronic Engineering of Southeast University, Nanjing 2006, China。 2 College of Electronic Engineering of Nantong University, Nantong 226007, China） Abstract: Based on the photovoltaic (PV> array’s output I - U characters, it raises that four lines can be used to imitate the characteristic curve in several sections. The solar array simulator based on Buck circuit is designed. Output current feedback PI control is also used to achieve fast dynamic response and high precision of output. The rationality of the design is proved by the results of the simulation. Key words: solar array simulator。 partitioned imitation。 PI regulate。 Buck circuit 0 引言

目前，全球性的能源危机迫使越来越多的国家 1

光伏电池阵列的电气特性

光伏电池阵列在太阳辐射强度 S 为1 000 W/m 2，

开始重视新能源的研究，光伏发电作为其中很重 要的一种也得到了广泛研究。但由于光伏电池造 价高，导致研究成本很高，不利于其初期的研究， 因此，很有必要设计一种成本较低，能够代替实际 光伏电池阵列进行各种光伏实验的太阳能电池模拟 器。 基于光伏电池阵列的输出I - U 特性曲线，设计 了一种以B u c k电路为基础的，基于D S P控制的太阳 能电池模拟器。它可以模拟太阳能电池的输出特 性，因此能够替代实际的光伏电池阵列。提出采用 四段折线法对光伏电池阵列的特性曲线进行分段拟 合，同时结合电流反馈PI控制，提高系统的动态性 能以及稳态精度，并进行了仿真验证。 温度 为25 ℃条件下的I - U 特性曲线如图1中曲线所 示[1]。从图中可以看出光伏电池阵列是一种非线性 直流电源，在低压段近似为恒流源，在高压段特性 曲线非线性加强，因此不能简单地采用直线对曲线 进行拟合。 实现对光伏电池特性的模拟主要有两种方法： 查表法[2-4]和计算法[5]。查表法是一种较为准确的 方法，但需要事先人工输入大量数据，工作非常繁 琐，而且电池参数等数据的获得也并非易事；使用 计算法拟合曲线舍弃传统的查表法，误差较小且无 需太多人为干预，使得系统更为优化、简单。 采用多段直线

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( 折线 > 模拟是数学上模拟弧度 较小的曲线时常用的方法。仔细研究图 1 会发现， 光伏电池阵列的输出特性在低压段近似为恒流源， 作者简介：唐金成(1983- >，女，硕士研究生，研究方向为太阳能光伏发电、电力电子及电力传动等； 林明耀(1959- >，男，教授，博士，研究方向为可再生能源发电、电力电子及电力传动、电机及数字控制等。 0

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经过最大功率点后下降速度加快， 但是弧度较小，故 而可采用四段折线模拟该曲线，如图 1 中折线所示。

电流 P I 调节器的输出，改变 D S P 中比较寄存器的 值，产生可变脉宽的 PWM 波，控制主电路的开关器 件，从而实现对光伏电池阵列特性的模拟。 2.2 I ref的确定 以 短 路 电 流 点A ( x 0 ，y 0 > 为 一 个 端 点 ， 点 B (x 1，y 1>为另一端点，利用数值计算公式[6](2>可 以得到从 A 点到 B 点的拟合方程。 x -x1 x -x0 Y ( x >= x 0 - x 1 y 0 + x 1- x 0 y 1 曲线的拟合方程。 如图1所示，端点坐标分别为：A (0，4.5>、 图1 光伏电池阵列的I - U 特性曲线及其折线模拟 (2>

依次类推，可以得到对整条光伏电池阵列特性 2

模拟器的原理

太阳能电池模拟器能够模拟实际光伏电池阵列

的I - U 输出特性。文中设计了一种以Buck直流斩波 电路为基础，基于DSP控制的太阳能电池模拟器。 2.1 模拟器结构图 模拟器结构图见图2。 2 D 1 1 L

B (20 ，4 .45>、C (34 .3 ，4>、D (43 .33 ，3>、 E (52.6 ， 0>。 根据公式(2>对光伏电池阵列的特性曲线进行 了四段拟合，得到以下拟合方程： I 1= -0.002 5 U + 4.5 (U ∈[0，20]>； I 2= -0.031 5 U + 5.079 (U ∈[20，34.3]>； I 3= -0.110 7 U + 7.798 (U ∈[34.3，43.33]>； I 4= -0.323 6 U + 17.023 (U ∈[43.33，52.6]>。 输出电压经AD采样后送入DSP控制器后，首先判 断此时的输出电压属于哪段拟合区间，然后根据相 应的拟合方程计算光伏电池阵列的输出电流值，将 此电流值作为输出电流的指令值，即I ref[7]。 Ui + - D2 2 C R 3

PI控制器参数的整定

太阳能电池模拟器采用的是电流反馈 PI 控制，

DSP控制器 光伏曲线 I ref + 拟合电 流给定 输出电压采样 U out 电流PI 调节器

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PWM 波生成 输出电流 反馈 I out 控制原理框图如图 3 所示。输出电流的指令值 I ref 是通过四段折线分段拟合光伏电池特性曲线而得， 它与实际输出电流反馈值 I out 的偏差通过电流 P I 调节器，形成改变 PWM 占空比的控制量，使输出电 流 I out 始终跟踪给定电流 I ref 。 U out 光伏曲线 +- I out 电流PI 拟合电 调节器 流给定 I ref PWM 波生成 低通 滤波器 负载 图2 太阳能电池模拟器的结构图

由图2可知，该模拟器是以直流斩波电路为基 础，直流斩波电路为标准的Buck电路。Buck电路的 输出电压U out和输入电压U i的关系如式(1>所示： Uout = DU i (1> 式中 D 为PWM波形的占空比。 在 DSP 控制系统中，根据采样到的斩波器的输 出电压实时地计算出光伏电池阵列的输出电流值， 然后将此电流值作为输出电流的指令值 I ref，同实 际输出电流值 I out 相减后送入电流 PI 调节器，通过 文中采用试凑法对P I控制器的参数进行了整 定 。首先将积分时间常数T i取零，即取消积分作 用，采用纯比例控制。将比例增益 P 由小到大变 化，观察系统响应，直至系统响应速度变快，且有 一定范围的超调为止。然后将积分时间常数T i由大 [8]

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光伏电池阵列模拟器的研究

逐渐减小，积分作用就逐渐增强，观察输出会发 现，系统的 …… 此处隐藏：4639字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……