一種人機交互式光伏陣列模擬器的設計

王萬樂，宋 健，謝云興，公茂法，魏景禹

(1.山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東青島266590；2.國網山東電力東營供電公司，山東東營257091)

一種人機交互式光伏陣列模擬器的設計

王萬樂1，宋 健2，謝云興2，公茂法1，魏景禹1

(1.山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東青島266590；2.國網山東電力東營供電公司，山東東營257091)

為解決真實光伏陣列給研究造成的諸多限制，提出一種人機交互“雙工作模式”的數字式光伏陣列模擬器。介紹了整個模擬器系統的設計方案，通過人機交互界面實現靜態和動態模擬光伏陣列任意條件下的輸出特性，增加了操作的多樣化和可視化。實驗表明，該模擬器可以在實驗室環境下較為精確地模擬任意條件下的光伏陣列輸出特性，可以取代真實的光伏陣列進行實驗研究。

光伏電池；模擬器；仿真；人機交互界面；雙工作模式

Abstract:To solve the limitations of the actual photovoltaic array to the research,a digital photovoltaic array simulator based on the"double working mode"of human computer interaction was proposed.The design methods of the simulator system were introduced.The static and dynamic simulation output characteristics of photovoltaic array under any conditions could be realized by human-computer interaction interface.And the diversity of the operation and visualization could be increased.The experimental results show that the simulator in laboratory environment can accurately simulate the output characteristics of the photovoltaic array under different conditions,and can replace the real photovoltaic array for experimental research.

Key words:photovoltaic cells;simulator;simulation;human-computer interaction interface;double working mode

近年來，作為新能源的太陽能已經成為各國緩解能源危機，促進節能減排的有效方式。現今對太陽能的利用主要集中在光伏發電領域，在光伏發電系統的研發過程中不可避免地要利用光伏陣列作為原材料進行實驗，但真實的光伏陣列不僅成本高、控制難、占用體積大，而且其輸出特性受天氣、溫度、光照等一系列外部因素影響較大，很難達到預期的實驗與測量效果[1-3]。光伏陣列模擬器可以模擬真實光伏陣列在任意溫度、光照強度下的輸出特性從而可以取代真實光伏陣列進行實驗，不僅可以降低成本、方便調試，而且提供“全天候”條件下的光伏陣列模型，有效地促進了系統的研發效率，縮短了研發周期。本文介紹了一種“雙工作模式”人機交互的數字式光伏陣列模擬器的設計方案，并進行了仿真實驗和實驗驗證，證明了設計方案的可行性。

1 光伏電池的工程數學模型

光伏電池是一種基于半導體材料光生伏特效應，具有將太陽能轉換成電能輸出的半導體器件。當沒有陽光照射時光伏電池的輸出幾乎為0，所以可以近似地把它看成P-N結型二極管，當有陽光照射時導通產生電流，其等效電路如圖1所示[4-5]。

圖1 光伏電池等效電路

然而在實際的工程應用中為了便于分析計算，光伏電池輸出特性的數學模型通常由標準條件(光照強度Sref=1000 W/m2，環境溫度Tref=25℃)下的開路電壓Voc，短路電流Isc，最大功率點電壓Vm及最大功率點電流Im來確定。其I-V輸出特性曲線表達式[6]：

式(1)描述了在標準條件下的I-V輸出特性。根據修正后的Voc，Isc，Im可以得到任意溫度和光照強度下的輸出特性，具體表達式為：

式中：ΔS為實際光照強度與標準光照強度差，ΔS=S/Sref－1；ΔT為實際溫度與標準溫度差，ΔT=T－Tref；系數α、β、γ的典型值為：α=0.0025，β=0.5、γ=0.0028。

2 光伏陣列模擬器的系統設計

2.1 系統結構及工作原理

本文設計的數字式光伏陣列模擬器由STM32F103ZET6為核心的控制電路和DC/DC半橋變換的主功率電路及上位機LabVIEW人機交互界面共同組成，系統結構框圖如圖2所示。

圖2 光伏陣列模擬器的系統結構框圖

由圖2可見，工頻交流市電經過整流、濾波后得到穩定的直流電，用來滿足DC/DC變換電路工作的需要。DC/DC變換采用半橋變換，高頻變壓器采用非晶鐵心材料，通過輸出濾波向負載供電。首先通過LabVIEW上位機人機交互界面設置光照強度、環境溫度和工作模式等參數，根據己有的光伏電池工程數學模型，得到所需要的任意條件下光伏電池輸出I-V特性曲線。采樣電路采集負載兩端的電壓和電流經過信號調理模塊將信號反饋給STM32F103ZET6控制器。控制器通過RS232接受上位機發送的指令，根據采集到的電壓、電流值產生合適的占空比信號通過PWM驅動電路控制半橋電路的兩個IGBT開關，使模擬器的輸出穩定于光伏電池預設的輸出特性曲線上該負載對應的工作點，從而實現光伏電池的模擬輸出。

2.2 光伏陣列模擬器的控制方案

光伏陣列模擬器控制原理框圖如圖3所示。

圖3 光伏陣列模擬器控制原理框圖

本文所設計的模擬器采用的是電流控制型雙閉環控制方案[7]。系統在正常工作時電壓環處于開環的狀態，電壓的變化不會使電壓環動作。當負載輸出的電壓Uout大于給定電壓Uref時，電壓環動作通過鎖存PWM驅動信號的輸出實現將負載輸出電壓Uout限制在給定電壓Uref之下。

當系統正常工作時，首先，通過設置上位機條件參數得到所需要模擬的光伏陣列輸出特性曲線。然后通過STM32F103ZET6的模數轉換器實時地采樣負載輸出的電壓和電流。采樣得到的電壓值根據所需模擬的光伏陣列輸出特性曲線實時計算得到所對應的電流值，將該電流值作為電流環的給定電流Iref。它與實際采樣所得的負載電流值進行比較，并將誤差傳送到電流PI調節器。誤差信號經電流PI調節器處理后產生PWM信號來控制開關管的動作，從而負載電流可以跟蹤指令給定電流Iref。從而在負載一定的情況下，可以實現模擬器的電壓、電流符合所需模擬的光伏陣列輸出特性。

3 上位機LabVIEW人機交互界面設計

目前光伏模擬器普遍存在的問題就是人機交互界面不夠完善，可視性比較差，給研究和開發人員帶來不便。本次設計采用LabVIEW進行上位機人機交互界面編程，一定程度上優化和完善了人機交互界面[8]。

3.1 人機交互界面的功能介紹

本文所設計的人機交互界面可以實現的功能包括模擬器輸出電壓電流和功率的實時顯示、光伏陣列模擬特性參數的設置及工作模式選擇、上位機和下位機串口通信設置、輸出特性波形顯示。極大地提高了系統采集數據、分析結果、監視過程的靈活性，增加了系統控制的可視化、多樣化，實現了模擬器實時監控、采集并顯示I-V、P-V曲線，并且具有存儲功能，方便進行回看數據，具體界面如圖4所示。

圖4 LabVIEW人機交互界面

3.2 人機交互界面“雙工作模式”的功能實現

光伏陣列模擬器上位機的主要任務是實時顯示工作狀態數據和負載工作點曲線。本文模擬器上位機可以實現“雙工作模式”，具體實現過程如下：

(1)靜態工作模式

該模式主要用來模擬給定溫度和光照強度不變的光伏陣列I-V輸出特性。通過在上位機人機交互界面設置需要模擬的光照強度和溫度，上位機根據已知的光伏陣列特性，結合式(1)，式(2)產生需要模擬的特定環境下的光伏陣列輸出特性曲線。通過上位機與下位機之間的數據通信把上位機產生的光伏陣列輸出特性曲線下載到下位機控制系統中，同時上位機接受下位機發送的電壓電流及功率數據，并在人機交互界面實時地顯示，便于直接觀察。

(2)動態工作模式

該模式主要用來模擬一天或者一段日期的動態光伏陣列I-V輸出特性曲面。該模式與靜態工作模式的實現方式類似，主要區別在于光照強度和溫度隨著時間不斷發生變化，故通常選取比較有代表性的一段時間的平均光照強度與溫度，通過最小二乘法擬合出光照強度與溫度隨時間變化的公式，借此求出任意時間點的光照強度與溫度，從而建立光伏陣列輸出特性與時間的關系，軟件配有動態的圖像和數據顯示功能，能夠直觀的反映出光伏陣列的輸出I-V曲面。動態工作模式可以方便于研究和開發人員觀察一段時間下光伏陣列輸出特性的動態變化，可以作為設計的參考，并進行相應的實驗。

4 光伏陣列模擬器系統的Matlab仿真分析

為了更加直觀地驗證上述光伏陣列模擬器設計的合理性，在Matlab的Simulink環境下，依據設計方案建立模擬器系統仿真模型[9]，如圖5所示。系統輸入的直流電壓設定為180 V，半橋式DC/DC拓撲電路的具體參數如下：L=300 μH，C=450 μF，開關管的開關頻率為20 kHz，R=20 Ω。

圖5 基于Simulink的系統仿真模型

在標準狀況下(S=1000 W/m2，T=25℃)，可得到如圖6負載R的電流曲線。

圖6 標準條件下負載電流仿真曲線

由圖6可知，系統軟啟動期間負載電流由零平滑上升，在0.12 s時達到穩態。由此可得模擬器系統可以在短時間內追蹤并穩定在該負載對應的工作點，很好地復現了光伏陣列的輸出特性。

圖7為負載輸出電流跟隨環境參數變化的情況。在t=0.7 s時，環境參數發生突變(S=800 W/m2，T=20℃)，負載輸出電流也從8.7 A降至7.1 A，系統從穩態工作點快速過渡到新的工作點，并保持平穩，穩態后波動較小，展現了良好的動態響應能力。

圖7 環境條件變化時的負載電流仿真曲線

5 實驗結果

本文設計的模擬器可以實現動態、靜態“雙工作模式輸出，可以在LabVIEW人機交互界面選擇工作模式及設定需要模擬的參數，通過改變負載大小來模擬光伏陣列的I-V輸出特性。通過上位機LabVIEW與下位機STM32F103ZET6通信(通信設置波特率為9600 bps，并且每隔1 ms進行數據交換)，記錄系統穩定時負載工作點的電壓、電流數據。在動態工作模式下模擬一天內的I-V輸出特性曲面如圖8所示，從圖8中可以清晰地看出一天內光伏陣列輸出特性的變化，便于選擇具體時間段進行相應的實驗；在靜態工作模式設置光照強度為S=1000 W/m2，環境溫度為T=25℃繪制I-V特性曲線，如圖9所示，圖9中實線為設定的環境條件下對應的I-V輸出特性曲線，記錄系統穩定時的負載電流電壓，以散點標記在圖中。分析圖9中實線與散點的分布可得，在靜態工作模式下模擬器比較精確地實現了模擬光伏陣列的I-V輸出特性，可以取代真實的光伏陣列用于發電系統的實驗和研發中。

圖8 動態模擬一天內的I-V特性輸出曲面

圖9 靜態模擬I-V特性曲線擬合圖

6 結束語

提出了一種以STM32F103ZET6作為主控制器，LabVIEW搭建上位機人機交互界面的數字式光伏陣列模擬器。通過人機交互界面與下位機操作系統的有機結合，較為精確地實現了動態和靜態“雙模式”模擬光伏陣列輸出特性，很好地解決了傳統模擬器動態響應速度慢、人機交互界面不夠完善、可視程度不足的缺點。極大地方便了光伏發電系統開發人員的研發工作，實用性較強。

[1]賀素霞.基于TMS320F28335的太陽電池模擬器的設計和研究[J].電源技術，2015，39(5)：953-954.

[2]SOLODOVNIK E V，LIU S，DOUGAL R A.Power controller design for maximum power tracking in s olar installations[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19(5)：1295-1304.

[3]袁振，孫培德.基于S3C2440數字式光伏陣列模擬器設計[J].電源技術，2014(11)：2085-2087.

[4]WANG N C，XU Q S.Model of SPG1786T-02E photovoltaic module in matlab simulink[J].IEEE Trans on Energy Conversion，2007，22(2)：439-449.

[5]趙樂，張彥曉.基于Simulink光伏電池建模及其輸出特性仿真研究[J].現代電子技術，2014(10)：156-157.

[6]蘇建徽，余世杰，趙為．數字式太陽電池陣列模擬器[J].太陽能學報，2002，23(1)：104-114.

[7]杜柯，段善旭，劉飛．基于Matlab的一種光伏陣列模擬器的研究[J].通信電源技術，2006，23(3)：8-10.

[8]章佳榮，王璨，趙國宇．精通LabVIEW虛擬儀器程序設計與案例實現[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[9]茆美琴，余世杰，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.

Design of human-computer interactive photovoltaic array simulator

WANG Wan-le1,SONG Jian2,XIE Yun-xing2,GONG Mao-fa1,WEI Jing-yu1
(1.College of Electrical Engineering and Automation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao Shandong 266590,China;2.Shandong Power Supply Company of Dongying,Dongying Shandong 257091,China)

TM 914

A

1002-087X(2017)09-1322-03

2017-02-12

王萬樂(1993—），男，山東省人，碩士，主要研究方向為電力系統及其自動化。