數字式光伏陣列模擬器研究與設計

0引言

　　目前，全球性的能源危機迫使越來越多的國家開始重視新能源的研究，光伏發電作為其中很重要的一種也得到了廣泛研究。但是，由于光伏電池造價高，導致研究成本很高，不利于其初期的研究。因此，很有必要設計一種成本較低，能夠代替實際光伏電池陣列來進行各種光伏實驗的太陽能電池模擬器。

　　本文所設計的太陽能電池模擬器以BUCK電路為基礎，采用ARM控制，并加入了電流PI控制方式來改善系統動態性能和穩態精度。此外，本文還采用四折線法來對光伏電池陣列的特性曲線進行分段擬合，并進行了仿真驗證。

　　1系統設計目標

　　1.1太陽能電池板伏安特性曲線

　　圖1所示是太陽能電池板輸出I-U特性曲線隨日照、溫度的變化情況。太陽能電池板模擬器需要能夠模擬出不同溫度、不同光照下的各種曲線，換言之，模擬器最終要能夠模擬出許多條曲線。但是，某一時間下，日照強度和溫度是一定的，在此時間下，輸出曲線也只有一條符合要求。設計時可根據設定的日照強度和溫度來計算確定輸出哪一條曲線。實際做法是將不同日照、不同溫度下的曲線計算出來后將其離散化，并以數據表的形式存入ARM控制器中。存入的曲線越多，所能覆蓋的溫度日照范圍越廣。

　　1.2太陽能電池板的工程數學模型

　　電池板出廠時都會給出短路電流、開路電壓、最大功率點電流和電壓這四個參數(ISC、VOC、Im和Vm)，而且四個參數符合下列公式：

　　這樣，就可將太陽能電池板的I-U特性曲線轉換為便于工程計算的形式。

　　式(1)描述的是標準照度(Sref=1000W／m2)和標準溫度(Tref=25℃)下的I-U曲線。一般情況下(照度S，溫度T)的I-U方程可按照以下方法進行計算：

　　首先算出一般情況與標準情況下的溫度差△T和相對照度差△S：

　　2系統原理及控制策略

　　2.1系統原理

　　本系統的原理框圖如圖2所示，其中直流穩壓電源可提供150V的恒定電壓輸出，然后通過BUCK降壓電路把電壓加在輸出負載上，以實時采集負載兩端的電壓和電流，再經過控制電路的控制算法改變BUCK電路的PWM占空比，以把輸出電壓和電流控制在預想的I-U曲線上。

　　2.2系統控制策略

　　由于在某一環境條件下，電池板的輸出伏安特性曲線只有確定的一條，這樣，采集系統輸出的電壓電流，就可以得到輸出負載的大小。其負載線與輸出I-U曲線會有一個交點，這個點就是工作點，也就是圖3中的B點。這一工作點將對應一個電流和一個電壓。調節BUCK電路的PWM占空比，可使輸出電壓電流變換為工作點處的電壓電流，從而達到調節的目的。