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小功率太阳能电池模拟装置的设计

Design of Low- Power PV Simulator         
Abstract :This paper presents design of low-power Digital PV Simulator. This simulator consists of a AC-DC convertor ,a DC-DC converter .The AC-DC convertor change the alternating current into derect current. The DC-DC convertor change the derect current into another derect current of the same characters with PV. This simulator is controlled by a MOTOROLA56f801 dsp control chip. This paper provide a control method of single polarity spwm ,and use the spline method to simulate the characters of the PV.The availability of this control system is verified,and it achieved a satisfying effect.
Key words : PV simulator ; spline method; spwm
摘要:阐述了一种小功率太阳能电池模拟装置。 该模拟装置由AC-DC变换器与DC-DC 变换器组成, AC-DC变换器将交流输入转换成直流电,DC-DC 变换器将该直流电转换成具有太阳能电池输出特性的直流电。采用数字信号处理器MOTOROLA56f801来控制.控制方法采用单极性SPWM法,模拟太阳能电池特性曲线采用三次样条插值算法。该控制方案已经在实验室得到验证,实际效果令人满意。
关键词:太阳能电池模拟装置;三次样条插值;正弦脉宽调制

1 引言
 21 世纪,人类将面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战,在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已成全球热点问题,而能源问题将更加突出。为了解决能源问题,实现可持续发展,只能依靠科技进步,大规模地开发利用可再生洁净能源,而太阳能具有储量大、普遍存在、利用经济、清洁环保等优点,因此太阳能的利用越来越受到人们的广泛重视,成为理想的替代能源。但由于对太阳能的应用目前仍主要处于研究阶段,但许多研发工作不仅需要太阳能电池,而且要将其运用到电力电子变流系统中。在研发环境下,大功率的太阳能电池组非常昂贵,投资大,且实际太阳光辐射持续变化,导致实验室中的太阳能变流系统难以开发和试验,因而严重影响了研发进度。为了能够在实验室内对太阳能供电进行研究,避免太阳能电池在夜间或实验室无足够光照的条件下不能正常工作而无法做实验研究这一弊端,这里提出并开发了太阳能电池模拟装置,用以模拟实际电池的输出特性,替代实际的太阳能电池模块。
本文详细介绍了太阳能电池模拟装置的设计,并对实际光电模块(PV 模块) PWX200-12 进行了模拟试验,给出了不同温度、不同照度下的试验结果。
2 太阳能电池模拟装置的结构及工作原理
2. 1 PV模块电气特性
PV 模块的电气特性可由输出电流电压特性曲线来描述。图1 示出不同照度下PWX500-12 模块的一簇I-V 曲线[1][2] 
 


图1    PWX200-12 模块的I-V 曲线
2. 2 模拟装置系统结构
图2 示出模拟装置结构框图,主要由功率电路和控制电路两部分组成 。
 


图2 太阳能电池模拟装置结构图
功率电路由输入级整流电路,全桥逆变电路以及输出级全波整流电路组成。控制电路由输出电流电压侧检测电路,motorola dsp 56f801以及mosfet驱动电路组成。它根据检测到的模拟器的输出电流,经过AD转换后,计算相应的参考电压V ref ,并与实际检测到的输出电压比较得到参考正弦波 ,然后由56f801的pwm模块发出spwm信号驱动同一桥臂的上下两个mosfet。
2. 3 模拟装置系统工作原理
单相交流电经过整流器变成直流电,再经过全桥逆变器以及全波整流后向负载提供输出,全波整流采用带有中心抽头的降压变压器,使输出电压降低到太阳能电池电压等级上。根据负载电流的大小以及存储在dsp里太阳能电池参考曲线,实时计算太阳能电池的端电压,并与负载电阻上的实际电压比较,再经过PI调节,得到spwm正弦波幅值,并计算spwm占空比,从而改变装置的输出,然后继续采样,比较,直到装置的输出稳定于太阳能电池特性曲线上该负载对应的工作点,从而达到模拟太阳能电池输出的目的。
3 太阳能电池模拟装置的控制方法
3.1 spwm控制方法
模拟装置控制的核心是对逆变器的控制,逆变器采用全桥拓扑。采用spwm控制法,通过改变spwm正弦波幅值来控制输出。根据输出脉冲幅度的变化情况,可分为单极性和双极性调制[3][4]。双极性控制方式输出电压波形有正、负两个电平。而单极性控制方式的输出电压波形有正、零、负三个电平。图3示出了这两种调制方式。
 


图3  两种spwm控制方法
单极性控制方式见图3(a) ,逆变器的两个桥臂分别通过三角载波与两路正弦控制信号(互为反相) 相比较得到四路控制信号,控制4 个功率器件的通断,所有功率管均为高频开关。当对角功率管开通时,逆变桥输出UAB为+ Ud 或- Ud ;当桥臂上部两只功率管或下部两只功率管开通时,逆变桥的输出为零。整个输出电压周期内所得到的是三态输出电压波形。双极性控制方式见图3 (b) ,逆变桥的对角功率管同时开通和关断,两种互补导通,所有功率管均为高频开关。UAB在+ Ud 和- Ud 电平之间切换,整个输出电压周期内所得到的是两态输出电压波形。
由于全桥逆变器先经过全波整流然后再滤波输出,因此如果想通过改变spwm占空比来 改变直流输出的大小,就必须采用单极性控制方式,否则如果采用双极性控制方式经过全波整流之后得到的虽然是一直流但该直流电压大小为逆变器直流母线电压再经过变压器得到的电压,且不能通过改变spwm占空比来进行调节。所以最终确定采用单极性spwm控制方式。控制用的spwm驱动信号由motorola dsp 56f801的pwm电力控制模块提供[5]。
3.2 太阳能电池输出特性的模拟方法:三次样条插值法
在该系统中,为了仿真PV 模块的I-V 特性,模拟装置必须工作在某一点。在该点上模拟装置的输出电压和电流要满足负载特性和PV 模块的I-V 特性,如图4 所示。在任何负载下,负载的静态阻抗特性和I-V 特性都有一个交点,这个点就是模拟装置的理想工作点(如图4 中的A , A 1 , A 2 点) 。
 


图4 模拟装置的工作点
模拟装置控制算法的核心是如何在一特定负载下寻找期望工作点,并使模拟装置工作在这个点上。当模拟装置的负载变化,或者阳光的照度发生变化时,控制算法能够找到新的工作点,并能够快速并精确地使模拟装置运行在这个工作点上。本文提出一种简便且实用的算法以实现模拟装置的控制。该控制方法主要基于三次样条插值法所得到的太阳能电池特性曲线,实时根据采样电流来计算太阳能电池的参考电压,并且使模拟装置的实际输出电压达到参考值。插值法是一种在不知道函数的具体表达式但知道某些点处的函数值或导数值的情况下,用一个在这些点处的函数值或导数值与原函数相等的简单函数来近似代替原函数的方法。当这些点取的合适时,这种近似是非常准确的。三次样条插值法是一种可以保证低次插值光滑性的插值方法。考虑到太阳能电池特性曲线的具体特点(表达式未知且光滑性较好),决定采用三次样条插值法来获得参考曲线。
将模拟装置要模拟的每一条I-V 曲线转换成数据表格存储在motorola dsp 56f801中,再将每条曲线的电压和电流离散化。在实际控制中, dsp测量输出电流值,并根据光照条件选择要模拟的曲线,然后计算出该电流对应的参考电压,再与装置实际输出电压比较后经过PI调节改变正弦波幅值从而改变SPWM占空比以及输出电压,然后继续检测输出电流并继续进行上面的步骤直到装置输出电压在某一负载电阻的情况下几乎与参考电压接近。一旦改变负载电阻,模拟装置能清楚快捷地从数据表中找到期望工作点并运行在这个点上。如何在图4中寻找工作点呢?假设工作点为A1,初始化正弦波幅值为0,则装置输出电压为0,从而输出电流为0,此时的参考电压为Vomax, 实际电压与参考电压的误差为最大,经过PI调节后得到新的正弦波幅值,使得装置输出电压增大一些从而输出电流增大到 ,于是此时参考电压为 ,实际电压与参考电压间的误差减小,再经过PI调节使正弦波幅值继续增大,从而输出电压增大于是输出电流增大到 ,则此时参考电压变为 ,实际电压与参考电压间的误差继续减小。就这样不停的检测计算改变正弦波幅值,直到装置最终运行在期望的工作点A1附近。
4 实验结果
太阳能模拟装置制作完成后,在实验室中对光电模块PWX500-12 在不同照度条件下进行模拟试验。模拟的光照条件为。在进行模拟装置试验时,输出端接有一可变电阻箱,电阻作为系统负载。通过改变电阻值,测量相应的输出电压,得到一系列工作点,标注在I-V 坐标上,将这些点连成一条曲线得图5,与PWX500-12 理想特性曲线比较,清楚地表明模拟装置稳定且精确。
 


图5,三种不同照度下模拟器输出特性曲线
5 结论
本文所描述的太阳能模拟装置是可行的。运用motorola dsp 56f801 微处理器控制,可使系统具有较高的精度,可用来模拟光电模块的I-V 特性,模拟装置设计制作均在实验室中完成,并对照商业光电模块PWX500-12 ,在不同的条件下进行了试验,结果证明模拟装置可以精确地模拟光电模块,可用于再生能源系统的研究中。


参考文献
[1] Komp R J . Practical Photovoltaics Electricity from So1arCells[M] . Aatec Publications ,1995
[2] Solarex. VLX Value Line Photovoltaic Modules [ Z] . So2larex ,1996.
[3] 刘树林, 刘 健, 严百平. 单相逆变器SPWM 控制的新方法[J ]. 电力电子技术, 1998, 32 (4) : 96~ 98.
[4] 胡兴柳,刘德华. 正弦脉宽调制技术在逆变器中的研究与应用. 通信电源技术 2004(4)
[5] DSP5680 Digital Signal Processor Family Manual.Rev.1.00 Motorola Inc,2001

作者简介:陈建勇 男, 1981年出生,陕西安康人,汉, 硕士生, 研究方向为能源变换和电力电子。
EMAIL:chenjianyong1981@sohu.com、
廖晓钟 女,1962年生,教授, 博士生导师,研究方向为电力电子和机电控制。
通信地址: 100081北京理工大学信息科学技术学院自动控制系控制理论与控制工程专业03硕1班 陈建勇


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