1、 本文由buaasylcy貢獻 pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 江蘇電器 (2007 No.6) 光伏電池陣列模擬器的研究 光伏電池陣列模擬器的研究 唐金成1，林明耀1，張蔚2 (1 東南大學 電氣工程學院，江蘇 南京 210096；2 南通大學 電氣工程學院，江蘇 南通 226007) 摘 要： 根據光伏電池陣列的輸出 I - U 特性，提出了利用四段折線擬合法對該特性曲線進行分段 擬合，并在此基礎上設計了基于B u c k電路的太陽能電池模擬器。模擬器采用輸出電流反饋P I調節，提高 了系統的動態性能以及穩態精度。通過仿真驗證了設計的合

2、理性。 關鍵詞： 太陽能電池模擬器；分段擬合；PI調節；Buck電路 中圖分類號：TM619 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3175(2007)06-0010-03 Research on Solar Array Simulator TANG Jin-cheng, LIN Ming-yao, ZHANG Wei2 （1 College of Electronic Engineering of Southeast University, Nanjing 2006, China; 2 College of Electronic Engineering of Nantong Universit

3、y, Nantong 226007, China） Abstract: Based on the photovoltaic (PV) arrays output I - U characters, it raises that four lines can be used to imitate the characteristic curve in several sections. The solar array simulator based on Buck circuit is designed. Output current feedback PI control is also us

4、ed to achieve fast dynamic response and high precision of output. The rationality of the design is proved by the results of the simulation. Key words: solar array simulator; partitioned imitation; PI regulate; Buck circuit 0 引言 目前，全球性的能源危機迫使越來越多的國家 1 光伏電池陣列的電氣特性 光伏電池陣列在太陽輻射強度 S 為1 000 W/m 2， 開始重視新能源

5、的研究，光伏發電作為其中很重 要的一種也得到了廣泛研究。但由于光伏電池造 價高，導致研究成本很高，不利于其初期的研究， 因此，很有必要設計一種成本較低，能夠代替實際 光伏電池陣列進行各種光伏實驗的太陽能電池模擬 器。 基于光伏電池陣列的輸出I - U 特性曲線，設計 了一種以B u c k電路為基礎的，基于D S P控制的太陽 能電池模擬器。它可以模擬太陽能電池的輸出特 性，因此能夠替代實際的光伏電池陣列。提出采用 四段折線法對光伏電池陣列的特性曲線進行分段擬 合，同時結合電流反饋PI控制，提高系統的動態性 能以及穩態精度，并進行了仿真驗證。 溫度 為25 條件下的I - U 特性曲線如圖1中

6、曲線所 示1。從圖中可以看出光伏電池陣列是一種非線性 直流電源，在低壓段近似為恒流源，在高壓段特性 曲線非線性加強，因此不能簡單地采用直線對曲線 進行擬合。 實現對光伏電池特性的模擬主要有兩種方法： 查表法2-4和計算法5。查表法是一種較為準確的 方法，但需要事先人工輸入大量數據，工作非常繁 瑣，而且電池參數等數據的獲得也并非易事；使用 計算法擬合曲線舍棄傳統的查表法，誤差較小且無 需太多人為干預，使得系統更為優化、簡單。 采用多段直線 ( 折線 ) 模擬是數學上模擬弧度 較小的曲線時常用的方法。仔細研究圖 1 會發現， 光伏電池陣列的輸出特性在低壓段近似為恒流源， 作者簡介：唐金成(1983

7、- )，女，碩士研究生，研究方向為太陽能光伏發電、電力電子及電力傳動等； 林明耀(1959- )，男，教授，博士，研究方向為可再生能源發電、電力電子及電力傳動、電機及數字控制等。 0 光伏電池陣列模擬器的研究 江蘇電器 (2007 No.6) 經過最大功率點后下降速度加快， 但是弧度較小，故 而可采用四段折線模擬該曲線，如圖 1 中折線所示。 電流 P I 調節器的輸出，改變 D S P 中比較寄存器的 值，產生可變脈寬的 PWM 波，控制主電路的開關器 件，從而實現對光伏電池陣列特性的模擬。 2.2 I ref的確定 以 短 路 電 流 點A ( x 0 ，y 0 ) 為 一 個 端 點 ，

8、 點 B (x 1，y 1)為另一端點，利用數值計算公式6(2)可 以得到從 A 點到 B 點的擬合方程。 x -x1 x -x0 Y ( x )= x 0 - x 1 y 0 + x 1- x 0 y 1 曲線的擬合方程。 如圖1所示，端點坐標分別為：A (0，4.5)、 圖1 光伏電池陣列的I - U 特性曲線及其折線模擬 (2) 依次類推，可以得到對整條光伏電池陣列特性 2 模擬器的原理 太陽能電池模擬器能夠模擬實際光伏電池陣列 的I - U 輸出特性。文中設計了一種以Buck直流斬波 電路為基礎，基于DSP控制的太陽能電池模擬器。 2.1 模擬器結構圖 模擬器結構圖見圖2。 2 D 1

9、 1 L B (20 ，4 .45)、C (34 .3 ，4)、D (43 .33 ，3)、 E (52.6 ， 0)。 根據公式(2)對光伏電池陣列的特性曲線進行 了四段擬合，得到以下擬合方程： I 1= -0.002 5 U + 4.5 (U 0，20)； I 2= -0.031 5 U + 5.079 (U 20，34.3)； I 3= -0.110 7 U + 7.798 (U 34.3，43.33)； I 4= -0.323 6 U + 17.023 (U 43.33，52.6)。 輸出電壓經AD采樣后送入DSP控制器后，首先判 斷此時的輸出電壓屬于哪段擬合區間，然后根據相 應的擬合

10、方程計算光伏電池陣列的輸出電流值，將 此電流值作為輸出電流的指令值，即I ref7。 Ui + - D2 2 C R 3 PI控制器參數的整定 太陽能電池模擬器采用的是電流反饋 PI 控制， DSP控制器 光伏曲線 I ref + 擬合電 流給定 輸出電壓采樣 U out 電流PI 調節器 PWM 波生成 輸出電流 反饋 I out 控制原理框圖如圖 3 所示。輸出電流的指令值 I ref 是通過四段折線分段擬合光伏電池特性曲線而得， 它與實際輸出電流反饋值 I out 的偏差通過電流 P I 調節器，形成改變 PWM 占空比的控制量，使輸出電 流 I out 始終跟蹤給定電流 I ref 。

11、 U out 光伏曲線 +- I out 電流PI 擬合電 調節器 流給定 I ref PWM 波生成 低通 濾波器 負載 圖2 太陽能電池模擬器的結構圖 由圖2可知，該模擬器是以直流斬波電路為基 礎，直流斬波電路為標準的Buck電路。Buck電路的 輸出電壓U out和輸入電壓U i的關系如式(1)所示： Uout = DU i (1) 式中 D 為PWM波形的占空比。 在 DSP 控制系統中，根據采樣到的斬波器的輸 出電壓實時地計算出光伏電池陣列的輸出電流值， 然后將此電流值作為輸出電流的指令值 I ref，同實 際輸出電流值 I out 相減后送入電流 PI 調節器，通過 文中采用試湊法

12、對P I控制器的參數進行了整 定 。首先將積分時間常數T i取零，即取消積分作 用，采用純比例控制。將比例增益 P 由小到大變 化，觀察系統響應，直至系統響應速度變快，且有 一定范圍的超調為止。然后將積分時間常數T i由大 8 江蘇電器 (2007 No.6) 光伏電池陣列模擬器的研究 逐漸減小，積分作用就逐漸增強，觀察輸出會發 現，系統的靜差會逐漸減少直至消除。反復試驗 幾次，直到消除靜差的速度滿意為止。注意，這時 的超調量會比原來加大，應適當的降低一點比例 增益 P 。 4 仿真運行及仿真結果分析 為驗證上述太陽能模擬器設計的合理性，對太 陽能電池模擬器的 D S P 控制系統進行了仿真分

13、析， 以 Visual basic 6.0 為開發環境設計仿真程序。仿 真程序實時計算出 Buck 電路的輸出電壓 U out，根據 電壓值的大小采用四段折線進行分段擬合得到輸出 電流的指令值 I ref，同實際輸出電流值 I out 相減后經 過電流 PI 調節器的控制改變 Buck 電路中開關管的 通斷時間，使 I out 始終跟蹤 I ref，從而實現在特定負 載時 Buck 電路的輸出電壓電流模擬光伏電池陣列的 輸出特性。 在設計的 Buck 電路中， 仿真參數設置為 Ui=100 V， L = 1 000H，C = 470F，開關管的開關頻率為 40 kHz。 通 過 對 PI 控

14、制 器 參 數 的 整 定 ， 獲 得 比 例 增 益 P =3.5，積分時間常數T i=0.04 s。將仿真參數和PI 控制器參數代入太陽能電池模擬器的通用仿真模 型中，當負載 R =20時，可得到如圖4所示的輸出 電流曲線，當負載 R = 4時，可得到如圖5所示的 輸出電流曲線。由圖4和圖5的仿真結果可以看出， Buck電路能夠在較短的響應時間內穩定在對應于該 負載的工作點輸出，很好地反映了光伏電池陣列的 輸出特性。 仿真分析的最后一步是通過設置不同的負載電 阻值，可以得到一系列的輸出負載工作點數據。將 工作點在對應的 I - U 坐標系中給出，并對比所擬 合的光伏電池陣列的 I - U

15、特性曲線，可以得到比 較圖如圖 6 所示。圖 6 中曲線為光伏電池陣列的輸 出特性，×” “ 點為太陽能電池模擬器的仿真工作點。 由 B u c k 電路仿真工作點同光伏電池陣列特性曲線 的比較可以看出，采用前述 B u c k 電路、分段擬合 及電流反饋 P I 控制策略可以很好地模擬光伏電池 陣列特性。仿真驗證了系統原理設計的可行性。 圖5 R 為4 時I out的仿真曲線 圖6 I -U 特性曲線與Buck電路仿真工作點對比 5 結論 由上述分析可見， Buck 直流斬波器為基礎的， 以 基于 DSP 控制的太陽能電池模擬器是可行的。文中 圖4 R 為20 時I out的仿真曲

16、線 2 (下轉第28頁) 江蘇電器 (2007 No.6) 檢測電源電流控制方式在有源電力濾波器中的應用 6 結語 通過對并聯型三相有源電力濾波器數學模型的 建立和檢測電源電流控制方式的并聯型有源電力濾 波器的研究，建立了此種控制方法的數學模型，經 過仿真研究驗證了此種控制方法可以有效地實現諧 波的動態補償，比檢測負荷側電流控制方法有明顯 的優勢，在實際工程中具有應用價值。 圖9 非線性負荷輸入電壓與輸入電流波形 參考文獻 1 姜齊榮，謝小榮，陳建業 . 電力系統并聯補償：結 構原理控制與應用 M.北京： 機械工業出版社， 2004. 2 姜齊榮，趙東元，陳建業.有源電力濾波器：結構 3 4

17、5 6 7 8 原理控制M.北京：科學出版社，2005. 王兆安，楊君，劉進軍，王躍.諧波抑制和無功功 率補償M.北京：機械工業出版社，2006. 任永峰.并聯型有源電力濾波器在諧波治理中的應 用與研究D.包頭：包頭鋼鐵學院，2003. 羅安.電網諧波治理和無功功率補償技術及裝備 M.北京：中國電力出版社，2006. 劉華,傅仲文,余志強.并聯型有源電力濾波器的仿 真研究J. 國外電子測量技術，2006(3). 凌季平.基于單位功率因數檢測方法的有源電力濾 波器的研究D.北京：北京交通大學，2007. 沈小莉.三相有源電力濾波器控制系統的研究D. 重慶：重慶大學，2004. 收稿日期：2007

18、-04-26 圖10 補償后系統輸入電壓與輸入電流波形 從上圖可以看出在0.02 s之前系統電流存在諧 波并且電壓和電流有相位差，0.02 s后并聯型有源 電力濾波器投入使用，經補償系統電流相位和電 網電壓相位基本一致，系統電流波形已接近正弦 波，表明此控制策略的可行性。 (上接第12頁) 以 Visual basic 6.0 為開發環境設計仿真程序，提 出采用四段折線對光伏電池特性曲線進行分段擬合， 運用電流反饋 PI 控制 Buck 電路。并仿真驗證了該 模擬器性能良好，可以很好地模擬光伏電池陣列的 實際輸出特性?？梢杂迷诠夥l電系統研究中代替 實際的太陽能電池。 參考文獻 1 茆美琴，余

19、世杰，蘇建徽 . 帶有 MPPT 功能的光伏陣 列 Matlab 通用仿真模型 J. 系統仿真學報，2005， 17(5)：1248-1251. 2 宋平崗.再生能源系統中太陽能電池仿真器的研究 J電力電子技術，2003，37(4)：42-44. 3 蘇建徽，余世杰，趙為，等.數字式太陽電池陣列模 擬器J.太陽能學報，2002，23(1)：111-114. 4 Zeng Qingrong，Song Pinggang，Chang Liuchen. A photovoltaic simulator based on DC chopper C/Electrical and Computer Engi

20、neering IEEE CCECE. Canadian:Conference，2002：257-261. 5 張熙霖.基于D S P2407的光伏方陣仿真電源的設計與 研究D.北京：中國科學院電工研究所，2004. 6 李紅 . 數值分析 M. 武漢：華中科技大學出版社， 2003. 7 徐鵬威，杜柯，劉飛，等.光伏電池陣列模擬器研究 J.通信電源技術，2006，23(5)：5-8. 8 姜玉春，吳紅燕.P I D控制器參數的整定J.萊鋼科 技，2006(2)：54-55. 收稿日期：2007-03-13 2 1本文由buaasylcy貢獻 pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優先選

21、擇TXT，或下載源文件到本機查看。 江蘇電器 (2007 No.6) 光伏電池陣列模擬器的研究 光伏電池陣列模擬器的研究 唐金成1，林明耀1，張蔚2 (1 東南大學 電氣工程學院，江蘇 南京 210096；2 南通大學 電氣工程學院，江蘇 南通 226007) 摘 要： 根據光伏電池陣列的輸出 I - U 特性，提出了利用四段折線擬合法對該特性曲線進行分段 擬合，并在此基礎上設計了基于B u c k電路的太陽能電池模擬器。模擬器采用輸出電流反饋P I調節，提高 了系統的動態性能以及穩態精度。通過仿真驗證了設計的合理性。 關鍵詞： 太陽能電池模擬器；分段擬合；PI調節；Buck電路 中圖分類號：

22、TM619 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3175(2007)06-0010-03 Research on Solar Array Simulator TANG Jin-cheng, LIN Ming-yao, ZHANG Wei2 （1 College of Electronic Engineering of Southeast University, Nanjing 2006, China; 2 College of Electronic Engineering of Nantong University, Nantong 226007, China） Abstract: Based

23、 on the photovoltaic (PV) arrays output I - U characters, it raises that four lines can be used to imitate the characteristic curve in several sections. The solar array simulator based on Buck circuit is designed. Output current feedback PI control is also used to achieve fast dynamic response and h

24、igh precision of output. The rationality of the design is proved by the results of the simulation. Key words: solar array simulator; partitioned imitation; PI regulate; Buck circuit 0 引言 目前，全球性的能源危機迫使越來越多的國家 1 光伏電池陣列的電氣特性 光伏電池陣列在太陽輻射強度 S 為1 000 W/m 2， 開始重視新能源的研究，光伏發電作為其中很重 要的一種也得到了廣泛研究。但由于光伏電池造 價高，導

25、致研究成本很高，不利于其初期的研究， 因此，很有必要設計一種成本較低，能夠代替實際 光伏電池陣列進行各種光伏實驗的太陽能電池模擬 器。 基于光伏電池陣列的輸出I - U 特性曲線，設計 了一種以B u c k電路為基礎的，基于D S P控制的太陽 能電池模擬器。它可以模擬太陽能電池的輸出特 性，因此能夠替代實際的光伏電池陣列。提出采用 四段折線法對光伏電池陣列的特性曲線進行分段擬 合，同時結合電流反饋PI控制，提高系統的動態性 能以及穩態精度，并進行了仿真驗證。 溫度 為25 條件下的I - U 特性曲線如圖1中曲線所 示1。從圖中可以看出光伏電池陣列是一種非線性 直流電源，在低壓段近似為恒流

26、源，在高壓段特性 曲線非線性加強，因此不能簡單地采用直線對曲線 進行擬合。 實現對光伏電池特性的模擬主要有兩種方法： 查表法2-4和計算法5。查表法是一種較為準確的 方法，但需要事先人工輸入大量數據，工作非常繁 瑣，而且電池參數等數據的獲得也并非易事；使用 計算法擬合曲線舍棄傳統的查表法，誤差較小且無 需太多人為干預，使得系統更為優化、簡單。 采用多段直線 ( 折線 ) 模擬是數學上模擬弧度 較小的曲線時常用的方法。仔細研究圖 1 會發現， 光伏電池陣列的輸出特性在低壓段近似為恒流源， 作者簡介：唐金成(1983- )，女，碩士研究生，研究方向為太陽能光伏發電、電力電子及電力傳動等； 林明耀(

27、1959- )，男，教授，博士，研究方向為可再生能源發電、電力電子及電力傳動、電機及數字控制等。 0 光伏電池陣列模擬器的研究 江蘇電器 (2007 No.6) 經過最大功率點后下降速度加快， 但是弧度較小，故 而可采用四段折線模擬該曲線，如圖 1 中折線所示。 電流 P I 調節器的輸出，改變 D S P 中比較寄存器的 值，產生可變脈寬的 PWM 波，控制主電路的開關器 件，從而實現對光伏電池陣列特性的模擬。 2.2 I ref的確定 以 短 路 電 流 點A ( x 0 ，y 0 ) 為 一 個 端 點 ， 點 B (x 1，y 1)為另一端點，利用數值計算公式6(2)可 以得到從 A

28、點到 B 點的擬合方程。 x -x1 x -x0 Y ( x )= x 0 - x 1 y 0 + x 1- x 0 y 1 曲線的擬合方程。 如圖1所示，端點坐標分別為：A (0，4.5)、 圖1 光伏電池陣列的I - U 特性曲線及其折線模擬 (2) 依次類推，可以得到對整條光伏電池陣列特性 2 模擬器的原理 太陽能電池模擬器能夠模擬實際光伏電池陣列 的I - U 輸出特性。文中設計了一種以Buck直流斬波 電路為基礎，基于DSP控制的太陽能電池模擬器。 2.1 模擬器結構圖 模擬器結構圖見圖2。 2 D 1 1 L B (20 ，4 .45)、C (34 .3 ，4)、D (43 .33

29、 ，3)、 E (52.6 ， 0)。 根據公式(2)對光伏電池陣列的特性曲線進行 了四段擬合，得到以下擬合方程： I 1= -0.002 5 U + 4.5 (U 0，20)； I 2= -0.031 5 U + 5.079 (U 20，34.3)； I 3= -0.110 7 U + 7.798 (U 34.3，43.33)； I 4= -0.323 6 U + 17.023 (U 43.33，52.6)。 輸出電壓經AD采樣后送入DSP控制器后，首先判 斷此時的輸出電壓屬于哪段擬合區間，然后根據相 應的擬合方程計算光伏電池陣列的輸出電流值，將 此電流值作為輸出電流的指令值，即I ref7

30、。 Ui + - D2 2 C R 3 PI控制器參數的整定 太陽能電池模擬器采用的是電流反饋 PI 控制， DSP控制器 光伏曲線 I ref + 擬合電 流給定 輸出電壓采樣 U out 電流PI 調節器 PWM 波生成 輸出電流 反饋 I out 控制原理框圖如圖 3 所示。輸出電流的指令值 I ref 是通過四段折線分段擬合光伏電池特性曲線而得， 它與實際輸出電流反饋值 I out 的偏差通過電流 P I 調節器，形成改變 PWM 占空比的控制量，使輸出電 流 I out 始終跟蹤給定電流 I ref 。 U out 光伏曲線 +- I out 電流PI 擬合電 調節器 流給定 I r

31、ef PWM 波生成 低通 濾波器 負載 圖2 太陽能電池模擬器的結構圖 由圖2可知，該模擬器是以直流斬波電路為基 礎，直流斬波電路為標準的Buck電路。Buck電路的 輸出電壓U out和輸入電壓U i的關系如式(1)所示： Uout = DU i (1) 式中 D 為PWM波形的占空比。 在 DSP 控制系統中，根據采樣到的斬波器的輸 出電壓實時地計算出光伏電池陣列的輸出電流值， 然后將此電流值作為輸出電流的指令值 I ref，同實 際輸出電流值 I out 相減后送入電流 PI 調節器，通過 文中采用試湊法對P I控制器的參數進行了整 定 。首先將積分時間常數T i取零，即取消積分作 用

32、，采用純比例控制。將比例增益 P 由小到大變 化，觀察系統響應，直至系統響應速度變快，且有 一定范圍的超調為止。然后將積分時間常數T i由大 8 江蘇電器 (2007 No.6) 光伏電池陣列模擬器的研究 逐漸減小，積分作用就逐漸增強，觀察輸出會發 現，系統的靜差會逐漸減少直至消除。反復試驗 幾次，直到消除靜差的速度滿意為止。注意，這時 的超調量會比原來加大，應適當的降低一點比例 增益 P 。 4 仿真運行及仿真結果分析 為驗證上述太陽能模擬器設計的合理性，對太 陽能電池模擬器的 D S P 控制系統進行了仿真分析， 以 Visual basic 6.0 為開發環境設計仿真程序。仿 真程序實時

33、計算出 Buck 電路的輸出電壓 U out，根據 電壓值的大小采用四段折線進行分段擬合得到輸出 電流的指令值 I ref，同實際輸出電流值 I out 相減后經 過電流 PI 調節器的控制改變 Buck 電路中開關管的 通斷時間，使 I out 始終跟蹤 I ref，從而實現在特定負 載時 Buck 電路的輸出電壓電流模擬光伏電池陣列的 輸出特性。 在設計的 Buck 電路中， 仿真參數設置為 Ui=100 V， L = 1 000H，C = 470F，開關管的開關頻率為 40 kHz。 通 過 對 PI 控 制 器 參 數 的 整 定 ， 獲 得 比 例 增 益 P =3.5，積分時間常數

34、T i=0.04 s。將仿真參數和PI 控制器參數代入太陽能電池模擬器的通用仿真模 型中，當負載 R =20時，可得到如圖4所示的輸出 電流曲線，當負載 R = 4時，可得到如圖5所示的 輸出電流曲線。由圖4和圖5的仿真結果可以看出， Buck電路能夠在較短的響應時間內穩定在對應于該 負載的工作點輸出，很好地反映了光伏電池陣列的 輸出特性。 仿真分析的最后一步是通過設置不同的負載電 阻值，可以得到一系列的輸出負載工作點數據。將 工作點在對應的 I - U 坐標系中給出，并對比所擬 合的光伏電池陣列的 I - U 特性曲線，可以得到比 較圖如圖 6 所示。圖 6 中曲線為光伏電池陣列的輸 出特性

35、，×” “ 點為太陽能電池模擬器的仿真工作點。 由 B u c k 電路仿真工作點同光伏電池陣列特性曲線 的比較可以看出，采用前述 B u c k 電路、分段擬合 及電流反饋 P I 控制策略可以很好地模擬光伏電池 陣列特性。仿真驗證了系統原理設計的可行性。 圖5 R 為4 時I out的仿真曲線 圖6 I -U 特性曲線與Buck電路仿真工作點對比 5 結論 由上述分析可見， Buck 直流斬波器為基礎的， 以 基于 DSP 控制的太陽能電池模擬器是可行的。文中 圖4 R 為20 時I out的仿真曲線 2 (下轉第28頁) 江蘇電器 (2007 No.6) 檢測電源電流控制方式在有源電力濾波器中的應用 6 結語 通過對并聯型三相有源電力濾波器數學模型的 建立和檢測電源電流控制方式的并聯型有源電力濾 波器的研究，建立了此種控制方法的數學模型，經 過仿真研究驗證了此種控制方法可以有效地實現諧 波的動態補償，比檢測負荷側電流控制方法有明顯 的優勢，在實際工程中具有應用價值。 圖9 非線性負荷輸入電壓與輸入電流波形 參考文獻 1 姜齊榮，謝小榮，陳建業 . 電力系統并聯補償：結 構原理控制與應用 M.北京： 機械工業出版社， 200