張大磊 李媛媛

（秦皇島職業(yè)技術學院 河北省省秦皇島市 066000）

光伏電池組件在光伏發(fā)電系統(tǒng)的機構組成中是具有不可替代的核心地位，在實際的光伏電站或者小型光伏發(fā)電系統(tǒng)應用過程中，光伏組件會受到光照、溫度等自然環(huán)境的影響輸出不同特性的曲線。光伏模擬器可以在短時間內模擬不同溫度、光照強度等自然因素下光伏組件的輸出特性，可以獲得不同天氣狀況下的系統(tǒng)工作狀況。光伏模擬器一般應滿足三方面的要求即特性曲線輸出、隨負載的改變工作點隨之改變、輸出功率滿足需要。因此穩(wěn)定性高、性能出眾的光伏模擬器的研究作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的輔助設計和外圍部件的研制開發(fā)具有現(xiàn)實意義。

1 總體設計

光伏模擬器根據(jù)開關電源的輸出特性模擬光伏電池的輸出特性，這就要求光伏模擬器可以提供類似光伏電池的輸出特性曲線，在外部環(huán)境（溫度、光照度）發(fā)生變化時，所帶負載工作點也會隨之發(fā)生變化。光伏模擬器通過采樣負載電壓和電流值并根據(jù)光伏電池數(shù)學模型生成I-V 特性曲線，其工作過程如圖1 所示。

圖1：BUCK 光伏模擬器控制模型

工作過程分析：通過電壓電流采樣電路采集BUCK電路輸出的電壓和電流，結合光伏電池數(shù)學模型及負載跟蹤算法可以得到控制器所帶負載的參考電流Iref在把參考電流和實際采樣的電流做比較，經(jīng)過PI 調節(jié)器后經(jīng)PWM 解調生成PWM 控制信號，控制BUCK 電路開關的占空比，進而保證電路工作在對應的工作點上。

光伏電池在實際工作中，其負載工作點隨外部環(huán)境變化而變化，同時負載發(fā)生改變其工作點也隨之改變，目前常用的尋找負載工作點的方法主要有迭代法和數(shù)值分析法兩種，兩種方法都需要通過計算光伏電池數(shù)學模型的數(shù)據(jù)進行負載工作點尋找，對于控制芯片DSP 的運算速度要求較高，而光伏模擬器恰恰是需要在短時間內就需要能模擬實際電池組件的實驗設備，所以在進行負載工作點跟蹤算法設計時要求既能快速生成曲線又能保證準確度。光伏電池平拋數(shù)學模型，提出一種分段迭代尋求負載工作點的算法。

2 迭代法尋負載工作點分析

圖2 所示為負載發(fā)生突變情況下尋找負載工作點的示意圖，當負載為R0時，模擬器工作在圖中C 點，當負載突然由R0變成R1時，由于圖1BUCK 電路中輸出端的電容C（假設C 足夠大）的作用，使得BUCK 電路輸出端電壓不會發(fā)生突然變化，此時工作點會由原本的C 點跳到B 點，電流采集電路采集到B 點電流后會沿著特性曲線使負載工作點向離負載R1斜率更近并與B 點電流相等的C 點移動，在閉環(huán)調節(jié)器的調節(jié)下工作點會調節(jié)到和C 點電壓相等的R1負載線上的D 點移動，這樣經(jīng)過幾次迭代后，最終是模擬器能穩(wěn)定的工作在E點，調節(jié)過程結束，E 點為光伏曲線和負載R1的負載線交點。

圖2：傳統(tǒng)迭代法尋負載工作點示意圖

通過對傳統(tǒng)的迭代法尋找負載工作點的工作過程分析可知，迭代的步長直接影響著光伏模擬器的動態(tài)性能，所以采用分段迭代法進行尋找負載工作點尋找工作會大大減少迭代步長，增加光伏模擬器的動態(tài)相應性能。

光伏模擬器運用迭代法尋找負載工作點的工作過程中，需要對于數(shù)學模型中的電壓和電流與負載R的關系進行求解，利用平拋數(shù)學模型，可以分段求解出電壓電流和負載R的表達式：

當負載為純電阻負載時按照傳統(tǒng)迭代法分析，采用公式（1）的模型，可以快速生成，參考電流，尋找負載工作點只需一次迭代即可，當負載為非純電阻負載時，采用分段迭代分析法也可以快速準確的找到負載工作點，如圖3 所示，R 為非線性負載。

圖3：分段迭代尋負載工作點示意圖

系統(tǒng)開始工作點位于D 點，當光照度改變后（光照變弱），需要系統(tǒng)由原來的工作點D 改為工作點C。此時根據(jù)公式（1），負載當做純電阻負載，按照迭代分析法，可以求得參考點A 點，但實際負載R 為非線性負載，系統(tǒng)會按照參考電流調節(jié)工作點到與R 切線斜率最近的B 點，經(jīng)過幾次調節(jié)以后，系統(tǒng)會自動收斂于C 點。從上述分析可以看出，系統(tǒng)采用分段的迭代調節(jié)，具有強烈的收斂特性，迭代次數(shù)明顯變小，并且在計算參考電流時，公式（1）不存在指數(shù)運算，會大大減少計算量從而加速系統(tǒng)外部環(huán)境參數(shù)變化時的響應時間。

3 光伏模擬器系統(tǒng)仿真與分析

根據(jù)上述分析，對光伏模擬器進行動態(tài)性能仿真分析和驗證，驗證在外部環(huán)境發(fā)生變化和負載發(fā)生變化時光伏模擬器的動態(tài)性能。

如圖4 所示，仿真模型包括構成模擬器的BUCK主電路、PID 控制電路、負載工作點算法部分和示波器等部分組成。

圖4：模擬器仿真模型

仿真參數(shù)為直流輸入端電壓為100V，濾波電感10mH,電容1000μF，所帶負載30Ω，開關頻率10kHz,溫度參數(shù)T 和光照度參數(shù)S 可調。標準條件下BUCK電路仿真仿真結果如圖5 所示，從圖中可以看出，系統(tǒng)從啟動到0.1 秒就達到了穩(wěn)態(tài)，并且電壓電流波動很小，在0.5 秒時參數(shù)光照強度S由1000w/m2突變?yōu)?00w/m2，溫度T由25℃變?yōu)?0℃ ，BUCK 電路從穩(wěn)態(tài)工作點迅速改變并達到平穩(wěn)，動態(tài)性能良好。

圖5：系統(tǒng)仿真波形

根據(jù)上述分析可以看出采用準諧振DC/DC 變換器作為光伏模擬器的整流器可以高效地運行，開關噪聲很小，而且運行簡單，損耗很低。它可以用于未經(jīng)調節(jié)的DC/DC 變換器，可以比較理想地實現(xiàn)從低壓到高壓的轉換。

因為它使用副邊的漏感作為諧振元件，而且變換器不需要高品質因數(shù)的諧振電路，所以不需要分離式的諧振電感。不止如此，還可以很容易的控制輸出電壓紋波，因為大部分的諧振電流都流經(jīng)了輸出電容。

4 實驗結果

基于TMS320F28335 數(shù)字控制系統(tǒng)的光伏模擬器實驗平臺對照標準環(huán)境參數(shù)（T=25℃、S=100W/m2）下，光伏電池板參數(shù)為Voc=44.2V、Isc=5.2A、Vm=35.2V、Im=4.95A 進行仿真實驗。設定溫度和光照強度分別為T=25℃、S=1000W/m2，光伏陣列50%遮擋條件下，改變負載R的大小，實現(xiàn)光伏電池輸出I-V特性曲線模擬，并記錄25 次穩(wěn)定時電壓和電流數(shù)據(jù)繪制曲線如圖6-7所示，通過對比圖中曲線和散點可以看出，光伏模擬器能較好的模擬出光伏輸出特性曲線。

圖6：光伏模擬器I-V 特性曲線擬合圖

圖7：光伏模擬器P-V 特性曲線擬合圖

圖7 根據(jù)圖6 的電壓和流值繪制的系統(tǒng)P-V 特性曲線，從圖7 中可以看出，光伏模擬器在模擬帶有旁路二極管的光伏陣列陰影遮擋條件下P-V 特性模擬時，光伏模擬器能較好的模擬出光伏輸出特性曲線。

5 結論

本文主要在傳統(tǒng)的光伏電池平拋數(shù)學模型的基礎上提出一種分段迭代法求解光伏電池數(shù)學模型的分析方法，并采用ZVCS 變換器與BUCK 電路結合的拓撲電路結構進行光伏模擬器的動態(tài)輸出特性進行仿真驗證，仿真結果證明了光伏模擬器主電路拓撲結構和控制策略的正確性，并且光伏模擬器動態(tài)性能良好，為實驗室研究光伏發(fā)電系統(tǒng)提供了性能優(yōu)異的平臺。