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。
 

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