直流微網(wǎng)實驗中數(shù)字式光伏模擬器的研究與開發(fā)

盧志偉，胡仁杰，楊文燮

（東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096）

1 引言

能源枯竭和環(huán)境污染是目前全世界面臨的重大問題，許多國家采取了提高能源利用率、改善能源結(jié)構(gòu)、探索新能源和可再生能源等措施，以達到可持續(xù)發(fā)展的目的?？稍偕茉窗ㄌ柲堋L(fēng)能、水能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等，其中太陽能和風(fēng)能應(yīng)用極其廣泛，尤其我國幅員遼闊，東西和南北跨度都在5000km以上，擁有豐富的太陽能資源、風(fēng)能資源，具有很好的開發(fā)前景，相信對于緩解當前能源與環(huán)境的壓力具有重要意義。微電網(wǎng)，也被稱為分布式能源孤島系統(tǒng)，將發(fā)電機、負荷、儲能裝置及控制裝置等系統(tǒng)地結(jié)合在一起，形成一個單一可控的單元，同時向用戶供給電能和熱能。將光伏等發(fā)電和蓄電池等儲能裝置通過DC／DC變換器與直流母線相連的系統(tǒng)，稱之為直流微網(wǎng)。直流微網(wǎng)與交流微網(wǎng)相比較，發(fā)電設(shè)備與直流母線之間僅有一級電壓變換裝置，系統(tǒng)建設(shè)成本低，控制上容易實現(xiàn)，且不用考慮各發(fā)電設(shè)備之間的同步問題，在環(huán)流抑制上更具有優(yōu)勢。

在直流微網(wǎng)實驗平臺的研究中，如果以真實的太陽能電池和風(fēng)機作為研究對象，系統(tǒng)的開發(fā)會受到自然環(huán)境的嚴重影響，首先太陽能電池板價格昂貴，且大功率光伏模塊需要很大的占地面積，其次太陽能電池受太陽光照及溫度影響，輸出特性曲線會有很大變化，而這些影響完全是隨機的，不可控因數(shù)的增多讓整個系統(tǒng)的開發(fā)陷入困境，因此，提出了一個基于Buck斬波器以及DSP28335控制系統(tǒng)的數(shù)字式光伏陣列模擬器，利用Simulink中的模塊和光伏模塊SPG1786T-02E數(shù)據(jù)手冊中提供的電氣特性參數(shù)構(gòu)建了光伏模塊仿真模型［1]，通過對光伏仿真模型的跟蹤，設(shè)計了一個輸出功率為500W左右的光伏模擬器，仿真驗證表明，模擬器的輸出特性非常接近光伏陣列的工程模型，并具有良好的動態(tài)響應(yīng)。

2 光伏陣列輸出仿真模型

太陽能電池的基本特性和二極管類似，當半導(dǎo)體材料吸收光能后，由光子激發(fā)出電子—空穴對經(jīng)過分離就會產(chǎn)生電動勢，其等效電路如圖1所示。

圖1 太陽能電池的等效電路

提出了光伏模塊的工程用數(shù)學(xué)模型，對大量太陽能電池進行實驗［1]，該模型可以保證與實際情況的誤差小于 6%［2]。

式中：Vm、Im分別為模塊在最大功率點的電壓和電流；Voc、Isc為模塊的開路電壓和短路電流。代入Isc、Voc、Im、Vm，就能得到標準測試條件（STC）下的光電流。根據(jù)這些已知條件可推算出在新的日照強度和新的電池溫度下的I′sc、V′oc、I′m、V′m，公式如下：

其中系數(shù) a、b、c 的典型值分別為 0.0025／℃、0.5、0.00288／℃。

根據(jù)光伏模塊SPG1786T-02E數(shù)據(jù)手冊中提供的電氣特性參數(shù)和以上模型構(gòu)建了光伏模塊仿真模型，光伏模塊具體參數(shù)如下，Voc＝49.8V，Isc＝8.15A，Vm＝23.8V，Im＝7.15A。圖 2（a）所示為當光伏電池溫度為25℃，光照強度分別為1000、850、700、500W／m2時的 I－V 特性曲線，圖 2（b）所示為當光照強度為1000W／m2，光伏電池溫度分別為55℃、40℃、25℃、10℃時的 I－V 特性曲線。

由圖2可知，光伏模塊的輸出特性與光照強度和電池溫度有關(guān)。當溫度不變時，隨著光照強度的增大，光伏模塊開路電壓緩慢增大，短路電流迅速增大，最大功率也隨之增大；當光照強度不變，隨著電池結(jié)溫的升高，光伏模塊開路電壓迅速減小，短路電流略有上升，變化不大，最大功率也隨之減小。

圖2 特性曲線

3 光伏模擬器的設(shè)計及其跟蹤策略

3.1 模擬器結(jié)構(gòu)及硬件電路設(shè)計

圖3所示為模擬器的設(shè)計原理圖，將市電進行整流后輸入Buck或半橋變換器（小功率開發(fā)時用Buck變換器，大功率用半橋變換器），由DSP28335檢測負載輸出電壓電流，采用雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，根據(jù)光伏模擬器的數(shù)學(xué)物理模型輸出，計算出PWM驅(qū)動波形，控制主電路中的MOS管的通斷，從而實現(xiàn)對太陽能電池板輸出特性的跟蹤模擬。

圖3 數(shù)字式光伏模擬器結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)所選控制器為TMS320F28335，因其具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，且內(nèi)存優(yōu)于TMS320F2812，更適合逐點差值法跟蹤光伏曲線，具有精度高、速度快、集成度高等特點，適合控制領(lǐng)域。主電路輸出及輸入的電壓和電流由電壓電流傳感器負責(zé)采集，采集后經(jīng)過信號調(diào)理電路送入DSP，DSP則根據(jù)設(shè)定的算法對采集信號進行處理，輸出PWM波形。PWM波形經(jīng)過驅(qū)動電路控制MOSFET的開通或關(guān)斷，實現(xiàn)符合光伏模塊的輸出特性的電壓及電流輸出，簡單的講，光伏模擬器就是特殊的開關(guān)電源，只不過其輸出符合光伏特性而已。

系統(tǒng)硬件包括功率電路、檢測電路及驅(qū)動電路。其中功率電路設(shè)計時，主要是濾波電容、輸出電感的選擇，濾波電容主要是考慮紋波的要求，本系統(tǒng)中電容的選擇是結(jié)合工程經(jīng)驗，選用470μF，而電感的選擇則是考慮到Buck電路的續(xù)流問題，按照最小電流保證電感電流臨界連續(xù)的條件，導(dǎo)出電感值，當電感電路連續(xù)時，滿足以下條件：

其中

當滿足上述條件時，電感電流零界連續(xù)，電感值與輸出電流和占空比有關(guān)，且D小于0.5時，電流基本不變D（1-D）單調(diào)增加，帶入本系統(tǒng)各參數(shù)，計算得L≈0.1mH，本系統(tǒng)最大占空比為0.598，用D＝0.59帶入，計算得L≈1.3mH，考慮部分余量本系統(tǒng)選擇L＝0.1mH，很明顯電路截止頻率＝134Hz～20kHz。同時，在主電路中加入了緩啟動環(huán)節(jié)，防止對整個電路產(chǎn)生沖擊。

檢測電路主要就是電壓電流傳感器的選擇，以及電壓電流的調(diào)理和過保護設(shè)計，本系統(tǒng)采用托肯霍爾電流傳感器TBC25D，電壓傳感器則采用TBV10／20X，由于輸出均為交流，因此需對輸出進行調(diào)理，且DSP輸入應(yīng)小于3.3V，調(diào)理電路加入限幅保護功能，中間加入一級絕對值電路，調(diào)理及保護電路分別如圖4、5所示。隔離驅(qū)動電路中，選用HCPL-3120光耦隔離PWM驅(qū)動信號，MOS管用IRF460，MOS管并聯(lián)MBR20200肖特基二極管，具體驅(qū)動電路如圖6所示。

3.2 模擬器跟蹤算法設(shè)計

圖4 電壓采樣調(diào)理電路

整個模擬器最核心的部分就是光伏陣列特性跟蹤，即輸出工作點的確定，而模擬器的工作點則是光伏輸出特性和所帶負載特性曲線的交點，不同的負載，伏安特性不同，與光伏陣列輸出特性曲線的交點也不同，控制模塊通過一定的算法，迅速找到這些工作點，并讓整個系統(tǒng)穩(wěn)定在該工作點上，且負載變化時，或光伏曲線變化時，模擬器應(yīng)該能迅速找到新的工作點并穩(wěn)定運行。實際情況中，光伏模擬器一般都接入DC-DC最大功率跟蹤（MPPT）電路，因此能否迅速跟上后級MPPT電路是衡量光伏模擬器的一個重要指標。而本系統(tǒng)研究的是直流微網(wǎng)實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)將光伏、風(fēng)電模塊發(fā)出的電量接入48V直流母線，直流母線上還接有蓄電池、超級電容等儲能模塊以及三相逆變模塊，本系統(tǒng)中，光伏模擬器接入BOOST電路，BOOST電路具有最大功率跟蹤功能，因此，設(shè)計的光伏模擬器在接入MPPT后應(yīng)能穩(wěn)定工作于最大功率點。

圖5 直流過壓保護電路

圖6 PWM隔離驅(qū)動電路

而對于光伏特性曲線與負載特性曲線的交點的求法有很多種，目前主流的方法主要有兩種。一是將光伏特性曲線用折線替代，因為光伏陣列的模型是一個復(fù)雜的函數(shù)，如果在控制器里編程則會涉及到多次對數(shù)運算，對于DSP等控制器來說完成對數(shù)運算難度太大，用多點折線法再配合最小二乘法擬合出4段或者5段甚至更多段曲線。這樣，只要測得負載電阻，擬合曲線與負載特性曲線的交點將很容易得到，再利用閉環(huán)或者開環(huán)調(diào)節(jié)，就可以實現(xiàn)光伏曲線跟蹤。另一種方法是將光伏特性曲線離散化，然后通過迭代法實現(xiàn)向光伏曲線的逼近，常見的迭代法有差值法、牛頓下山法等。當然，如果有強大的上位機支持，查表法不失為最準確的一種方法，且查表法的光伏數(shù)據(jù)可直接來自于光伏電池的測量，這樣模擬器的工作將更為真實。但不同型號光伏電池參數(shù)的獲得還是很困難的，除非是要求精度特別高的場合，否則一般不采用這種方法。本系統(tǒng)所選用的是逐點差值比較法，它也是一種迭代法，基本原理是以相同的迭代步長，相同的迭代函數(shù)依次進行迭代。首先，設(shè)定初始指令電流值 I0，一般取 I0＝0.1Isc，I0與負載特性曲線交于P0點，此時負載的電壓為U0，U0所對應(yīng)的太陽能電池陣列特性曲線上的點為Q0點，則下一次的指令電流為I1＝I0+λ（f（U0）-I0），其中，f（U0）為太陽能電池陣列的數(shù)學(xué)物理模型，λ是迭代步長，一般取0.1，指令電流I1與負載伏安特性交于P1，此時負載電壓為U1，U1所對應(yīng)光伏陣列伏安特性 Q1點，則下一次的指令電流為 I2＝I1+λ（f（U1）-I1），依次迭代下去，指令電流為 I0、I1、I2……I＊，負載工作點為 P0、P1、P2……P＊，最終收斂在太陽能電池陣列的負載工作點，迭代步長越大，收斂越快，步長越小，穩(wěn)定性和精度越高。具體負載工作點確立如圖7所示。

本文先將光伏模塊的工程數(shù)學(xué)模型折線化［3]，根據(jù)曲線的特性，利用最小二乘法實現(xiàn)5段折線擬合給定I-V曲線，端點坐標分別?。海?，8.15）、（30，8.15）、（40.6，7.85）、（47.6，7.15）、（53，5.9）、（59.8，0）。

圖7 光伏模擬器工作點跟蹤示意圖

如圖8所示為光伏模擬器擬合曲線。由圖8可知，擬合后的折線與模型曲線相差很小，可以滿足模擬器的精度要求。經(jīng)過擬合，原本復(fù)雜的函數(shù)變?yōu)橐粋€分段線性函數(shù)，對擬合曲線與負載特性曲線的交點主要用以下三種方法：一是開環(huán)調(diào)節(jié)，即直接計算得擬合曲線與負載特性曲線的交點電壓，將該電壓除以BUCK輸入電壓，得到的值作為占空比控制MOS管的通斷，該方法簡單、迅速，但穩(wěn)定性差，精度也不高，原因是輸入電壓一般都有波動，因此一般只是在調(diào)電路初期使用；二是直接計算得擬合曲線與負載特性曲線的交點電壓，但是控制上采用閉環(huán)控制，就是將指令電壓與實際輸出電壓的差值通過PI調(diào)節(jié)后，產(chǎn)生PWM控制MOS管，使得輸出跟隨指令電壓，只要電壓符合，由于阻性負載的特性，電流也必然符合光伏特性輸出；三是基于差值迭代法的雙閉環(huán)指令電壓電流分段調(diào)控，在短路電流點附近，光伏輸出接近恒流，因此適合進行電流跟蹤，在開路電壓點附近，電壓的變化量較小，適合于電壓跟蹤，同時當內(nèi)環(huán)為電流指令調(diào)節(jié)時，外環(huán)則采用電壓調(diào)節(jié)，為了保證系統(tǒng)的外環(huán)快速性，外環(huán)還采用積分分離調(diào)節(jié)，模擬器的具體控制流程如圖9所示。

圖8 光伏模擬器擬合曲線

圖9 光伏模擬器控制流程圖

4 實驗結(jié)果及誤差分析

根據(jù)上述主電路以及控制方案，其中Buck電路 中 電 感 L ＝3mH，C1＝470μF，C2＝22μF／470μF，MOS管的開關(guān)頻率為20kHz。仿真運行了開環(huán)、閉環(huán)以及迭代法雙閉環(huán)等條件下的變電阻跟蹤模擬，同時進行了MPPT接入后的仿真試驗，并繪制了輸出的擬合曲線，在開環(huán)條件下，負載由10Ω經(jīng)過 0.01s躍變?yōu)?6.657Ω（最大功率點電阻）。研究發(fā)現(xiàn)，該控制控制簡單，跟蹤速度快，但是系統(tǒng)穩(wěn)定效果差，且受到輸入波動的影響，系統(tǒng)精度不是很高。在閉環(huán)條件下，負載由10Ω經(jīng)過0.01s躍變?yōu)?.657Ω，研究發(fā)現(xiàn)，與開環(huán)相比，穩(wěn)定性得到一定的提高，跟蹤速度稍慢于開環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)精度與開環(huán)相比也得到一定的改善。

最后仿真研究了該項目所采用的迭代法雙閉環(huán)跟蹤策略，具體輸出波形如圖10所示，由圖10可見，系統(tǒng)的響應(yīng)速度、精度、穩(wěn)定性都是最佳的，由此可知，負載躍變后，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)時間約為0.002s左右，系統(tǒng)初始 R＝10Ω 條件下 0.005s達到穩(wěn)定，在 t＝0.008s，R 突變?yōu)?6.657Ω，模擬器穩(wěn)定跟蹤在工作點（47.6V，7.15A）。

根據(jù)以上模型，改變負載電阻，得到光伏模擬器的多個工作點，繪制出光伏模擬器的真實輸出特性曲線，如圖11所示。

5 結(jié)論

該文根據(jù)光伏模塊的數(shù)學(xué)物理模型的輸出特性，采用基于DSP28335控制的Buck斬波電路實現(xiàn)光伏特性的輸出，給出了主電路及檢測保護電路的設(shè)計，分析并研究了光伏跟蹤的幾種算法，最后采用迭代法雙閉環(huán)跟蹤策略實現(xiàn)光伏模擬器的實時跟蹤。實驗證明，該模擬器電壓和電流穩(wěn)定值與模型的誤差完全滿足本實驗系統(tǒng)的運行需要。

圖10 光伏模擬器跟蹤波形

圖11 光伏模擬器輸出特性曲線

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