一种人机交互式光伏阵列模拟器的设计

王万乐，宋 健，谢云兴，公茂法，魏景禹

(1.山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛266590；2.国网山东电力东营供电公司，山东东营257091)

一种人机交互式光伏阵列模拟器的设计

王万乐1，宋 健2，谢云兴2，公茂法1，魏景禹1

(1.山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛266590；2.国网山东电力东营供电公司，山东东营257091)

为解决真实光伏阵列给研究造成的诸多限制，提出一种人机交互“双工作模式”的数字式光伏阵列模拟器。介绍了整个模拟器系统的设计方案，通过人机交互界面实现静态和动态模拟光伏阵列任意条件下的输出特性，增加了操作的多样化和可视化。实验表明，该模拟器可以在实验室环境下较为精确地模拟任意条件下的光伏阵列输出特性，可以取代真实的光伏阵列进行实验研究。

光伏电池；模拟器；仿真；人机交互界面；双工作模式

Abstract:To solve the limitations of the actual photovoltaic array to the research,a digital photovoltaic array simulator based on the"double working mode"of human computer interaction was proposed.The design methods of the simulator system were introduced.The static and dynamic simulation output characteristics of photovoltaic array under any conditions could be realized by human-computer interaction interface.And the diversity of the operation and visualization could be increased.The experimental results show that the simulator in laboratory environment can accurately simulate the output characteristics of the photovoltaic array under different conditions,and can replace the real photovoltaic array for experimental research.

Key words:photovoltaic cells;simulator;simulation;human-computer interaction interface;double working mode

近年来，作为新能源的太阳能已经成为各国缓解能源危机，促进节能减排的有效方式。现今对太阳能的利用主要集中在光伏发电领域，在光伏发电系统的研发过程中不可避免地要利用光伏阵列作为原材料进行实验，但真实的光伏阵列不仅成本高、控制难、占用体积大，而且其输出特性受天气、温度、光照等一系列外部因素影响较大，很难达到预期的实验与测量效果[1-3]。光伏阵列模拟器可以模拟真实光伏阵列在任意温度、光照强度下的输出特性从而可以取代真实光伏阵列进行实验，不仅可以降低成本、方便调试，而且提供“全天候”条件下的光伏阵列模型，有效地促进了系统的研发效率，缩短了研发周期。本文介绍了一种“双工作模式”人机交互的数字式光伏阵列模拟器的设计方案，并进行了仿真实验和实验验证，证明了设计方案的可行性。

1 光伏电池的工程数学模型

光伏电池是一种基于半导体材料光生伏特效应，具有将太阳能转换成电能输出的半导体器件。当没有阳光照射时光伏电池的输出几乎为0，所以可以近似地把它看成P-N结型二极管，当有阳光照射时导通产生电流，其等效电路如图1所示[4-5]。

图1 光伏电池等效电路

然而在实际的工程应用中为了便于分析计算，光伏电池输出特性的数学模型通常由标准条件(光照强度Sref=1000 W/m2，环境温度Tref=25℃)下的开路电压Voc，短路电流Isc，最大功率点电压Vm及最大功率点电流Im来确定。其I-V输出特性曲线表达式[6]：

式(1)描述了在标准条件下的I-V输出特性。根据修正后的Voc，Isc，Im可以得到任意温度和光照强度下的输出特性，具体表达式为：

式中：ΔS为实际光照强度与标准光照强度差，ΔS=S/Sref－1；ΔT为实际温度与标准温度差，ΔT=T－Tref；系数α、β、γ的典型值为：α=0.0025，β=0.5、γ=0.0028。

2 光伏阵列模拟器的系统设计

2.1 系统结构及工作原理

本文设计的数字式光伏阵列模拟器由STM32F103ZET6为核心的控制电路和DC/DC半桥变换的主功率电路及上位机LabVIEW人机交互界面共同组成，系统结构框图如图2所示。

图2 光伏阵列模拟器的系统结构框图

由图2可见，工频交流市电经过整流、滤波后得到稳定的直流电，用来满足DC/DC变换电路工作的需要。DC/DC变换采用半桥变换，高频变压器采用非晶铁心材料，通过输出滤波向负载供电。首先通过LabVIEW上位机人机交互界面设置光照强度、环境温度和工作模式等参数，根据己有的光伏电池工程数学模型，得到所需要的任意条件下光伏电池输出I-V特性曲线。采样电路采集负载两端的电压和电流经过信号调理模块将信号反馈给STM32F103ZET6控制器。控制器通过RS232接受上位机发送的指令，根据采集到的电压、电流值产生合适的占空比信号通过PWM驱动电路控制半桥电路的两个IGBT开关，使模拟器的输出稳定于光伏电池预设的输出特性曲线上该负载对应的工作点，从而实现光伏电池的模拟输出。

2.2 光伏阵列模拟器的控制方案

光伏阵列模拟器控制原理框图如图3所示。

图3 光伏阵列模拟器控制原理框图

本文所设计的模拟器采用的是电流控制型双闭环控制方案[7]。系统在正常工作时电压环处于开环的状态，电压的变化不会使电压环动作。当负载输出的电压Uout大于给定电压Uref时，电压环动作通过锁存PWM驱动信号的输出实现将负载输出电压Uout限制在给定电压Uref之下。

当系统正常工作时，首先，通过设置上位机条件参数得到所需要模拟的光伏阵列输出特性曲线。然后通过STM32F103ZET6的模数转换器实时地采样负载输出的电压和电流。采样得到的电压值根据所需模拟的光伏阵列输出特性曲线实时计算得到所对应的电流值，将该电流值作为电流环的给定电流Iref。它与实际采样所得的负载电流值进行比较，并将误差传送到电流PI调节器。误差信号经电流PI调节器处理后产生PWM信号来控制开关管的动作，从而负载电流可以跟踪指令给定电流Iref。从而在负载一定的情况下，可以实现模拟器的电压、电流符合所需模拟的光伏阵列输出特性。

3 上位机LabVIEW人机交互界面设计

目前光伏模拟器普遍存在的问题就是人机交互界面不够完善，可视性比较差，给研究和开发人员带来不便。本次设计采用LabVIEW进行上位机人机交互界面编程，一定程度上优化和完善了人机交互界面[8]。

3.1 人机交互界面的功能介绍

本文所设计的人机交互界面可以实现的功能包括模拟器输出电压电流和功率的实时显示、光伏阵列模拟特性参数的设置及工作模式选择、上位机和下位机串口通信设置、输出特性波形显示。极大地提高了系统采集数据、分析结果、监视过程的灵活性，增加了系统控制的可视化、多样化，实现了模拟器实时监控、采集并显示I-V、P-V曲线，并且具有存储功能，方便进行回看数据，具体界面如图4所示。

图4 LabVIEW人机交互界面

3.2 人机交互界面“双工作模式”的功能实现

光伏阵列模拟器上位机的主要任务是实时显示工作状态数据和负载工作点曲线。本文模拟器上位机可以实现“双工作模式”，具体实现过程如下：

(1)静态工作模式

该模式主要用来模拟给定温度和光照强度不变的光伏阵列I-V输出特性。通过在上位机人机交互界面设置需要模拟的光照强度和温度，上位机根据已知的光伏阵列特性，结合式(1)，式(2)产生需要模拟的特定环境下的光伏阵列输出特性曲线。通过上位机与下位机之间的数据通信把上位机产生的光伏阵列输出特性曲线下载到下位机控制系统中，同时上位机接受下位机发送的电压电流及功率数据，并在人机交互界面实时地显示，便于直接观察。

(2)动态工作模式

该模式主要用来模拟一天或者一段日期的动态光伏阵列I-V输出特性曲面。该模式与静态工作模式的实现方式类似，主要区别在于光照强度和温度随着时间不断发生变化，故通常选取比较有代表性的一段时间的平均光照强度与温度，通过最小二乘法拟合出光照强度与温度随时间变化的公式，借此求出任意时间点的光照强度与温度，从而建立光伏阵列输出特性与时间的关系，软件配有动态的图像和数据显示功能，能够直观的反映出光伏阵列的输出I-V曲面。动态工作模式可以方便于研究和开发人员观察一段时间下光伏阵列输出特性的动态变化，可以作为设计的参考，并进行相应的实验。

4 光伏阵列模拟器系统的Matlab仿真分析

为了更加直观地验证上述光伏阵列模拟器设计的合理性，在Matlab的Simulink环境下，依据设计方案建立模拟器系统仿真模型[9]，如图5所示。系统输入的直流电压设定为180 V，半桥式DC/DC拓扑电路的具体参数如下：L=300 μH，C=450 μF，开关管的开关频率为20 kHz，R=20 Ω。

图5 基于Simulink的系统仿真模型

在标准状况下(S=1000 W/m2，T=25℃)，可得到如图6负载R的电流曲线。

图6 标准条件下负载电流仿真曲线

由图6可知，系统软启动期间负载电流由零平滑上升，在0.12 s时达到稳态。由此可得模拟器系统可以在短时间内追踪并稳定在该负载对应的工作点，很好地复现了光伏阵列的输出特性。

图7为负载输出电流跟随环境参数变化的情况。在t=0.7 s时，环境参数发生突变(S=800 W/m2，T=20℃)，负载输出电流也从8.7 A降至7.1 A，系统从稳态工作点快速过渡到新的工作点，并保持平稳，稳态后波动较小，展现了良好的动态响应能力。

图7 环境条件变化时的负载电流仿真曲线

5 实验结果

本文设计的模拟器可以实现动态、静态“双工作模式输出，可以在LabVIEW人机交互界面选择工作模式及设定需要模拟的参数，通过改变负载大小来模拟光伏阵列的I-V输出特性。通过上位机LabVIEW与下位机STM32F103ZET6通信(通信设置波特率为9600 bps，并且每隔1 ms进行数据交换)，记录系统稳定时负载工作点的电压、电流数据。在动态工作模式下模拟一天内的I-V输出特性曲面如图8所示，从图8中可以清晰地看出一天内光伏阵列输出特性的变化，便于选择具体时间段进行相应的实验；在静态工作模式设置光照强度为S=1000 W/m2，环境温度为T=25℃绘制I-V特性曲线，如图9所示，图9中实线为设定的环境条件下对应的I-V输出特性曲线，记录系统稳定时的负载电流电压，以散点标记在图中。分析图9中实线与散点的分布可得，在静态工作模式下模拟器比较精确地实现了模拟光伏阵列的I-V输出特性，可以取代真实的光伏阵列用于发电系统的实验和研发中。

图8 动态模拟一天内的I-V特性输出曲面

图9 静态模拟I-V特性曲线拟合图

6 结束语

提出了一种以STM32F103ZET6作为主控制器，LabVIEW搭建上位机人机交互界面的数字式光伏阵列模拟器。通过人机交互界面与下位机操作系统的有机结合，较为精确地实现了动态和静态“双模式”模拟光伏阵列输出特性，很好地解决了传统模拟器动态响应速度慢、人机交互界面不够完善、可视程度不足的缺点。极大地方便了光伏发电系统开发人员的研发工作，实用性较强。

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Design of human-computer interactive photovoltaic array simulator

WANG Wan-le1,SONG Jian2,XIE Yun-xing2,GONG Mao-fa1,WEI Jing-yu1
(1.College of Electrical Engineering and Automation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao Shandong 266590,China;2.Shandong Power Supply Company of Dongying,Dongying Shandong 257091,China)

TM 914

A

1002-087X(2017)09-1322-03

2017-02-12

王万乐(1993—），男，山东省人，硕士，主要研究方向为电力系统及其自动化。