數(shù)字式光伏陣列模擬器研究與設(shè)計

　　當(dāng)外部環(huán)境不變，也就是太陽能電池板的輸出曲線不變時，若負(fù)載變化，則馬上可以得到新的負(fù)載工作點，這樣，按照以上方法調(diào)節(jié)占空比，也可使負(fù)載工作點沿負(fù)載線方向移動到我們想要的曲線上。

　　事實上，當(dāng)負(fù)載不變，環(huán)境變化(也就是曲線變化)時，仍可按照事先存人的曲線數(shù)據(jù)把新的曲線調(diào)出來，然后與負(fù)載比較來得到新的工作點，之后仍按照以上方法調(diào)節(jié)占空比，使負(fù)載工作點沿負(fù)載線方向移動到我們想要的曲線上。

　　3算法實現(xiàn)流程

　　采用數(shù)據(jù)表查表法時，程序在逼近工作點的過程通常需要一定時間，因為算法本身需要一個步進(jìn)量，步進(jìn)量的大小選取也是個問題，且方法復(fù)雜。而采用四折線法來實時計算工作點則具有計算量小，執(zhí)行時間短等優(yōu)點。

　由太陽能電池板輸出的伏安特性曲線可以看出，開路點和短路點處的曲線都比較平滑，故可用四條折線來模擬。在這四條折線的方程曲線中，某一負(fù)載電阻RL必然與這四條折線的一條相交。這樣，就可以直接構(gòu)造負(fù)載電阻RL與輸出電流的關(guān)系方程，進(jìn)而得到負(fù)載電阻RL與所需占空比D的關(guān)系方程。因此，在程序中只需計算一個除法和一個加法運算就可以得到所需的占空比D，實現(xiàn)起來簡便易行。同樣，如果需要多組曲線，只需構(gòu)造多組折線方程預(yù)先存入ARM中就可以了。其程序執(zhí)行流程圖圖4所示。

　　4SIMULINK仿真結(jié)果分析

　　為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差，本設(shè)計在電流反饋中使用了PI控制。其控制框圖如圖5所示。根據(jù)本文的控制策略，從測得的輸出電壓電流可以得到輸出負(fù)載RL，進(jìn)而得到參考電流Iref。把該電流與實際輸出電流相減再送人PI控制器中，然后用PI輸出控制調(diào)節(jié)占空比，進(jìn)而使實際輸出電流與Iref一致。

　　圖6是用SIMUUNK工具構(gòu)造的仿真模型。用該系統(tǒng)模擬的太陽能電池板的最大輸出功率為120W。由150V直流電源提供輸入，經(jīng)BUCK降壓電路后加在負(fù)載RL上。再將測得的負(fù)載兩端電壓除以電流，就可得到輸出負(fù)載RL的值。為了避免繁瑣的計算，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，可以將打算輸出的電池板的I-U曲線擬合成RL-Iref關(guān)系曲線。再做成LookupTable數(shù)據(jù)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(jìn)行相應(yīng)的更換就可以了。

　　本文采用試湊法對PI控制器的參數(shù)進(jìn)行了整定。首先將積分時間常數(shù)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(tǒng)響應(yīng)，直至系統(tǒng)響應(yīng)速度變快到一定范圍的超調(diào)為止。之后再將積分時間常數(shù)Ti由大逐漸減小，使積分作用逐漸增強(qiáng)，這樣，觀察輸出會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的靜差會逐漸減少直至消除。操作時可以反復(fù)試驗幾次，直到消除靜差的速度滿意為止。本設(shè)計最終選擇P=200，Ti=2。

　　根據(jù)系統(tǒng)電壓要求及BUCK電路特性可以算出電感L取2mH，電容C取100μF，ARM存入的I-U曲線的開路電壓為40V，短路電流為3A。當(dāng)取RL=24Ω時，根據(jù)光伏電池的I-U曲線，系統(tǒng)應(yīng)輸出36.54V電壓，輸出電流為1.524A，仿真后得到負(fù)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(tǒng)從開機(jī)到穩(wěn)定值的動態(tài)響應(yīng)時間約為10ms，響應(yīng)速度比較快。由于PI超調(diào)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(yīng)在負(fù)載兩端并聯(lián)一個高耐壓的小電容，以吸收尖峰電壓。

　　更換負(fù)載電阻的大小可使每個阻值對應(yīng)一對電壓電流值，也就是負(fù)載工作點。圖8用符號‘*'表示。把這些工作點與預(yù)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(jié)果如圖8所示。

　　5結(jié)束語

　　本文用SIMULINK開發(fā)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(jìn)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(jié)果可以看到，本系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)研究中，代替實際的太陽能電池來進(jìn)行實驗。