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數(shù)字式光伏電池陣列模擬器的研制

作者: 時(shí)間:2012-04-12 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1 引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/177533.htm

太陽(yáng)能作為一種新型的可再生資源受到越來(lái)越廣泛的重視,但在光伏系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程中,太陽(yáng)能由于實(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(guò)高,研發(fā)周期變長(zhǎng)。光伏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(yáng)能電池的工作特性

太陽(yáng)能電池在有光照條件下,光生電流會(huì)流過(guò)負(fù)載,從而產(chǎn)生負(fù)載電壓。這時(shí)太陽(yáng)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(chēng)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(guò)PN結(jié)總擴(kuò)散電流)都要靠IL提供,剩余的光電流經(jīng)過(guò)RS,流出太陽(yáng)能電池而進(jìn)入負(fù)載。

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根據(jù)文獻(xiàn)資料[1],利用廠(chǎng)家提供的短路電流Isc,開(kāi)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(yáng)能電池板便于工程計(jì)算的模型:

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這樣,就把太陽(yáng)能電池板的I-V特性曲線(xiàn)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(yáng)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)洌靡酝瓿芍绷髯儞Q,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(kāi)關(guān)。隔離驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)IGBT開(kāi)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(yáng)能電池板I-V曲線(xiàn),只需在軟件中重新設(shè)定該曲線(xiàn)的和,這四個(gè)參數(shù)就可以了。

由于半橋母線(xiàn)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(guò)的均值電流40A,且該單管價(jià)格便宜,開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間極短,開(kāi)通壓降只有1.7V,因此,開(kāi)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(guò)壓或過(guò)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(xiàn)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(mǎn)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(wèn)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(yáng)能電池的輸出I-V特性曲線(xiàn)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(xiàn)在這一段接近一條直線(xiàn);在開(kāi)路電壓點(diǎn)附近,電池板接近恒壓,輸出I-V曲線(xiàn)在這一段也接近一條直線(xiàn)。所以我們用四條直線(xiàn)來(lái)對(duì)電池板輸出I-V曲線(xiàn)進(jìn)行擬合,如圖3所示。

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只要我們采集輸出電壓電流,得到負(fù)載電阻,其伏安特性曲線(xiàn)是一條通過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn),這一直線(xiàn)與上面某一條直線(xiàn)必然交于一點(diǎn),這一點(diǎn)就是我們系統(tǒng)的理想工作點(diǎn)。然后再根據(jù)這一點(diǎn)的電壓和半橋公式就能得到系統(tǒng)需要發(fā)出的占空比。

4.2 PI控制算法在模擬器中的應(yīng)用

為了提高系統(tǒng)速度和減少靜態(tài)誤差,在控制系統(tǒng)中應(yīng)用了PI控制算法,本設(shè)計(jì)的控制結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。根據(jù)上文的控制策略,從測(cè)得的輸出電壓電流,可以得到輸出負(fù)載RL,進(jìn)而得到參考電壓Vref,它與實(shí)際輸出電壓相減送入PI控制器中,PI輸出控制調(diào)節(jié)占空比,進(jìn)而使實(shí)際輸出電壓與Vref一致。

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將上述得到的理論、代入程序中,運(yùn)行測(cè)得輸出幾乎與理論值一致,偏差基本都在0.3V以?xún)?nèi),證明了我們整定的參數(shù)是成功的。

4.3 軟件主程序流程圖

系統(tǒng)的控制工作是由軟件部分完成的。軟件系統(tǒng)的工作主要有兩點(diǎn):一是采集數(shù)據(jù);二是完成占空比的計(jì)算。主程序模塊中主要是進(jìn)行系統(tǒng)初始化工作及等待處理中斷,其中系統(tǒng)初始化主要包括ADC模塊的初始化和事件管理器EVB模塊的初始化。主程序流程圖見(jiàn)圖5。

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圖5 主程序流程圖

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表1 變負(fù)載時(shí)的輸出電壓

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于前面各章對(duì)硬件設(shè)計(jì)、算法、軟件編程等方面的研究,設(shè)計(jì)了一臺(tái)光伏電池陣列模擬器,其技術(shù)參數(shù)為:20100127104822411.jpg

5.1 模擬器系統(tǒng)的靜態(tài)效果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)輸出是否能模擬出一條理想的太陽(yáng)能電池的輸出I-V特性曲線(xiàn),需要測(cè)試RL取不同值時(shí),輸出的工作點(diǎn)情況。依據(jù)四折線(xiàn)法,RL確定后,就能確定理論的輸出電壓。依照以上方法進(jìn)行了一組不同負(fù)載實(shí)驗(yàn),測(cè)試的數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可以看到,系統(tǒng)輸出電壓在69.4V以上時(shí),系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)附近和開(kāi)路電壓附近,這時(shí)系統(tǒng)輸出精度基本都在1%以下。說(shuō)明我們?cè)O(shè)計(jì)的光伏電池陣列模擬器能夠在變負(fù)載時(shí),比較精確的模擬出太陽(yáng)能電池陣列的輸出I-V特性曲線(xiàn)

5.2 模擬器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)效果

設(shè)計(jì)光伏電池陣列模擬器的最終目的是要用于光伏逆變系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),因此,只在靜態(tài)情況下描出太陽(yáng)能電池板輸出I-V特性曲線(xiàn)是不夠的,還需要用實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度,即動(dòng)態(tài)特性。

影響本系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的因素主要有兩個(gè):一是輸出電容的電壓慣性;二是系統(tǒng)軟件算法的執(zhí)行時(shí)間。我們做了兩個(gè)實(shí)驗(yàn),一是負(fù)載突變時(shí),看輸出電壓的變化;二是直接接光伏逆變系統(tǒng),讓逆變器按照最大功率點(diǎn)跟蹤算法(MPPT)去測(cè)試模擬器的性能。如果逆變器能跟蹤到最大的功率,則說(shuō)明我們的模擬器達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

我們將負(fù)載電阻進(jìn)行突變,輸出電壓也會(huì)變化。圖6是在模擬開(kāi)路電壓為40V時(shí),負(fù)載電阻由21.6 Ω突變到49.5 Ω時(shí),輸出電壓由31.6V跳變到36.1V時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形。由圖6可以看到,輸出電壓可以在約8ms的時(shí)間里完成變化響應(yīng),但是,這個(gè)速度到底夠不夠,還要看接上實(shí)際逆變器后的效果。

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圖6輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形

在逆變器前端是BOOST電路,用以實(shí)現(xiàn)MPPT算法。BOOST電路輸入端與我們?cè)O(shè)計(jì)的模擬器相連后,輸出端接一電阻。首先讓模擬器工作,測(cè)量此時(shí)輸出為開(kāi)路電壓。然后,BOOST電路開(kāi)始工作,執(zhí)行MPPT算法。實(shí)驗(yàn)測(cè)量,BOOST輸入電壓由開(kāi)路電壓90V逐漸減小,最終在最大功率點(diǎn)電壓80V處基本穩(wěn)定,證明找到了模擬電池的最大功率點(diǎn)。

6 結(jié)論

本文在研究了太陽(yáng)能電池的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合電力電子技術(shù)和控制技術(shù),給出了一個(gè)基于微控制器和DC/DC環(huán)節(jié)的光伏陣列模擬器的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明,模擬器樣機(jī)可以有效的模擬光伏陣列的輸出,輸出特性可以比較準(zhǔn)確的模擬光伏陣列,輸出電壓、電流較穩(wěn)定。■



評(píng)論


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