直流微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中數(shù)字式光伏模擬器的研究與開(kāi)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(wèn)題，許多國(guó)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(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的。可再生能源包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能等，其中太陽(yáng)能和風(fēng)能應(yīng)用極其廣泛，尤其我國(guó)幅員遼闊，東西和南北跨度都在5000km以上，擁有豐富的太陽(yáng)能資源、風(fēng)能資源，具有很好的開(kāi)發(fā)前景，相信對(duì)于緩解當(dāng)前能源與環(huán)境的壓力具有重要意義。微電網(wǎng)，也被稱(chēng)為分布式能源孤島系統(tǒng)，將發(fā)電機(jī)、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置及控制裝置等系統(tǒng)地結(jié)合在一起，形成一個(gè)單一可控的單元，同時(shí)向用戶(hù)供給電能和熱能。將光伏等發(fā)電和蓄電池等儲(chǔ)能裝置通過(guò)DC／DC變換器與直流母線(xiàn)相連的系統(tǒng)，稱(chēng)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(xiàn)之間僅有一級(jí)電壓變換裝置，系統(tǒng)建設(shè)成本低，控制上容易實(shí)現(xiàn)，且不用考慮各發(fā)電設(shè)備之間的同步問(wèn)題，在環(huán)流抑制上更具有優(yōu)勢(shì)。

在直流微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究中，如果以真實(shí)的太陽(yáng)能電池和風(fēng)機(jī)作為研究對(duì)象，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)會(huì)受到自然環(huán)境的嚴(yán)重影響，首先太陽(yáng)能電池板價(jià)格昂貴，且大功率光伏模塊需要很大的占地面積，其次太陽(yáng)能電池受太陽(yáng)光照及溫度影響，輸出特性曲線(xiàn)會(huì)有很大變化，而這些影響完全是隨機(jī)的，不可控因數(shù)的增多讓整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)陷入困境，因此，提出了一個(gè)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(cè)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(guò)對(duì)光伏仿真模型的跟蹤，設(shè)計(jì)了一個(gè)輸出功率為500W左右的光伏模擬器，仿真驗(yàn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2 光伏陣列輸出仿真模型

太陽(yáng)能電池的基本特性和二極管類(lèi)似，當(dāng)半導(dǎo)體材料吸收光能后，由光子激發(fā)出電子—空穴對(duì)經(jīng)過(guò)分離就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，其等效電路如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)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(duì)大量太陽(yáng)能電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［1]，該模型可以保證與實(shí)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(diǎn)的電壓和電流；Voc、Isc為模塊的開(kāi)路電壓和短路電流。代入Isc、Voc、Im、Vm，就能得到標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(qiáng)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(cè)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(dāng)光伏電池溫度為25℃，光照強(qiáng)度分別為1000、850、700、500W／m2時(shí)的 I－V 特性曲線(xiàn)，圖 2（b）所示為當(dāng)光照強(qiáng)度為1000W／m2，光伏電池溫度分別為55℃、40℃、25℃、10℃時(shí)的 I－V 特性曲線(xiàn)。

由圖2可知，光伏模塊的輸出特性與光照強(qiáng)度和電池溫度有關(guān)。當(dāng)溫度不變時(shí)，隨著光照強(qiáng)度的增大，光伏模塊開(kāi)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(dāng)光照強(qiáng)度不變，隨著電池結(jié)溫的升高，光伏模塊開(kāi)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(xiàn)

3 光伏模擬器的設(shè)計(jì)及其跟蹤策略

3.1 模擬器結(jié)構(gòu)及硬件電路設(shè)計(jì)

圖3所示為模擬器的設(shè)計(jì)原理圖，將市電進(jìn)行整流后輸入Buck或半橋變換器（小功率開(kāi)發(fā)時(shí)用Buck變換器，大功率用半橋變換器），由DSP28335檢測(cè)負(fù)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(jì)算出PWM驅(qū)動(dòng)波形，控制主電路中的MOS管的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)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T(mén)MS320F28335，因其具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，且內(nèi)存優(yōu)于TMS320F2812，更適合逐點(diǎn)差值法跟蹤光伏曲線(xiàn)，具有精度高、速度快、集成度高等特點(diǎn)，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(fù)責(zé)采集，采集后經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路送入DSP，DSP則根據(jù)設(shè)定的算法對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行處理，輸出PWM波形。PWM波形經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制MOSFET的開(kāi)通或關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)符合光伏模塊的輸出特性的電壓及電流輸出，簡(jiǎn)單的講，光伏模擬器就是特殊的開(kāi)關(guān)電源，只不過(guò)其輸出符合光伏特性而已。

系統(tǒng)硬件包括功率電路、檢測(cè)電路及驅(qū)動(dòng)電路。其中功率電路設(shè)計(jì)時(shí)，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(yàn)，選用470μF，而電感的選擇則是考慮到Buck電路的續(xù)流問(wèn)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(dāng)電感電路連續(xù)時(shí)，滿(mǎn)足以下條件：

其中

當(dāng)滿(mǎn)足上述條件時(shí)，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(shí)，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(jì)算得L≈0.1mH，本系統(tǒng)最大占空比為0.598，用D＝0.59帶入，計(jì)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(shí)，在主電路中加入了緩啟動(dòng)環(huán)節(jié)，防止對(duì)整個(gè)電路產(chǎn)生沖擊。

檢測(cè)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(guò)保護(hù)設(shè)計(jì)，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(duì)輸出進(jìn)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(hù)功能，中間加入一級(jí)絕對(duì)值電路，調(diào)理及保護(hù)電路分別如圖4、5所示。隔離驅(qū)動(dòng)電路中，選用HCPL-3120光耦隔離PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，MOS管用IRF460，MOS管并聯(lián)MBR20200肖特基二極管，具體驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

3.2 模擬器跟蹤算法設(shè)計(jì)

圖4 電壓采樣調(diào)理電路

整個(gè)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(diǎn)的確定，而模擬器的工作點(diǎn)則是光伏輸出特性和所帶負(fù)載特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)，不同的負(fù)載，伏安特性不同，與光伏陣列輸出特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)也不同，控制模塊通過(guò)一定的算法，迅速找到這些工作點(diǎn)，并讓整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定在該工作點(diǎn)上，且負(fù)載變化時(shí)，或光伏曲線(xiàn)變化時(shí)，模擬器應(yīng)該能迅速找到新的工作點(diǎn)并穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)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(jí)MPPT電路是衡量光伏模擬器的一個(gè)重要指標(biāo)。而本系統(tǒng)研究的是直流微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)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(xiàn)，直流母線(xiàn)上還接有蓄電池、超級(jí)電容等儲(chǔ)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(jì)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(diǎn)。

圖5 直流過(guò)壓保護(hù)電路

圖6 PWM隔離驅(qū)動(dòng)電路

而對(duì)于光伏特性曲線(xiàn)與負(fù)載特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)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(xiàn)用折線(xiàn)替代，因?yàn)楣夥嚵械哪Ｐ褪且粋€(gè)復(fù)雜的函數(shù)，如果在控制器里編程則會(huì)涉及到多次對(duì)數(shù)運(yùn)算，對(duì)于DSP等控制器來(lái)說(shuō)完成對(duì)數(shù)運(yùn)算難度太大，用多點(diǎn)折線(xiàn)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(xiàn)。這樣，只要測(cè)得負(fù)載電阻，擬合曲線(xiàn)與負(fù)載特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)將很容易得到，再利用閉環(huán)或者開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)，就可以實(shí)現(xiàn)光伏曲線(xiàn)跟蹤。另一種方法是將光伏特性曲線(xiàn)離散化，然后通過(guò)迭代法實(shí)現(xiàn)向光伏曲線(xiàn)的逼近，常見(jiàn)的迭代法有差值法、牛頓下山法等。當(dāng)然，如果有強(qiáng)大的上位機(jī)支持，查表法不失為最準(zhǔn)確的一種方法，且查表法的光伏數(shù)據(jù)可直接來(lái)自于光伏電池的測(cè)量，這樣模擬器的工作將更為真實(shí)。但不同型號(hào)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(chǎng)合，否則一般不采用這種方法。本系統(tǒng)所選用的是逐點(diǎn)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(zhǎng)，相同的迭代函數(shù)依次進(jìn)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(fù)載特性曲線(xiàn)交于P0點(diǎn)，此時(shí)負(fù)載的電壓為U0，U0所對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池陣列特性曲線(xiàn)上的點(diǎn)為Q0點(diǎn)，則下一次的指令電流為I1＝I0+λ（f（U0）-I0），其中，f（U0）為太陽(yáng)能電池陣列的數(shù)學(xué)物理模型，λ是迭代步長(zhǎng)，一般取0.1，指令電流I1與負(fù)載伏安特性交于P1，此時(shí)負(fù)載電壓為U1，U1所對(duì)應(yīng)光伏陣列伏安特性 Q1點(diǎn)，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(fù)載工作點(diǎn)為 P0、P1、P2……P＊，最終收斂在太陽(yáng)能電池陣列的負(fù)載工作點(diǎn)，迭代步長(zhǎng)越大，收斂越快，步長(zhǎng)越小，穩(wěn)定性和精度越高。具體負(fù)載工作點(diǎn)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(xiàn)化［3]，根據(jù)曲線(xiàn)的特性，利用最小二乘法實(shí)現(xiàn)5段折線(xiàn)擬合給定I-V曲線(xiàn)，端點(diǎn)坐標(biāo)分別取：（0，8.15）、（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(diǎn)跟蹤示意圖

如圖8所示為光伏模擬器擬合曲線(xiàn)。由圖8可知，擬合后的折線(xiàn)與模型曲線(xiàn)相差很小，可以滿(mǎn)足模擬器的精度要求。經(jīng)過(guò)擬合，原本復(fù)雜的函數(shù)變?yōu)橐粋€(gè)分段線(xiàn)性函數(shù)，對(duì)擬合曲線(xiàn)與負(fù)載特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)主要用以下三種方法：一是開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)，即直接計(jì)算得擬合曲線(xiàn)與負(fù)載特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)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(jiǎn)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(dòng)，因此一般只是在調(diào)電路初期使用；二是直接計(jì)算得擬合曲線(xiàn)與負(fù)載特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)電壓，但是控制上采用閉環(huán)控制，就是將指令電壓與實(shí)際輸出電壓的差值通過(guò)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(fù)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(diǎn)附近，光伏輸出接近恒流，因此適合進(jìn)行電流跟蹤，在開(kāi)路電壓點(diǎn)附近，電壓的變化量較小，適合于電壓跟蹤，同時(shí)當(dāng)內(nèi)環(huán)為電流指令調(diào)節(jié)時(shí)，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(xiàn)

圖9 光伏模擬器控制流程圖

4 實(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān)頻率為20kHz。仿真運(yùn)行了開(kāi)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(shí)進(jìn)行了MPPT接入后的仿真試驗(yàn)，并繪制了輸出的擬合曲線(xiàn)，在開(kāi)環(huán)條件下，負(fù)載由10Ω經(jīng)過(guò) 0.01s躍變?yōu)?6.657Ω（最大功率點(diǎn)電阻）。研究發(fā)現(xiàn)，該控制控制簡(jiǎn)單，跟蹤速度快，但是系統(tǒng)穩(wěn)定效果差，且受到輸入波動(dòng)的影響，系統(tǒng)精度不是很高。在閉環(huán)條件下，負(fù)載由10Ω經(jīng)過(guò)0.01s躍變?yōu)?.657Ω，研究發(fā)現(xiàn)，與開(kāi)環(huán)相比，穩(wěn)定性得到一定的提高，跟蹤速度稍慢于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)精度與開(kāi)環(huán)相比也得到一定的改善。

最后仿真研究了該項(xiàng)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(jiàn)，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(fù)載躍變后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間約為0.002s左右，系統(tǒng)初始 R＝10Ω 條件下 0.005s達(dá)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(diǎn)（47.6V，7.15A）。

根據(jù)以上模型，改變負(fù)載電阻，得到光伏模擬器的多個(gè)工作點(diǎn)，繪制出光伏模擬器的真實(shí)輸出特性曲線(xiàn)，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(shí)現(xiàn)光伏特性的輸出，給出了主電路及檢測(cè)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)光伏模擬器的實(shí)時(shí)跟蹤。實(shí)驗(yàn)證明，該模擬器電壓和電流穩(wěn)定值與模型的誤差完全滿(mǎn)足本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)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(xiàn)

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