數字式光伏陣列模擬器的設計研究

圖 6 是用 SIMUUNK 工具構造的仿真模型。用該系統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 BUCK 降壓電路后加在負載 RL 上。再將測得的負載兩端電壓除以電流，就可得到輸出負載 RL 的值。為了避免繁瑣的計算，提高系統的響應速度，可以將打算輸出的電池板的 I-U 曲線擬合成 RL-Iref 關系曲線。再做成 Lookup Table 數據表。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 的值進行相應的更換就可以了。

本文采用試湊法對 PI 控制器的參數進行了整定。首先將積分時間常數 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，并觀察系統響應，直至系統響應速度變快到一定范圍的超調為止。之后再將積分時間常數 Ti 由大逐漸減小，使積分作用逐漸增強，這樣，觀察輸出會發現系統的靜差會逐漸減少直至消除。操作時可以反復試驗幾次，直到消除靜差的速度滿意為止。本設計最終選擇 P=200 ， Ti=2 。

根據系統電壓要求及 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 。當取 RL=24 Ω時，根據光伏電池的 I-U 曲線，系統應輸出 36.54 V 電壓，輸出電流為 1.524 A ，仿真后得到負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。系統從開機到穩定值的動態響應時間約為 10 ms ，響應速度比較快。由于 PI 超調的作用，剛開始有一個明顯的尖峰電壓電流，在實際實驗中，應在負載兩端并聯一個高耐壓的小電容，以吸收尖峰電壓。

更換負載電阻的大小可使每個阻值對應一對電壓電流值，也就是負載工作點。圖 8 用符號‘ * '表示。把這些工作點與預存的光伏電池的 I-U 曲線相比可知，這些工作點大致在光伏電池 I-U 曲線附近，其多點仿真結果如圖 8 所示。

5 結束語

本文用 SIMULINK 開發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。由仿真結果可以看到，本系統可以較快的擬合出想要的電池陣列輸出 I-V 曲線。可以在光伏發電系統研究中，代替實際的太陽能電池來進行實驗。