1引言

太陽能作為一種新型的可再生資源受到越來越廣泛的重視，但在光伏系統(tǒng)的研發(fā)過程中，太陽能電池陣列由于實(shí)驗(yàn)受到日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度的影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成本過高，研發(fā)周期變長(zhǎng)。光伏電池陣列模擬器可以大大縮短光伏系統(tǒng)的研究周期，提高研究效率及研究結(jié)果的可信性。

本文設(shè)計(jì)的光伏電池陣列模擬器以半橋電路為基礎(chǔ)，基于DSp控制，并加入了pI控制改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。

2太陽能電池的工作特性

太陽能電池在有光照條件下，光生電流會(huì)流過負(fù)載，從而產(chǎn)生負(fù)載電壓。這時(shí)太陽能電池的等效電路如圖1所示。其中，RS為串聯(lián)電阻，Rsh為旁漏電阻，也稱跨接電阻，它是由體內(nèi)的缺陷或硅片邊緣不清潔引起的。顯然，旁路電流Ish和二極管的正向電流ID(通過pN結(jié)總擴(kuò)散電流)都要靠IL提供，剩余的光電流經(jīng)過RS，流出太陽能電池而進(jìn)入負(fù)載。

圖1太陽能電池的等效電路圖2系統(tǒng)原理框圖

根據(jù)文獻(xiàn)資料[1]，利用廠家提供的短路電流Isc，開路電壓VOC，最大功率點(diǎn)處的電流Im和最大功率點(diǎn)處的電壓Vm這四個(gè)參數(shù)可以得到太陽能電池板便于工程計(jì)算的模型：

(1)

其中：

(2)

這樣，就把太陽能電池板的I-V特性曲線轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的、便于工程計(jì)算的形式。

3光伏電池陣列模擬器設(shè)計(jì)

模擬器的目的是要能模擬一定光照下，隨負(fù)載變化的太陽能電池板的電特性，包括最大輸出功率，輸出I-V特性，以及不同日照下的變化。其應(yīng)該完成以下三個(gè)方面的要求：

(1)系統(tǒng)能夠按照光伏陣列的輸出特性完成輸出，當(dāng)外電路負(fù)載一定時(shí)，系統(tǒng)能夠在工作點(diǎn)上保持穩(wěn)定的輸出；

(2)當(dāng)外接負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，模擬器能夠以合乎要求的速度變化到新工作點(diǎn)并能穩(wěn)定在該點(diǎn)；

(3)能夠輸出要求的功率；

本文設(shè)計(jì)的光伏陣列模擬器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由功率電路和采集控制電路兩部分構(gòu)成。功率電路采用半橋拓?fù)?，用以完成直流變換，經(jīng)整流濾波后，產(chǎn)生合適的輸出電壓。檢測(cè)電路實(shí)時(shí)采集輸出電壓、電流，并送給DSp控制電路。DSp依據(jù)采集到的值，產(chǎn)生合適的占空比信號(hào)控制半橋兩個(gè)IGBT開關(guān)。隔離驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)IGBT開關(guān)，并實(shí)現(xiàn)與控制電路的隔離。如果想要模擬一條新的太陽能電池板I-V曲線，只需在軟件中重新設(shè)定該曲線的和，這四個(gè)參數(shù)就可以了。

由于半橋母線電壓為100V，單個(gè)管子承受耐壓應(yīng)該在100V以上，系統(tǒng)最大輸出電流為3.5A。綜合以上因素后，我們選擇Infinion公司生產(chǎn)的IGBT單管IKW40N120T2，其耐壓1200V，可通過的均值電流40A，且該單管價(jià)格便宜，開通、關(guān)斷時(shí)間極短，開通壓降只有1.7V，因此，開關(guān)損耗較小，是較理想的選擇。

在本系統(tǒng)中，一共需要四路采集，分別是半橋高低端電壓采集，輸出電壓電流采集。這四路信號(hào)都要設(shè)定過壓或過流保護(hù)。采集電流信號(hào)使用電流傳感器，采集電壓信號(hào)使用電阻分壓的形式。本設(shè)計(jì)的采集電路使用差分信號(hào)傳輸，并基于三級(jí)采集電路設(shè)計(jì)：首先使用全差分放大器LTC1992進(jìn)行單端到差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換；然后使用模擬線性光耦HCpL7840進(jìn)行信號(hào)隔離；最后使用儀用運(yùn)放INA121將信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大。

4控制算法實(shí)現(xiàn)

4.1尋找負(fù)載工作點(diǎn)的算法設(shè)計(jì)

光伏模擬器主要是跟蹤負(fù)載的工作點(diǎn)，使得模擬器在不同負(fù)載情況下的輸出能滿足光伏陣列的輸出特性。靜態(tài)工作點(diǎn)的確定是模擬器的關(guān)鍵，如何在一特定負(fù)載下快速尋找到期望工作點(diǎn)，并使電源工作在這個(gè)點(diǎn)上。當(dāng)負(fù)載變化，或是環(huán)境條件變化時(shí)，又如何找到新的工作點(diǎn)，并快速且精確的控制電源運(yùn)行在這個(gè)工作點(diǎn)上，是模擬器控制算法所要解決的核心問題。

當(dāng)負(fù)載電阻確定后，想要確定工作點(diǎn)處的電壓電流，需要代入式(1)進(jìn)行計(jì)算，但公式復(fù)雜，且涉及指數(shù)運(yùn)算，在程序?qū)崿F(xiàn)上十分麻煩，而且也會(huì)影響系統(tǒng)響應(yīng)的速度。從我們研究太陽能電池的輸出I-V特性曲線可以看到，在短路電流點(diǎn)附近，電池板接近恒流，輸出I-V曲線在這一段接近一條直線；在開路電壓點(diǎn)附近，電池板接近恒壓，輸出I-V曲線在這一段也接近一條直線。所以我們用四條直線來對(duì)電池板輸出I-V曲線進(jìn)行擬合，如圖3所示。