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(fā)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(dǎo)致研究成本很高，不利于其初期的研究。因此，很有必要設(shè)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(shè)計的太陽能電池模擬器以 BUCK 電路為基礎(chǔ)，采用 ARM 控制，并加入了電流 PI 控制方式來改善系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)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(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

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(shè)計時可根據(jù)設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)學(xué)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(shù) (ISC 、 VOC 、 Im 和 Vm) ，而且四個參數(shù)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(zhuǎn)換為便于工程計算的形式。

式 (1) 描述的是標(biāo)準(zhǔn)照度 (Sref=1000 W ／ m2) 和標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)情況下的溫度差△ T 和相對照度差△ S ：

2 系統(tǒng)原理及控制策略

2.1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)的原理框圖如圖 2 所示，其中直流穩(wěn)壓電源可提供 150 V 的恒定電壓輸出，然后通過 BUCK 降壓電路把電壓加在輸出負(fù)載上，以實時采集負(fù)載兩端的電壓和電流，再經(jīng)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(yù)想的 I-U 曲線上。

2.2 系統(tǒng)控制策略

由于在某一環(huán)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(tǒng)輸出的電壓電流，就可以得到輸出負(fù)載的大小。其負(fù)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(yīng)一個電流和一個電壓。調(diào)節(jié) 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(diào)節(jié)的目的。

具體調(diào)節(jié)時，若采集的電壓電流對應(yīng)的負(fù)載工作點在 ( 點 A) ，曲線外時，可以減小占空比 D 。以減小輸出電壓，從而使工作點沿負(fù)載線向 B 點移動，此時 B 點就是想要的工作點；而當(dāng)采集的電壓電流對應(yīng)的負(fù)載工作點在 ( 點 A) ，曲線內(nèi)部時，則可增大占空比 D ，從而增大輸出電壓，使工作點沿負(fù)載線向 B 點移動。由于負(fù)載為阻性，所以，基于電壓和基于電流的調(diào)節(jié)是等效的。本文由于輸出電壓的惰性，設(shè)計時采用了基于電流的調(diào)節(jié)方式。

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量，步進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。

4 SIMULINK 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 120 W 。由 150 V 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 Lookup Table 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，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 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(dāng)取 RL=24 Ω時，根據(jù)光伏電池的 I-U 曲線，系統(tǒng)應(yīng)輸出 36.54 V 電壓，輸出電流為 1.524 A ，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)從開機到穩(wěn)定值的動態(tài)響應(yīng)時間約為 10 ms ，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?？梢栽诠夥l(fā)電系統(tǒng)研究中，代替實際的太陽能電池來進行實驗。