光伏模拟器的设计

张大磊 李媛媛

（秦皇岛职业技术学院 河北省省秦皇岛市 066000）

光伏电池组件在光伏发电系统的机构组成中是具有不可替代的核心地位，在实际的光伏电站或者小型光伏发电系统应用过程中，光伏组件会受到光照、温度等自然环境的影响输出不同特性的曲线。光伏模拟器可以在短时间内模拟不同温度、光照强度等自然因素下光伏组件的输出特性，可以获得不同天气状况下的系统工作状况。光伏模拟器一般应满足三方面的要求即特性曲线输出、随负载的改变工作点随之改变、输出功率满足需要。因此稳定性高、性能出众的光伏模拟器的研究作为光伏发电系统的辅助设计和外围部件的研制开发具有现实意义。

1 总体设计

光伏模拟器根据开关电源的输出特性模拟光伏电池的输出特性，这就要求光伏模拟器可以提供类似光伏电池的输出特性曲线，在外部环境（温度、光照度）发生变化时，所带负载工作点也会随之发生变化。光伏模拟器通过采样负载电压和电流值并根据光伏电池数学模型生成I-V 特性曲线，其工作过程如图1 所示。

图1：BUCK 光伏模拟器控制模型

工作过程分析：通过电压电流采样电路采集BUCK电路输出的电压和电流，结合光伏电池数学模型及负载跟踪算法可以得到控制器所带负载的参考电流Iref在把参考电流和实际采样的电流做比较，经过PI 调节器后经PWM 解调生成PWM 控制信号，控制BUCK 电路开关的占空比，进而保证电路工作在对应的工作点上。

光伏电池在实际工作中，其负载工作点随外部环境变化而变化，同时负载发生改变其工作点也随之改变，目前常用的寻找负载工作点的方法主要有迭代法和数值分析法两种，两种方法都需要通过计算光伏电池数学模型的数据进行负载工作点寻找，对于控制芯片DSP 的运算速度要求较高，而光伏模拟器恰恰是需要在短时间内就需要能模拟实际电池组件的实验设备，所以在进行负载工作点跟踪算法设计时要求既能快速生成曲线又能保证准确度。光伏电池平抛数学模型，提出一种分段迭代寻求负载工作点的算法。

2 迭代法寻负载工作点分析

图2 所示为负载发生突变情况下寻找负载工作点的示意图，当负载为R0时，模拟器工作在图中C 点，当负载突然由R0变成R1时，由于图1BUCK 电路中输出端的电容C（假设C 足够大）的作用，使得BUCK 电路输出端电压不会发生突然变化，此时工作点会由原本的C 点跳到B 点，电流采集电路采集到B 点电流后会沿着特性曲线使负载工作点向离负载R1斜率更近并与B 点电流相等的C 点移动，在闭环调节器的调节下工作点会调节到和C 点电压相等的R1负载线上的D 点移动，这样经过几次迭代后，最终是模拟器能稳定的工作在E点，调节过程结束，E 点为光伏曲线和负载R1的负载线交点。

图2：传统迭代法寻负载工作点示意图

通过对传统的迭代法寻找负载工作点的工作过程分析可知，迭代的步长直接影响着光伏模拟器的动态性能，所以采用分段迭代法进行寻找负载工作点寻找工作会大大减少迭代步长，增加光伏模拟器的动态相应性能。

光伏模拟器运用迭代法寻找负载工作点的工作过程中，需要对于数学模型中的电压和电流与负载R的关系进行求解，利用平抛数学模型，可以分段求解出电压电流和负载R的表达式：

当负载为纯电阻负载时按照传统迭代法分析，采用公式（1）的模型，可以快速生成，参考电流，寻找负载工作点只需一次迭代即可，当负载为非纯电阻负载时，采用分段迭代分析法也可以快速准确的找到负载工作点，如图3 所示，R 为非线性负载。

图3：分段迭代寻负载工作点示意图

系统开始工作点位于D 点，当光照度改变后（光照变弱），需要系统由原来的工作点D 改为工作点C。此时根据公式（1），负载当做纯电阻负载，按照迭代分析法，可以求得参考点A 点，但实际负载R 为非线性负载，系统会按照参考电流调节工作点到与R 切线斜率最近的B 点，经过几次调节以后，系统会自动收敛于C 点。从上述分析可以看出，系统采用分段的迭代调节，具有强烈的收敛特性，迭代次数明显变小，并且在计算参考电流时，公式（1）不存在指数运算，会大大减少计算量从而加速系统外部环境参数变化时的响应时间。

3 光伏模拟器系统仿真与分析

根据上述分析，对光伏模拟器进行动态性能仿真分析和验证，验证在外部环境发生变化和负载发生变化时光伏模拟器的动态性能。

如图4 所示，仿真模型包括构成模拟器的BUCK主电路、PID 控制电路、负载工作点算法部分和示波器等部分组成。

图4：模拟器仿真模型

仿真参数为直流输入端电压为100V，滤波电感10mH,电容1000μF，所带负载30Ω，开关频率10kHz,温度参数T 和光照度参数S 可调。标准条件下BUCK电路仿真仿真结果如图5 所示，从图中可以看出，系统从启动到0.1 秒就达到了稳态，并且电压电流波动很小，在0.5 秒时参数光照强度S由1000w/m2突变为800w/m2，温度T由25℃变为40℃ ，BUCK 电路从稳态工作点迅速改变并达到平稳，动态性能良好。

图5：系统仿真波形

根据上述分析可以看出采用准谐振DC/DC 变换器作为光伏模拟器的整流器可以高效地运行，开关噪声很小，而且运行简单，损耗很低。它可以用于未经调节的DC/DC 变换器，可以比较理想地实现从低压到高压的转换。

因为它使用副边的漏感作为谐振元件，而且变换器不需要高品质因数的谐振电路，所以不需要分离式的谐振电感。不止如此，还可以很容易的控制输出电压纹波，因为大部分的谐振电流都流经了输出电容。

4 实验结果

基于TMS320F28335 数字控制系统的光伏模拟器实验平台对照标准环境参数（T=25℃、S=100W/m2）下，光伏电池板参数为Voc=44.2V、Isc=5.2A、Vm=35.2V、Im=4.95A 进行仿真实验。设定温度和光照强度分别为T=25℃、S=1000W/m2，光伏阵列50%遮挡条件下，改变负载R的大小，实现光伏电池输出I-V特性曲线模拟，并记录25 次稳定时电压和电流数据绘制曲线如图6-7所示，通过对比图中曲线和散点可以看出，光伏模拟器能较好的模拟出光伏输出特性曲线。

图6：光伏模拟器I-V 特性曲线拟合图

图7：光伏模拟器P-V 特性曲线拟合图

图7 根据图6 的电压和流值绘制的系统P-V 特性曲线，从图7 中可以看出，光伏模拟器在模拟带有旁路二极管的光伏阵列阴影遮挡条件下P-V 特性模拟时，光伏模拟器能较好的模拟出光伏输出特性曲线。

5 结论

本文主要在传统的光伏电池平抛数学模型的基础上提出一种分段迭代法求解光伏电池数学模型的分析方法，并采用ZVCS 变换器与BUCK 电路结合的拓扑电路结构进行光伏模拟器的动态输出特性进行仿真验证，仿真结果证明了光伏模拟器主电路拓扑结构和控制策略的正确性，并且光伏模拟器动态性能良好，为实验室研究光伏发电系统提供了性能优异的平台。