鉅大LARGE | 點擊量：498次 | 2022年03月29日
數字式光伏鋰離子電池陣列模擬器的研制
1引言
太陽能作為一種新型的可再生資源受到越來越廣泛的重視，但在光伏系統的研發過程中，太陽能電池陣列由于實驗受到日照強度、環境溫度的影響，導致實驗成本過高，研發周期變長。光伏電池陣列模擬器可以大大縮短光伏系統的研究周期，提高研究效率及研究結果的可信性。
本文設計的光伏電池陣列模擬器以半橋電路為基礎，基于DSp控制，并加入了pI控制改善系統動態性能和穩態精度。
2太陽能電池的工作特性
太陽能電池在有光照條件下，光生電流會流過負載，從而出現負載電壓。這時太陽能電池的等效電路如圖1所示。其中，RS為串聯電阻，Rsh為旁漏電阻，也稱跨接電阻，它是由體內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pN結總擴散電流)都要靠IL供應，剩余的光電流經過RS，流出太陽能電池而進入負載。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
根據文獻資料[1]，利用廠家供應的短路電流Isc，開路電壓VOC，最大功率點處的電流Im和最大功率點處的電壓Vm這四個參數可以得到太陽能電池板便于工程計算的模型：
這樣，就把太陽能電池板的I-V特性曲線轉換為簡單的、便于工程計算的形式。
3光伏電池陣列模擬器設計
模擬器的目的是要能模擬一定光照下，隨負載變化的太陽能電池板的電特性，包括最大輸出功率，輸出I-V特性，以及不同日照下的變化。其應該完成以下三個方面的要求：
(1)系統能夠按照光伏陣列的輸出特性完成輸出，當外電路負載一按時，系統能夠在工作點上保持穩定的輸出；
(2)當外接負載發生變化時，模擬器能夠以合乎要求的速度變化到新工作點并能穩定在該點；
(3)能夠輸出要求的功率；
本文設計的光伏陣列模擬器的系統結構框圖如圖2所示，整個系統重要由功率電路和采集控制電路兩部分構成。功率電路采用半橋拓撲，用以完成直流變換，經整流濾波后，出現合適的輸出電壓。檢測電路實時采集輸出電壓、電流，并送給DSp控制電路。DSp依據采集到的值，出現合適的占空比信號控制半橋兩個IGBT開關。隔離驅動電路用于驅動IGBT開關，并實現與控制電路的隔離。假如想要模擬一條新的太陽能電池板I-V曲線，只需在軟件中重新設定該曲線的和，這四個參數就可以了。
由于半橋母線電壓為100V，單個管子承受耐壓應該在100V以上，系統最大輸出電流為3.5A。綜合以上因素后，我們選擇Infinion公司生產的IGBT單管IKW40N120T2，其耐壓1200V，可通過的均值電流40A，且該單管價格便宜，開通、關斷時間極短，開通壓降只有1.7V，因此，開關損耗較小，是較理想的選擇。
在本系統中，一共要四路采集，分別是半橋高低端電壓采集，輸出電壓電流采集。這四路信號都要設定過壓或過流保護。采集電流信號使用電流傳感器，采集電壓信號使用電阻分壓的形式。本設計的采集電路使用差分信號傳輸，并基于三級采集電路設計：首先使用全差分放大器LTC1992進行單端到差分信號的轉換；然后使用模擬線性光耦HCpL7840進行信號隔離；最后使用儀用運放INA121將信號進行適當放大。
4控制算法實現
4.1尋找負載工作點的算法設計
光伏模擬器重要是跟蹤負載的工作點，使得模擬器在不同負載情況下的輸出能滿足光伏陣列的輸出特性。靜態工作點的確定是模擬器的關鍵，如何在一特定負載下快速尋找到期望工作點，并使電源工作在這個點上。當負載變化，或是環境條件變化時，又如何找到新的工作點，并快速且精確的控制電源運行在這個工作點上，是模擬器控制算法所要解決的核心問題。
當負載電阻確定后，想要確定工作點處的電壓電流，要代入式(1)進行計算，但公式復雜，且涉及指數運算，在程序實現上十分麻煩，而且也會影響系統響應的速度。從我們研究太陽能電池的輸出I-V特性曲線可以看到，在短路電流點附近，電池板接近恒流，輸出I-V曲線在這一段接近一條直線；在開路電壓點附近，電池板接近恒壓，輸出I-V曲線在這一段也接近一條直線。所以我們用四條直線來對電池板輸出I-V曲線進行擬合，如圖3所示。
只要我們采集輸出電壓電流，得到負載電阻，其伏安特性曲線是一條通過原點的直線，這一直線與上面某一條直線必然交于一點，這一點就是我們系統的理想工作點。然后再根據這一點的電壓和半橋公式就能得到系統要發出的占空比。
4.2pI控制算法在模擬器中的應用
為了提高系統速度和減少靜態誤差，在控制系統中應用了pI控制算法，本設計的控制結構見圖4。根據上文的控制策略，從測得的輸出電壓電流，可以得到輸出負載RL，進而得到參考電壓Vref，它與實際輸出電壓相減送入pI控制器中，pI輸出控制調節占空比，進而使實際輸出電壓與Vref一致。
將上述得到的理論、代入程序中，運行測得輸出幾乎與理論值一致，偏差基本都在0.3V以內，證明了我們整定的參數是成功的。
4.3軟件主程序流程圖
系統的控制工作是由軟件部分完成的。軟件系統的工作重要有兩點：一是采集數據；二是完成占空比的計算。主程序模塊中重要是進行系統初始化工作及等待處理中斷，其中系統初始化重要包括ADC模塊的初始化和事件管理器EVB模塊的初始化。主程序流程圖見圖5。
圖5主程序流程圖
表1變負載時的輸出電壓
5實驗結果
基于前面各章對硬件設計、算法、軟件編程等方面的研究，設計了一臺光伏電池陣列模擬器，其技術參數為：。
5.1模擬器系統的靜態效果
為了驗證系統輸出是否能模擬出一條理想的太陽能電池的輸出I-V特性曲線，要測試RL取不同值時，輸出的工作點情況。依據四折線法，RL確定后，就能確定理論的輸出電壓。依照以上方法進行了一組不同負載實驗，測試的數據如表1所示。
由表1可以看到，系統輸出電壓在69.4V以上時，系統工作在最大功率點附近和開路電壓附近，這時系統輸出精度基本都在1%以下。說明我們設計的光伏電池陣列模擬器能夠在變負載時，比較精確的模擬出太陽能電池陣列的輸出I-V特性曲線
5.2模擬器系統的動態效果
設計光伏電池陣列模擬器的最終目的是要用于光伏逆變系統實驗，因此，只在靜態情況下描出太陽能電池板輸出I-V特性曲線是不夠的，還要用實驗檢測系統的響應速度，即動態特性。
影響本系統動態響應時間的因素重要有兩個：一是輸出電容的電壓慣性；二是系統軟件算法的執行時間。我們做了兩個實驗，一是負載突變時，看輸出電壓的變化；二是直接接光伏逆變系統，讓逆變器按照最大功率點跟蹤算法(MppT)去測試模擬器的性能。假如逆變器能跟蹤到最大的功率，則說明我們的模擬器達到了設計指標。
我們將負載電阻進行突變，輸出電壓也會變化。圖6是在模擬開路電壓為40V時，負載電阻由21.6Ω突變到49.5Ω時，輸出電壓由31.6V跳變到36.1V時的動態響應波形。由圖6可以看到，輸出電壓可以在約8ms的時間里完成變化響應，但是，這個速度到底夠不夠，還要看接上實際逆變器后的效果。
圖6輸出電壓動態響應波形
在逆變器前端是BOOST電路，用以實現MppT算法。BOOST電路輸入端與我們設計的模擬器相連后，輸出端接一電阻。首先讓模擬器工作，測量此時輸出為開路電壓。然后，BOOST電路開始工作，執行MppT算法。實驗測量，BOOST輸入電壓由開路電壓90V逐漸減小，最終在最大功率點電壓80V處基本穩定，證明找到了模擬電池的最大功率點。
6結論
本文在研究了太陽能電池的數學模型的基礎上，結合電力電子技術和控制技術，給出了一個基于微控制器和DC/DC環節的光伏陣列模擬器的設計。實驗證明，模擬器樣機可以有效的模擬光伏陣列的輸出，輸出特性可以比較準確的模擬光伏陣列，輸出電壓、電流較穩定。■
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