光伏电池阵列模拟器的研究

1、 本文由buaasylcy贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 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

2、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 Universit

3、y, Nantong 226007, China） Abstract: Based on the photovoltaic (PV) arrays 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 us

4、ed 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

5、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

6、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 ( 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

7、- )，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 光伏电池阵列模拟器的研究 江苏电器 (2007 No.6) 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 ，

8、 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

9、 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

10、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 ref7。 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 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 。

11、 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

12、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 江苏电器 (2007 No.6) 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，系统的静差会逐渐减少直至消除。反复试验 几次，直到消除静差的速度满意为止。注意，这时 的超调量会比原来加大，应适当的降低一点比例 增益 P 。 4 仿真运行及仿真结果分析 为验证上述太阳能模拟器设计的合理性，对太 阳能电池模拟器的 D S P 控制系统进行了仿真分

13、析， 以 Visual basic 6.0 为开发环境设计仿真程序。仿 真程序实时计算出 Buck 电路的输出电压 U out，根据 电压值的大小采用四段折线进行分段拟合得到输出 电流的指令值 I ref，同实际输出电流值 I out 相减后经 过电流 PI 调节器的控制改变 Buck 电路中开关管的 通断时间，使 I out 始终跟踪 I ref，从而实现在特定负 载时 Buck 电路的输出电压电流模拟光伏电池阵列的 输出特性。 在设计的 Buck 电路中， 仿真参数设置为 Ui=100 V， L = 1 000H，C = 470F，开关管的开关频率为 40 kHz。 通 过 对 PI 控

14、制 器 参 数 的 整 定 ， 获 得 比 例 增 益 P =3.5，积分时间常数T i=0.04 s。将仿真参数和PI 控制器参数代入太阳能电池模拟器的通用仿真模 型中，当负载 R =20时，可得到如图4所示的输出 电流曲线，当负载 R = 4时，可得到如图5所示的 输出电流曲线。由图4和图5的仿真结果可以看出， Buck电路能够在较短的响应时间内稳定在对应于该 负载的工作点输出，很好地反映了光伏电池阵列的 输出特性。 仿真分析的最后一步是通过设置不同的负载电 阻值，可以得到一系列的输出负载工作点数据。将 工作点在对应的 I - U 坐标系中给出，并对比所拟 合的光伏电池阵列的 I - U

15、特性曲线，可以得到比 较图如图 6 所示。图 6 中曲线为光伏电池阵列的输 出特性，×” “ 点为太阳能电池模拟器的仿真工作点。 由 B u c k 电路仿真工作点同光伏电池阵列特性曲线 的比较可以看出，采用前述 B u c k 电路、分段拟合 及电流反馈 P I 控制策略可以很好地模拟光伏电池 阵列特性。仿真验证了系统原理设计的可行性。 图5 R 为4 时I out的仿真曲线 图6 I -U 特性曲线与Buck电路仿真工作点对比 5 结论 由上述分析可见， Buck 直流斩波器为基础的， 以 基于 DSP 控制的太阳能电池模拟器是可行的。文中 图4 R 为20 时I out的仿真曲

16、线 2 (下转第28页) 江苏电器 (2007 No.6) 检测电源电流控制方式在有源电力滤波器中的应用 6 结语 通过对并联型三相有源电力滤波器数学模型的 建立和检测电源电流控制方式的并联型有源电力滤 波器的研究，建立了此种控制方法的数学模型，经 过仿真研究验证了此种控制方法可以有效地实现谐 波的动态补偿，比检测负荷侧电流控制方法有明显 的优势，在实际工程中具有应用价值。 图9 非线性负荷输入电压与输入电流波形 参考文献 1 姜齐荣，谢小荣，陈建业 . 电力系统并联补偿：结 构原理控制与应用 M.北京： 机械工业出版社， 2004. 2 姜齐荣，赵东元，陈建业.有源电力滤波器：结构 3 4

17、5 6 7 8 原理控制M.北京：科学出版社，2005. 王兆安，杨君，刘进军，王跃.谐波抑制和无功功 率补偿M.北京：机械工业出版社，2006. 任永峰.并联型有源电力滤波器在谐波治理中的应 用与研究D.包头：包头钢铁学院，2003. 罗安.电网谐波治理和无功功率补偿技术及装备 M.北京：中国电力出版社，2006. 刘华,傅仲文,余志强.并联型有源电力滤波器的仿 真研究J. 国外电子测量技术，2006(3). 凌季平.基于单位功率因数检测方法的有源电力滤 波器的研究D.北京：北京交通大学，2007. 沈小莉.三相有源电力滤波器控制系统的研究D. 重庆：重庆大学，2004. 收稿日期：2007

18、-04-26 图10 补偿后系统输入电压与输入电流波形 从上图可以看出在0.02 s之前系统电流存在谐 波并且电压和电流有相位差，0.02 s后并联型有源 电力滤波器投入使用，经补偿系统电流相位和电 网电压相位基本一致，系统电流波形已接近正弦 波，表明此控制策略的可行性。 (上接第12页) 以 Visual basic 6.0 为开发环境设计仿真程序，提 出采用四段折线对光伏电池特性曲线进行分段拟合， 运用电流反馈 PI 控制 Buck 电路。并仿真验证了该 模拟器性能良好，可以很好地模拟光伏电池阵列的 实际输出特性。可以用在光伏发电系统研究中代替 实际的太阳能电池。 参考文献 1 茆美琴，余

19、世杰，苏建徽 . 带有 MPPT 功能的光伏阵 列 Matlab 通用仿真模型 J. 系统仿真学报，2005， 17(5)：1248-1251. 2 宋平岗.再生能源系统中太阳能电池仿真器的研究 J电力电子技术，2003，37(4)：42-44. 3 苏建徽，余世杰，赵为，等.数字式太阳电池阵列模 拟器J.太阳能学报，2002，23(1)：111-114. 4 Zeng Qingrong，Song Pinggang，Chang Liuchen. A photovoltaic simulator based on DC chopper C/Electrical and Computer Engi

20、neering IEEE CCECE. Canadian:Conference，2002：257-261. 5 张熙霖.基于D S P2407的光伏方阵仿真电源的设计与 研究D.北京：中国科学院电工研究所，2004. 6 李红 . 数值分析 M. 武汉：华中科技大学出版社， 2003. 7 徐鹏威，杜柯，刘飞，等.光伏电池阵列模拟器研究 J.通信电源技术，2006，23(5)：5-8. 8 姜玉春，吴红燕.P I D控制器参数的整定J.莱钢科 技，2006(2)：54-55. 收稿日期：2007-03-13 2 1本文由buaasylcy贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选

21、择TXT，或下载源文件到本机查看。 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：

22、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

23、 on the photovoltaic (PV) arrays 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 h

24、igh 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

25、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

26、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 ( 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(

27、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 光伏电池阵列模拟器的研究 江苏电器 (2007 No.6) 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

28、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

29、 ，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 ref7

30、。 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 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 r

31、ef 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

32、，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 江苏电器 (2007 No.6) 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，系统的静差会逐渐减少直至消除。反复试验 几次，直到消除静差的速度满意为止。注意，这时 的超调量会比原来加大，应适当的降低一点比例 增益 P 。 4 仿真运行及仿真结果分析 为验证上述太阳能模拟器设计的合理性，对太 阳能电池模拟器的 D S P 控制系统进行了仿真分析， 以 Visual basic 6.0 为开发环境设计仿真程序。仿 真程序实时

33、计算出 Buck 电路的输出电压 U out，根据 电压值的大小采用四段折线进行分段拟合得到输出 电流的指令值 I ref，同实际输出电流值 I out 相减后经 过电流 PI 调节器的控制改变 Buck 电路中开关管的 通断时间，使 I out 始终跟踪 I ref，从而实现在特定负 载时 Buck 电路的输出电压电流模拟光伏电池阵列的 输出特性。 在设计的 Buck 电路中， 仿真参数设置为 Ui=100 V， L = 1 000H，C = 470F，开关管的开关频率为 40 kHz。 通 过 对 PI 控 制 器 参 数 的 整 定 ， 获 得 比 例 增 益 P =3.5，积分时间常数

34、T i=0.04 s。将仿真参数和PI 控制器参数代入太阳能电池模拟器的通用仿真模 型中，当负载 R =20时，可得到如图4所示的输出 电流曲线，当负载 R = 4时，可得到如图5所示的 输出电流曲线。由图4和图5的仿真结果可以看出， Buck电路能够在较短的响应时间内稳定在对应于该 负载的工作点输出，很好地反映了光伏电池阵列的 输出特性。 仿真分析的最后一步是通过设置不同的负载电 阻值，可以得到一系列的输出负载工作点数据。将 工作点在对应的 I - U 坐标系中给出，并对比所拟 合的光伏电池阵列的 I - U 特性曲线，可以得到比 较图如图 6 所示。图 6 中曲线为光伏电池阵列的输 出特性

35、，×” “ 点为太阳能电池模拟器的仿真工作点。 由 B u c k 电路仿真工作点同光伏电池阵列特性曲线 的比较可以看出，采用前述 B u c k 电路、分段拟合 及电流反馈 P I 控制策略可以很好地模拟光伏电池 阵列特性。仿真验证了系统原理设计的可行性。 图5 R 为4 时I out的仿真曲线 图6 I -U 特性曲线与Buck电路仿真工作点对比 5 结论 由上述分析可见， Buck 直流斩波器为基础的， 以 基于 DSP 控制的太阳能电池模拟器是可行的。文中 图4 R 为20 时I out的仿真曲线 2 (下转第28页) 江苏电器 (2007 No.6) 检测电源电流控制方式在有源电力滤波器中的应用 6 结语 通过对并联型三相有源电力滤波器数学模型的 建立和检测电源电流控制方式的并联型有源电力滤 波器的研究，建立了此种控制方法的数学模型，经 过仿真研究验证了此种控制方法可以有效地实现谐 波的动态补偿，比检测负荷侧电流控制方法有明显 的优势，在实际工程中具有应用价值。 图9 非线性负荷输入电压与输入电流波形 参考文献 1 姜齐荣，谢小荣，陈建业 . 电力系统并联补偿：结 构原理控制与应用 M.北京： 机械工业出版社， 200