（电力电子与电力传动专业论文）一个光伏阵列模拟器的设计.pdf

d e s i g n o fap v a r r a ye m u l a t o r a b s t r a c t s o l a re n e r g yi so u eo fm a i nr e n e w a b l ee n e r g yr e s o u r c 懿w i l ht h er e a lp v m o d u l e s 解t e s tp l a t f o r mi nt h ed e v e l o p m e n to fp h o t o v o l t a i es y s t e m s i ti sh a r dt o p e r f o r ma l l r o u n dt e s t so l lp ve q u i p m e n td u et o t h ee n v i r o n m e n t a ll i m i t a t i o n s t h e p va r r a ye m u l a t o r , a sau e wt y p es p e c i f i cp o w e rs u p p l y , c a l le m u l a t et h eo u t p u t p r o p e r t i e so fp va r r a y su n d e ra n yw o r k i n gc o n d i t i o nb yt r a c k i n gc o n t r o l ，s ot h a t p r o v i d 髓a na l l r o u n dt e s tp l a t f o r mt h a tr e d u c e st h et i m ea n di m p r o v e st h ee f f i c i e n c y o f t h ep r o d u c t sd e v e l o p m e n t a n a l y s i si sp e r f o r m e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs o l a rc e l la sw e l la si t s o u t p u tp r o p e r t ye x p r e s s e d 嬲i - vc u r v e s a ne n g i n e e r i n ga l g o r i t h mi so b t a i n e df o rt h e i vc a r v e sr e p r e s e n t e db ye x p l i c i te q u a t i o n s n ea b o v er e s u l t sf u n c t i o n sa st h eb a s e o f t h ed i 百t a lp va r r a ye m u l a t o r 1 1 l ch a r d w a r eo f t h ee m u l a t o ri sc o m p o s e do f a n8 0 c 5 5 2b a s e dc o n t r o l l e ra n da d c i ) c ，a n dt h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no f t h ed e s i g n o nt h ec o n t r o ls t r a t e g y , t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h et r a c k i n gs t r a t e g yo ft h e w o r k i n gp o i n tt oa p p r o a c ht h ei - v c u r v ea l o n gt h el o a dl i n e b a s e do l lt h ed e s i g nd e s c r i b e di nt h ed i s s e r t a t i o n , ap va r r a ye m u l a t o rm a yb e c o n s t r u c t e dt oe x h i b i tt h eo u t p u tp r o p e r t yo fa n yt y p ep vm o d u l eu n d e ra n yw o r k i n g c o n d i t i o n ，p r o v i d i n ga l la l l r o u n dt e s tp l a t f o r mf o rt h ep v f a c i l i t i e s k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o n ；p h o t o v o l t a i ca r r a ye m u l a t o r ；n o n l i n e a r i t y ； i - v c u r v e s ；l o a d1 i n e 插图清单 图卜l 离网太阳能光伏发电系统组成框图3 图l - 2 联网太阳能光伏发电系统组成框图4 图卜3 基于太阳能电池的模拟式光伏阵列模拟器5 图卜4 基于二极管和l e d 的模拟器6 图卜5 太阳能电池模拟器的结构图7 图2 一l 光伏阵列输出特性曲线8 图2 2 不同日照强度下的特性曲线族8 图2 3 不同温度下的输出特性曲线9 图2 4 太阳能电池的工作原理与等效电路1 0 图3 - ib u c k 电路1 4 图3 2b o o s t 变换器主电路1 4 图3 - 3b u c k b o o s t 变换器主电路1 5 图3 - 4 单端反激式变换器主电路，1 6 图3 - 5 单端正激式变换器电路1 6 图3 - 6 半桥式变换器电路图1 7 图3 - 7 全桥式变换器电路图1 7 图3 - 8 正激式变换器的主电路1 9 图3 - 9 正激式变换器电流连续的波形2 0 图3 一l o 正激式变换器电流断续时的波形2 0 图3 - 1 1 电流临界状态时的波形2 1 图3 - 1 2 电流断续模式波形2 2 图3 - 1 3 复位回路2 6 图3 - 1 4 缓冲器等效电路2 7 图4 - 1a d 结构框图2 9 图4 - 2 基准源电路3 0 图4 3t l p 2 5 0 的内部结构3 1 图4 - 4t l p 2 5 0 驱动电路3 1 图4 - 5 电压采样电路3 2 图4 - 6 电流采样电路3 2 图4 - 7 主程序流程3 3 图4 - 8a d 转换流程3 3 图5 1 不同负载与不同条件下的工作点3 4 图5 - 2 光伏阵列模拟器工作点的确定3 6 图5 - 3 光伏阵列模拟器的跟踪流程3 6 表格清单 表卜l 中国四个太阳能资源带的年曝辐射量2 表4 - 16 2 6 4 工作方式选择表3 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金壁王些盔堂 或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文 乍者签名：采葫签字日期：纠年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金罡至些盔堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权金起王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：脉而 签字日期：p 司年月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字魄唧月c 2 日 电话： 邮编： 致谢 本人在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得 到了我的导师张崇巍教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收 集参考资料、论文审阅、成稿，都倾注了张崇巍老师的大量心血，在学业指导 的过程中，张崇巍老师为人处世的优秀品质、严谨的治学精神和高尚的道德风 范给我留下了难忘的印象，将使我终身受益，成为我在学术上前行的巨大精神 力量。 同时，真诚感谢张兴老师在我论文选题、资料收集、课题研究中给与的无 私帮助和大力支持。 最后，感谢各位同学的帮助。 作者：朱丽 2 0 0 7 年5 月 第一章绪论 太阳能是新能源和可再生能源的重要组成部分，随着能源的日益匮乏。太 阳能及光伏发电技术得到了人们很高的重视，太阳能在新能源利用中占最大的 比例。太阳能电池模拟器能很好的模拟太阳能电池的输出特性，缩短光伏系统 的研发周期，提高其研发效率。 1 1 新能源和可再生能源的含义、特点及种类 1 9 8 1 年联合国于肯尼亚首都内罗毕召开的新能源和可再生能源会议提出的 新能源和可再生能源的基本含义：以新技术和新材料为基础，使传统的可再生 能源得到现代化的开发利用，用取之不尽、周而复始的可再生能源来不断取代 资源有限、对环境有污染的化石能源；它不周于常规化石能源，可以持续发展， 几乎是用之不竭，对环境无多大损害，有利于生态良性循环；重点是开发利用 太阳能、风能、生物能源、海洋能、地热能和氢能等。 新能源和可再生能源的特点：( 1 ) 能量密度较低并且高度分散；( 2 ) 资源丰富， 可以再生；( 3 ) 清洁干净，使用中几乎没有损害生态环境的污染无排放；( 4 ) 太阳能、 风能、潮汐能等资源具有间歇性和随机性；( 5 ) 开发利用的技术难度大。 联合国开发计划署将可再生能源分为3 大类： 1 ) 大中型水电； 2 ) 新可再生能源。包括小水电、太阳能、风能、现代生物质能、地热 能； 3 ) 传统生物质能。 可再生能源在我国目前是指除常规化石能源和大中型水力发电及核裂变发 电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能、海洋能等一次能源以及 氢能、燃料电池等二次能源。 新能源和可再生能源是保护人类赖以生存的地区的生态环境的清洁能源； 采用新能源和可再生能源以逐渐减少和替代化石能源的使用，是保护生态环境、 走经济社会可持续发展之路的重大措施。 1 2太阳能的利用与光伏发电 1 2 1 太阳能的利用 环境的污染和能源的短缺是人类在2 1 世纪面临的最大挑战，人类在努力寻 找解决这两个问题的方法时发现，可再生能源的利用应是解决这两个问题的最 好办法。自9 0 年代以来，在可持续发展战略的推动下，可再生能源技术进入了 快速发展的阶段。 2 0 0 4 年国家法改委起草了个中国可再生能源开发战略规划( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) ( 草案) ，描绘了我国中长期新能源和可再生能源发展的蓝图。规划 提出的发电能力预期目标为：到2 0 1 0 年可再生能源发电的总装机容量达到 6 0 x 1 0 6 k w ，占全国总电力装机容量的1 0 ，其中太阳能光伏发电装机容量为 4 5 x 1 0 4 k w 。到2 0 2 0 年可再生能源发电的总装机容量达到1 2 1 x l o s k w ，占全国 总电力装机容量的1 2 ，其中太阳能光伏发电装机容量达到l o l o s k w 。 从本质上，地球上所有的能源都来自太阳能，其它可再生能源生物质能、 风能、潮汐能当然也都来自太阳能。据专家预测：下世纪中叶，太阳能和其他 可再生能源能够提供世界能耗的5 0 ，而在各种可再生能源中太阳能的直接利 用是最重要的基本资源。与常规能源相比，太阳能在两方面优势明显： 1 ) 输入的代价为零： 2 ) 排放的污染为零。 中国的太阳能资源与同纬度的其他国家相比，除四川盆地和与其毗邻的地 区外，绝大多数地区的太阳能资源相当丰富，和美国类似，比日本、欧洲条件 优越得多，特别是青藏高原的西部和东南部的太阳能资源尤其丰富，接近世界 上最著名的撒哈拉大沙漠。 太阳能资源的分布具有明显的地域性，这种分布特点反映了太阳能资源受 气候和地理位置等条件的制约。根据太阳年曝辐射量的大小，可将中国划分为4 个太阳能资源带，表1 1 为这4 个太阳能资源带的年曝辐射量指标。 资源带号 资源带分类 年曝辐射蹙，( m j m 2 ) i 资源丰富带 6 7 0 0 i i资源较丰富带5 4 0 0 - 6 7 0 0 i i i 、 资源一般带 4 2 0 0 5 4 0 0 i v 资源缺乏带 ( 1 0 0 x 1 0 5 。 根据资料查缛e i - - 4 0 磁芯：a 。= 1 4 8 e r a 2 ，a ，= 1 5 5 4 e r n 2 ，则由公式( 3 2 8 ) 得到： a p = 4 4 = 1 4 8 x 1 5 5 4 = 2 3 0 c m 4 所选磁芯的功率容量大于输出功率估计值，可以选用。 2 变压器原、副边绕组匝数的确定： 因副边电压变化范围较大，在此以功率管s 最大导通时间使副边电压达到 最大值进行计算。 以最小输入电压v i n l 日i n 时承受伏秒值计算所需的初级的最少匝数： n ：蔓型玉噬( 3 2 9 ) a b a 。 将v i m l i = 2 2 0 0 = 2 8 0 v , t o m m = 0 4 2 1 t s 带入得到 n i = 嚣慧观施 在实际应用中取n l = 5 3 匝。 由公式( 3 - 2 7 ) 可知匝比n = n d n , = 1 k r 0 3 7 。 由此可计算出次级绕组n 2 = n l x 0 3 7 = 1 9 6 匝，取2 0 匝。 3 3 3 输出滤波电路的设计 1 输出电感的计算 由最小电感连续电流公式( 3 1 8 ) ，可求得指定最小连续电流k 对应的电感 量。 三；呈匕竖墅二竺! ! ( 3 3 0 ) 2 式中k 是输出电流的最小连续电流，取k ；0 2 a ，则对应的最大纹波电流 a i o m a x = 0 4 a a 如果需要模拟器的输出完全模仿太阳能电池的输出特性曲线，电路的输出 电流在o i s c 之间变化，则会出现模拟器有部分工作在电流断续状态，使电路 性能恶化。在电路设计中，应尽量使电路工作在连续状态，必要时在电路输出 端接假负载以增加最小电流值，但这会使电路效率降低。 在电感的选取中，要综合考虑多方面的因素，一般取其折中点。 根据式( 3 3 0 ) 得： 三：03675x240 x1414x042x058x10 x10。s：076mh 2 x 0 2 根据面积法( a p ) 选择磁芯形状和尺寸： a p ：【坠于 ( 3 3 1 ) 。墨。 其中，l 一电感( h ) ；，最大峰值短路电流( a ) ；“一饱和限制的最大磁通 密度( ，r ) ，此处取b 。卸3 t ；厨一系数，单线圈电感取0 0 3 ，计算如下： l 。：厶。+ 型粤：4 5 + o 2 ：4 7 a a p ：【塑盟堕竺】j 4 ：2 1 6 6 c m 0 3 x 0 0 3 。 选择磁芯e e - 4 0 ，查资料的其a e = 1 2 7 e m 2 ，a w = 1 7 3 c m 2 ，则 a p = a 。x a p = 1 2 7 x 1 7 3 = 2 1 9 7 1 c m 4 容量可以满足设计要求。 所需电感的匝数： ，：坠 ( 3 3 2 ) 。4 计算如下： 曲一= 口一x 专鲁= 。3 而0 4 = o 舵s r 代入式( 3 3 2 ) ，得到 m ：旦螋坐等硼匝0 0 2 6 。 x 1 2 7 x 1 0 1 2 输出电容的设计 输出电容值由下式决定： c ，：呈匕型! ：( 3 3 3 ) 8 l 式中4 圪是输出电压脉动值，电容值需满足输出纹波的要求，取= o i v ， 可得： c ：0 3 6 7 5 x 2 4 0 x l 4 1 = 4 x ( 1 0 x 一1 0 。6 ) 2 ：2 0 5 心 8 x o 7 6 x 1 0 。0 1 3 3 4 复位电路的设计 复位电路如图3 1 3 所示。 5 k f 枭 + 广一 岛ji i 订卑 ii s 图3 一1 3 复位回路 当开关s 导通时，变压器t 的磁通增加，磁能就存储在变压器t 内，开关 s 断开时，即释放出已励磁的磁能以使磁通恢复为剩磁。t 上绕有复位用的绕组 n 3 ，在开关断开期间，可使磁通通过d 3 向输入部分返回励磁电流。在本文的电 路设计中，选用的复位绕组的匝数和原边绕组的匝数相等，即n 3 = n i 。 3 3 5 功率开关s 和二极管的选择： 1 功率开关s 的选择 当功率开关关断时，开关管上承受的电压由公式( 3 5 ) 得 = ( 1 十导) 。= 2 。= 6 7 2 v l 、3 当n 1 = n 3 时，开关管关断时其上承受的电压至少是输入电压的两倍。事实 上开关管承受的最大电压应力比最大直流输入电压的两倍还要高，高于两倍最 大直流输入电压的部分称为漏感尖峰，是由于电路中存在的漏电感和初级绕组 串联引起的。而漏感的产生是由于某些初级磁通没有通过磁芯耦合到次级，而 是通过空气闭合返回到次级。 开关管s 关断时，通常假设漏感尖峰为两倍最大直流输入电压的3 0 ，在 选择开关管时，应使其能承受如下公式的电压应力，并留有一定程度的安全裕 量。 e 。= 1 3 x v , = 8 8 2 v 在开关管开通时，流过开关管的电流即变压器原边电流。由于最大的输出 电流为4 5 a 。以此为上限值计算输入的直流电流。 、t j = i o 生= 4 5 x 0 3 7 * 1 6 7 a。 n 1 以上计算的电流实际上是流经漏极的电流。考虑到流经次级回路中的滤波电 感的纹波电流，留出一定的裕量，流过开关管的最大电流至少为3 a 。 根据以上的分析，为了保证电路安全可靠的运行，选择了m o s f e t 管6 n 9 0 。 2 输出二极管的选择： 由输出电流最大值为4 5 a ，输出最大电压值为4 2 a ，加上脉动电压和脉动 电流值。考虑到安全裕量，输出电路的整流二极管d l 和续流二极管d 2 二极管 选择m u r 8 2 0 。它所能承受的最大电压为2 0 0 v ，最大电流8 a ，最大压降o 9 7 5 v ， 最大反向恢复时间为3 5 n s 。 3 缓冲电路的计算 因主开关及输出二极管的两端均有冲击( 浪 涌) 反向电压产生，需有缓冲器电路。电路图如图 3 1 4 所示。 在图3 1 4 中，当开关管s 开始关断时，s 的电 流开始下降，变压器漏感阻止该电流的减小。此时， 一部分电流继续通过将要关断的开关管，一部分电 流通过d 对电容c 充电，限制集电极电压的上升 = c 一 脚! ： 图3 一1 4 缓冲器等效电路 速度，减小了上升电压和下降电流的重叠，从而降低开关管s 的损耗。由于下 次开关关断开始时刻，c 两端应保证没有电压，因此c 在s 关断之前必须将己 充的电放完。c 是通过r 来放电的，当s 导通时，c 的上端瞬间接地，就构成 了r ，s 放电回路。 缓冲电路中电容c 的选择： 2 7 c ：三匦上 2 2 v m 其中，圹一功率开关的最大关断时间， 大电流。 f 3 3 4 ) 取为1 2 0 n s ；矗融一流过功率开关的最 为了保证电容c 足够大，取= 2 0 0 - k 1 4 1 4 = 2 8 2 8 v ，i r m m - - 4 a ，求得 c ：一4 1 2 0 1 0 。9 ：o 4 2 胪 22 x 2 8 2 8 缓冲电路中电阻r 的选择应保证c 在最小导通时间内放电至所充电荷的 5 以下，则： r = 丘喧 ( 3 - 3 5 ) 3 c 、 设最小导通时间t 。矿2 ，代入式( 3 3 5 ) 得 五：! 兰! ! ：4 7 6 k 1 - 1 0 a 2 x 1 0 - 9 在功率开关s 关断时，加在电容c 上的电压为2 ，储存的能量为o 5 c ( 2 v 0 ) 2 若该能量全部消耗在电容r 上，则每周期内消耗在电阻r 上的能量 为： 岛：o s c _ = ( 2 - _ 矿j ：2 3 7 w 第四章光伏阵列模拟器控制器的设计 光伏阵列模拟器的总体结构如图1 5 所示，其中控制器实现以下功能： 1 ) 光伏阵列模拟器的输出电流和电压的测量； 2 ) 提供d c d c 环节所需的p w m 控制和驱动信号； 3 ) 计算i v 特性曲线； 4 ) 实现输出对i - 、r 特性曲线跟踪的闭环控制； 5 ) 实现人机接口和通信； 6 ) 实现装置的部分保护功能。 控制器的设计以8 0 c 5 5 2 单片机为核心。8 0 c 5 5 2 以8 0 c 5 2 为内核，增加了 a d 转换和p w m 输出等功能模块，并受到包括k e i lc 5 1 等在内的软件平台支 持。 4 1 8 0 1 2 5 5 2 单片机 在本光伏阵列模拟器设计中，选用了p h i l i p s 公司的8 0 c 5 1 系列中的8 0 c 5 5 2 单片机。它是8 0 c 5 1 系列中的典型产品，它与i n t e l 公司的m c s - 5 1 系列单片机 完全兼容，具有相同的指令系统、地址空问和寻址方式。采用模块化的系统结 构。但其在以8 0 c 5 1 位内核的基础上增加了一部份功能模块。新增的功能部件 ( 电路) 有：a d 转换器、捕捉输入定时输出、脉冲宽度调制输出( p w m ) 、1 2 c 总线接口、监视定时器等。 1 a d 转换器： 图4 - 1a d 结构框图 8 0 c 5 5 2 含有一个8 路1 0 位逐次比较型a d 转换器。8 0 c 5 5 2 内部的d 转换器由模拟输入开关、a d 转换器、a d c 控制寄存器a d c o n 和a d c 结果 寄存器a d c h 等部分组成，其电路结构如图4 i 所示。图中a d c o n 和a d c h 皆为8 位寄存器，也属于特殊功能寄存器s f r 。8 路模拟量输入开关受a d c o n 中低三位地址码控制，用于选择a d c 7 ( p 5 7 ) a d c 0 ( p 5 1 冯i 脚上输入模拟量 中哪一路送给l o 位a d 转换器。a d c o n 中高2 位存放在a d c h ( a d c h 7 为 最高位) 中，a d c o n 中其余三位a d c o n 5 一a d c o n 3 用于a d 转换的控制。 8 0 c 5 5 2 进行a d 转换时，需要有基准源，基准源产生电路如图4 2 所示。 l m 3 3 6 是一个带调整端的精密基准源末端接电位器的调整端，2 端输出5 v 基准 电压，3 端接地。 图4 - 2 基准源电路 2 数据存储器的扩展 因为控制器要根据输入的产品参数和环境参数进行在线的i v 特性曲线 的浮点计算，并且要对获得的曲线以表格存储，在单片机的硬件设计中需要扩 充一定容量的r a m 。 w _ e c e l c e 2o e l j o l l | 0 1 工作方式 xhx x 高阻 未选中 xxlx高阻未选中 hlh h 高阻输出禁止 h lh l 数据输出 读操作 llh h 数据输入 写操作 llhl数据输入写操作 表 16 2 6 4 工作方式选样表 8 0 c 5 5 2 内部虽有2 5 6 字节的r a m ，但不能满足使用要求。根据系统所需 r a m 容量。在8 0 c 5 5 2 外部扩展一片8 k 字节的静态数据存储器6 2 6 4 。6 2 6 4 是 采用c m o s 工艺制成的8 k x 8 位2 8 引脚的静态读写存储器，数据输入和输出引 脚公用，三态输出，采用单- - + 5 v 电源，其输入输出电平与t t l 兼容。有两个 片选输入端c e l 、c e 2 ，分别为低高电平有效，具有低功耗操作方式，额定功 耗2 0 0 m w , 当未选通时，芯片即处于低功耗状态，可减少8 0 p a 上的功耗，只需 有2 v 电源电压、几十肛a 电流就可保持数据不变，工作方式选择如表4 1 所示。 4 2 具有隔离的驱动电路设计 本设计电路中选用的是单片机8 0 c 5 5 2 作为控制器的核心。由单片机产生的 p w m 信号驱动能力有限，因此在单片机与主功率电路之间需加功率放大电路对 p w m 波进行功率放大。采用了光耦t l p 2 5 0 作为隔离驱动部分。图4 3 是其内 部结构图。 c k l 图4 - 3t l p 2 5 0 的内部结构 t l p 2 5 0 是专门为i g b t 、m o s f e t 等门极隔离驱动而设计的驱动芯片， 它有一个较宽的电源电压范围，其最高电压达3 5 v ，并且反应快速，其开通和 关断时间仅有0 。5p , s ，输出的最大尖峰电流可达0 5 a ，能隔离2 5 0 0 v 的高压， 由于其优良的特性，它广泛用于i g b t 和功率m o s f e t 门极驱动。 t l p 2 5 0 的隔离驱动电路如图4 - 4 所示。 p 爿4 5 j 图4 - 4t l p 2 5 0 驱动电路 4 3 采样电路设计 在设计中，必需对光伏阵列模拟器的输出电压和输出电流进行采样。 1 电压检测电路 在电压检测电路中，单片机8 0 c 5 5 2 a d 转换器外接5 v 基准电压以减小其 它信号带来的干扰。光伏阵列模拟器的输出电压最大值为4 2 v ；需将其进行1 0 倍的衰减。并且对输出中的谐波进行了滤除。在信号进入单片机前利用两个二 极管构成一个篱单实用的保护电路，保证进入a d 转换器中的采样电压信号为 肚5 儿采用的电压采样电路如图4 - 5 3 0 】。 3 1 图4 - 5 电压采样电路 2 电流采样电路 电流采样电路采用了霍尔传感器c s m 0 2 5 a 系列，其采样电路如图4 - 6 所示 图4 6 电流采样电路 3 采样信号的隔离 为了防止主电路的信号干扰，需使功率信号与单片机隔离。采用了i s 0 1 2 4 光耦隔离放大器，光耦用光进行传送信号，为输入、输出系统之间提供隔离。 i s 0 1 2 4 是一种隔离模拟量的光耦隔离放大器，放大倍数为1 。在电路设计中， i s 0 1 2 4 将采样的电压、电流信号隔离后，送入单片机的a d 转换器中进行数据 处理。 4 4 软件系统设计 1 主程序的流程 主程序模块主要完成系统的初始化工作及等待处理中断，其中系统的初始 化主要包括c p u 的初始化、a d c 模块的初始化、i o 初始化、p w m 模块的初 始化。 i 围 困 图4 - 7 主程序流程 2 a d 采样程序 在太阳能电池仿真器设计中，分别对电压电流进行采样，由于采样的模拟 值含有各种频率的干扰信号，在软件中设计了滤波的环节，对数据进行处理和 调节。由于单片机运算速度和a d 转换速度都很快，采用了中位值平均滤波的 方法，连续采样7 个数据，去掉一个最大值和一个最小值，求剩下的5 个数据 的平均值作为本次的采样值。 图4 喝v d 转换流程 第五章光伏阵列模拟器输出特性的跟踪策略 光伏阵列模拟器是利用实际电路来模拟光伏阵列的输出特性曲线，使得其 输出与光伏阵列i v 特性曲线一致。本章介绍数字式光伏阵列模拟器的对光伏 阵列i - v 特性曲线的跟踪策略。 5 1 光伏阵列i v 特性曲线的在线生成与存储 因为要根据输入的产品参数和环境参数进行i v 曲线的浮点计算，并且对 获得的曲线以表格方式存储，在单片机的硬件设计中需要扩充一定容量的 r a m 。 控制器根据厂方提供的光伏阵列在标准测试条件下提供的参数和输入的日 照和温度，计算出当时的i v 曲线，并将该曲线按一定间隔离散化代表电流和 电压的二维浮点数据表格存储在8 0 c 5 5 2 所扩充的r a m 中。因为在模拟器运行 过程中可以随时改变有关参数，因此i v 曲线的计算应该是实时进行的。 在计算i v 曲线并制定和存储表格的同时，还可以计算出曲线上各点的等 效电阻。如果将其与电流和电压一道存储，则将构成一个三维表格。等效电阻 的使用将有助于下面将介绍的跟踪策略。 5 2 数字式太阳电池阵列模拟器的跟踪策略 为了实现对真正的光伏阵列输出特性的模拟，必须使模拟器像真正的光伏 阵列那样工作，如果将负载看作一个电阻，其伏安特性称为负载线。 光伏阵列i v 特性曲线与负载线的交点，就是负载工作点，也称为静态工 作点。不同的负载其伏安特性也不同与光伏阵列i v 特性曲线的交点也不同， 因此其负载工作点与输出功率都不同。此外同一负载在不同的日照强度和电池 温度下，其工作点和输出功率也不同。图5 1 ( a ) 是电阻性负载a 与蓄电池负载b 与同一光伏阵列共同工作，但是得到不同的工作点。图5 k b ) 是同一负载与工作 于不同温度下的同一光伏阵列共同工作，也得到不同的工作点。 图5 - 1 不同负载与不同条件下的工作点 真正的光伏阵列一旦投入运行就会自动地工作在其i v 特性曲线与负载 线的交点，而光伏阵列模拟器不能自动做到这一点。 光伏阵列模拟器在工作中的输出同时是负载的输入，电压电流的一对数据 可称为模拟器的工作点。如果不采取适当的控制方法，模拟器与负载连接形成 一个系统后不能保证其工作点正好在i v 特性曲线上，即使已经位于卜v 特 性曲线上，在模拟器与负载互动，如负载执行最大功率点跟踪( m p 盱) 的过程 中，工作点也会随时脱离i v 特性曲线。因此为了使模拟器的输出遵循既定的 i v 特性曲线，也必须采用定的控制策略使工作点在脱离i v 特性曲线后 尽快地返回。 把i v 特性曲线与负载线的交点称为模拟器的理想工作点，该点须同时满 足负载特性和i v 特性曲线。光伏阵列模拟器控制的核心就是使d c d c 单元 的输出电压、电流值满足太阳能电池的i v 特性曲线及负载特性。 ( 1 ) 理想工作点的确定 光伏阵列工作的日照强度和电池温度一旦确定，对应的的i v 特性曲线也 便随之确定。当日照强度、电池温度、太阳能电池的种类变化时，其i v 特性 曲线也发生相应酶变化，这正是第二章所讨论的内容。光伏阵列具体工作在特 性曲线上的哪个点，输出功率多大，则取决于光伏阵列的负载。 当负载或日照强度等条件发生交化时，如何在太阳能电池阵列模拟器的设计 中确定其理想工作点是个比较重要的环节。当模拟器带上负载后，以搜寻的方 式改变占空比，调节输出电流指令值，使它的工作点在当前模拟的i v 特性曲 线上。当模拟器工作稳定后，将其输出电压、电流采样反馈回来，这分别表示 输出电压、输出电流的一对数据代表了模拟器的工作点。如果工作点不在光伏 阵列i v 特性曲线上，则需要通过d c d c 环节的控制使其趋向并维持在既定 的i v 特性曲线。 在本课题的设计中选用了沿负 载线趋向i v 特性曲线的跟踪方 法i s ，该方法的工作原理大致如下： 工作点同时又代表负载的等效电 阻，由这个负载电阻可以确定一条 负载线，所采用的跟踪策略就是沿 着这条负载线趋向在i v 特性曲 线上与工作点的电阻相同的理想工 作点。如图5 - 2 所示。当工作点位 图5 - 2 光伏阵列模拟器工作点的确定 于坐标轴与i v 特性曲线包围的范围内，光伏阵列模拟器的输出电压和输出电 流应该沿着负载线的方向增加，当工作点位于上述范围之外则应该减少模拟器 的输出电压和输出电流。在如图5 2 所示的光伏阵列模拟器的结构图中，使通 过调节d c d c 环节p w m 的脉冲宽度来改变模拟器的输出电压和输出电流值。 上述调节过程按如下步骤进行： 1 ) 对输出电压圪和电流五的实际值采样，并求出其等效电阻r 。 2 ) 对存储的i v 特性曲线进行逐点比较，找到曲线上与等效电阻相同( 实 际上是最接近的) 那一点( 图5 - 2 中的b 点) 做为参考点，并获得其电压 和电流作为控制的基准值。 3 ) 根据实际值与基准值的差调整d c d c 环节的输出。依据负载为线性电 阻的假设，基于输出电压的调节和输出电流的调节应该具有相同的效果。在本 设计中选用了基于输出电流的调节。 输出电流丘与参考值拓之间有如下三种关系，并可依据这三种关系分别 采取如下的跟踪策略： 1 ) 如果此时模拟器工作在a 点，实际输出电流丘大于参考值锄则应减 小指令值i ，即减小占空比d ，使输出电流l 减小，输出电压玩减小，沿箭 头方向向b 点移动。 2 ) 如果此时模拟器工作在c 点，实际输出电流小于参考值五垆，则应增 大指令值r ，即增大占空比d ，使输出电流五增大，输出电压圪增大，沿箭头 方向向b 点移动。 3 ) 如果实际输出电流等于参考值咖 则不进行调节。 在光伏阵列模拟器控制策略的设计 中，主要是根据实际值与参考值的差调整 d c d c 环节的输出，基于电流的调节可采 用如下的脉宽调节公式： d n ：生掣( 5 1 ) 其中，协为本次调节后得到的新的脉宽； 上k j 为调节前的脉宽；k 为一个修正系数， 当k 1 时可以缓和调节的强度，降低因 为系统的动态特性和负载的非线性行为导 致的振荡。 图5 - 3 光伏阵列模拟器的跟踪流程 实际的系统中，不仅光伏阵列模拟器 是非线性的，负载也是非线性且时变的，因此上述调节一般并不能一次到位， 光伏阵列模拟器的跟踪过程是一个反复的循环逼近过程，其跟踪流程如图5 3 所示。 第六章结论和讨论 论文选取数字式光伏阵列模拟器作为研究内容。论文工作以太阳能电池的 数学模型为基础，结合电力电子技术和控制技术，提出了一个基于微控制器和 d c d c 环节的独立型光伏阵列模拟器的设计。这个模拟器可人工或通过通信手 段向装置输入描述某种型号光伏阵列的特性参数，以及固定的或变化的日照一 温度设定，并依据这些参数实时计算i v 特性盐线。通过闭环控制使模拟器的 输出电压和电流跟踪光伏阵列的i v 特性曲线。 论文详细介绍了太阳能电池的基本原理及输出特性：探讨了太阳能电池的 数学建模与工程计算方法；对模拟器中的主电路进行了较为详细的设计，设计 了基于单片机8 0 ( 2 5 5 2 的控制器，提出了一种基于负载线的i v 特性曲线跟踪 镱略。 在总结论文工作的基础上，作者认为还可以在以下方面作进一步的研究和 改进： 1 太阳能电池的数学模型决定太阳能电池模拟器的正确性和可靠性，本论 文中选用的数学模型是太阳能电池物理模型的简化( 如忽略了见) 。存在一定 的误差，影响模拟器准确性。可以在进一步较复杂模型的工程计算方法上进行 探讨； 2 本设计中采用了沿负载线趋向i v 特性曲线的跟踪方法，由l v 特性 曲线可知其存在近似的恒压源与恒流源段，有关的控制方法值得迸一步讨论。 3 本设计中采用的是等问隔电流的方式存储表格的需占用大量的内存，致 使控制器8 0 c 5 5 2 必须对r a m 进行扩充。由i v 特性曲线可以看出其存在一 定的线性区域，因此采用插值方法可望节约内存甚至避免r a m 的扩充。 4 在i v 特性曲线的计算过程中可同时得到曲线上各点的等效电阻，等 效电阻有利于沿负载线快速查找厶咖在基于电流的跟踪中，i - - v 特性曲线的电 压数据实际上是没有必要存储的，将i v 特性曲线以i - - r 特性存储是等效的。 这样就可以将原来的三维表格改存为二维表格，节约1 3 的存储空间。 参考文献 1 】王长贵，王斯成等，太阳能光伏发电实用技术，化学工业出版社，2 0 0 5 2 】王长贵，王斯成等，太阳能光伏发电实用技术，化学工业出版社，2 0 0 5 【3 】苏建徽，余世杰等，硅太阳能电池工程用数学模型，太阳能学报，2 0 0 1 ， v 0 1 2 2 ，n o 4 ，2 0 0 1 1 0 ，p p 4 0 9 - - 4 1 2 【4 黄俊，王兆安，电力电子变流技术，机械工业出版社，1 9 9 9 【5 】宋平岗，再生能源系统中太阳能电池仿真器的研究，电力电子技术，v 0 1 3 7 ， n o 4 ，2 0 0 3 8 ，p p 4 1 - 4 4 6 】林珊，许劲松等，仿太阳能电池输出特性的模拟电源装置，新能源，2 0 0 2 ， 2 2 ( 1 2 ) ，p p 6 8 7 0 7 】苏建徽，余世杰等，数字式太阳电池阵列模拟器，太阳能学报，v 0 1 2 3 ，n o 2 0 0 2 2 ，p p i l l 一1 1 4 8 】张占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计，电子工业出版社，2 0 0 4 【9 】杨旭，裴云庆，王兆安，开关电源技术，机械工业出版社，2 0 0 4 【1 0 】原田耕介，开光电源手册，机械工业出版社，2 0 0 4 【1 1 】m a r t y b r o w n 开关电源设计指南，机械工业出版社，2 0 0 4 1 2 】曲学基，王增福等，新编高频开关稳压电源，电子工业出版社，2 0 0 5 【1 3 】刘颖，全数字式太阳电池阵列模拟器，昆明理工大学，硕士学位论文，2 0 0 0 1 4 】吴敏达，数字式太阳电池阵列模拟器，合肥工业大学，硕士学位论文，2 0 0 0 【15 】j a e - h y u ny o o ，j e o k s e o kg h o ，g y u - h ac h o e ，a n a l y s i 8a n dc o n t r o lo fp w m c o n v e r t e rw i t hv - i o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fs o l a rc e l l ，i e e e ，2 0 0 1 ， p p 1 0 4 9 1 0 5 4 1 6 】茆美琴，余士杰等，带有m p p t 功能的光伏阵列m a t l a b 通用仿真模型，系 统仿真学报，v 0 1 1 7n o 5 。2 0 0 5 ，p p 1 2 4 8 1 2 5 1 1 7 】禹华军，潘俊民等，光伏电池输出特性与最大功率跟踪的仿真分析，计算 机仿真，i 2 2n o 6 ，2 0 0 5 ，p p 2 4 8 2 5 2 1 8 】崔岩，蔡炳煌等，太阳能光伏模板仿真模型的研究，系统仿真学报， v 0 1 1 8 , n o ，4 ，2 0 0 6 ，l a p 8 2 9 8 3 4 1 9 】林珊，许劲松等，仿太阳能电池输出特性的模拟电源装置，新能源，2 0 0 2 ， 2 2 ( 1 劲，l a p 6 8 7 0 【2 0 】彭延铭，数值计算，