基于TMS320F2812和BUCK电路的光伏阵列模拟器＊

周华安，王海鸥，孟志强，曹龙益

（1.湖南大学 机械与运载工程学院，湖南 长沙 410082；2.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082）

光伏阵列模拟器可以代替实际光伏阵列装置用于实验室研究光伏系统负载能力与性能，因此，光伏模拟器的研究已成为近十年国内外的研究热点[1－3].

光伏阵列模拟器的研究内容主要集中在3个方面：1）研究模拟算法，主要算法包括弦截法、数值迭代法和逐点逼近法等[4－5].其中，弦截法需要求解复杂的超越方程，运算量大.数值迭代法与逐点逼近法的性能与逼近步长的大小密切相关，大步长的算法收敛速度快，但精度差、超调大；小步长的算法稳定性较好，但动态响应速度慢.2）研究模拟器的实现技术，大多用DSP和FPGA等数字控制器作为模拟器的控制器，采用现代电力电子电路作为模拟器的主电路[6－8].3）建立光伏阵列的仿真模型，通过仿真验证模拟器的效能[8].

本文采用TMS320F2812DSP作为控制器，使用IGBT作为BUCK电路的主开关，研究与设计了一台能实现最大短路电流5A，最大开路电压50V，最大光伏输出功率150W的光伏阵列模拟器样机，并提出了一种新的模拟算法.该模拟算法实时采集模拟器负载电流和电压，将负载电压值代入光伏特性工程数学模型，根据选定的光伏环境条件计算参考电流，用负载电流与参考电流的差值产生控制电压，生成BUCK开关占空比d，调节模拟器输出电压，使模拟器工作点逐点逼近光伏阵列I－V特性的参考工作点，实现对光伏阵列输出特性的模拟.MATLAB仿真和实验结果表明，模拟器能准确跟踪参考工作点，并且超调小于4%，稳态误差小于1%，逼近过程的振荡小，能实现光伏阵列在多条件下完整的I－V特性曲线模拟.

1 光伏阵列的特性与工程数学模型

光伏阵列的特性与工程数学模型是研究与设计光伏模拟器的理论基础.模拟器的基本工作原理就是通过控制BUCK电路主开关的占空比，调节其输出电压与电流尽可能接近于光伏阵列输出I－V特性曲线上对应点的电压与电流，从而实现对不同光照量S和环境温度T条件下的不同光伏阵列输出I－V特性曲线的模拟.

标准测试条件（环境温度Tref＝25℃，光照量Sref＝1 000W／m2）下，光伏阵列的输出电流I对输出电压V的特性曲线可写为[7－8]：

式中：Isc为短路电流；Voc为开路电压；Im为最大功率点电流；Vm为最大功率点电压；C1和C2为特征系数.这些参数都会随光照量S或环境温度T变化而变化，使光伏阵列拥有不同的输出I－V特性曲线.在工程上，使用式（4）～（9）近似计算实际环境条件下的短路电流Iscs，开路电压Vocs，最大功率点电流Ims和电压Vm.

式中：系数a＝0.0025／℃；b＝0.5；c＝0.002 88／℃；ΔS和ΔT分别为实际条件与标准测试条件的光照量差和温度差.公式（1）～（9）构成光伏阵列的工程数学模型.

对于已知的S和T，光伏阵列的输出电流I和输出电压V的关系可表示为：

图1为本文使用的光伏电池板在不同光照与温度下的I－V特性曲线.

2 模拟器及其工作原理

2.1 模拟器结构

模拟器结构如图2所示.图2中，降压变压器将单相50Hz，220V交流电降压；二极管全波整流电路完成整流；Ld和Cd组成纹波滤波器，输出60V的直流电压E；IGBT管T1和二极管D1组成BUCK电路，在DSP控制下输出占空比为d（0≤d≤1）的PWM直流电压，其平均值为dE；L和C为输出滤波器，滤除高次谐波，产生输出电压V，对应输出电流I.图中虚线框内的R1和R2为模拟器负载电阻，由DSP控制T2的导通与关断可以模拟负载突变；VI为电流检测变换模块，VV为电压检测变换模块，它们的输出送入DSP的内部A／D转换器，实现负载电流与电压的实时采集；DR1和DR2分别为T1和T2的控制信号隔离驱动模块，DSP输出的控制信号经DR1和DR2隔离后施加到T1和T2的控制极.PC机通过Study－USB2.0仿真器与DSP通信，用于选择被模拟的环境条件和上传模拟器运行数据，在PC机上显示.

图1 不同光照和温度下的光伏电池板I－V特性曲线Fig.1 I－Vcharacteristic curves of Photovoltaic cell for different illumination and temperature

图2 模拟器结构示意图Fig.2 The schematic diagram of simulator structure

2.2 模拟器工作原理

模拟器能够模拟光伏阵列在不同环境条件和不同负载下的输出特性，不管是哪种情况的模拟，其基本原理相同.因此，本文用负载突变来描述模拟器的工作原理.

模拟器的算法原理如图3所示，实曲线为光伏阵列的输出I－V特性，2条射线分别代表模拟器负载为R1和R2的负载特性.假设交点A为模拟器的初始稳定工作点，即模拟的起始工作点，则对应负载为R1；交点B是负载从R1变为R2后模拟器需跟踪的工作点，对应负载为R2.

当负载稳定于R1时，开关T1的占空比为d，对应光伏阵列和模拟器的输出电压为Va，输出电流为Ia.当负载突变为R2时，占空比保持不变，模拟器输出电压保持不变，但输出电流由Ia变为Ia’，如图3中A，点所示，产生模拟器输出电流与光伏特性电流之差ΔI＝Ia－Ia’.取

式中：k为控制电压调整系数，当负载电阻增大时，其符号为“＋”，反之为“－”.仿真与实验结果表明，当k＝0.3（V／A）时，可以获得最佳模拟性能.

图3 模拟算法原理图Fig.3 The Schematic diagram of simulation algorithm

依据式（11）调节T1的占空比，使模拟器输出电压增大到Vc，输出电流为Ic，，对应Vc的I－V特性C点的电流Ic＝f（Vc），有电流差ΔI＝Ic－Ic，.将该电流差代入式（11），并用Vc代替Va，重复上述工作，会使模拟器输出电压逐渐逼近I-V特性上的B点电压Vb，负载电流逼近B点对应的I－V特性电流Ib，使模拟器工作于图3中B点，实现模拟跟踪.由上述工作原理可知，该算法与传统弦截法、数值迭代法、逐点逼近法不同的特征在于逼近步长受模拟器实际输出电流与光伏特性电流之差的控制，具有逐渐变小的特点.基于上述模拟算法的模拟器控制框图如图4所示.

图4 模拟器控制框图Fig.4 The block diagram of control for the simulator

将DSP实时采样负载电压V，代入光伏阵列参考模型，得到对应特性曲线的电流Iref.Iref与实际负载电流I比较，其差值ΔI经电流调节器和电压调节器处理后生成PWM信号发生器的控制电压Vd，PWM信号发生器输出BUCK电路的控制信号，改变BUCK开关导通占空比d，调节负载电压与电流.一旦Iref与I的差值ΔI保持在允许阈值ΔI0范围内，控制电压Vd与负载电压V的差值保持在允许阈值ΔV0范围内，就不再进行占空比调节，实现了模拟跟踪.

用下标n表示第n个采样时刻，则PWM信号发生器的控制电压Vd可表示为：

2.3 模拟算法流程图

模拟器运行过程包括系统初始化和跟踪模拟2个阶段.初始化阶段建立BUCK电路的初始稳定运行条件.一旦负载发生变化，或给定的光伏环境参数发生变化，模拟器就以变化前的稳定负载电压和电流实际值作为算法运行初值，进入跟踪模拟阶段.算法中设定ΔI0＝0.1A，ΔV0＝0.5V，同时对负载电压、电流的采样值采用20点的平均值滤波算法，既实现跟踪模拟，又降低BUCK电路的调节频率.算法流程如图5所示.

3 仿真与实验

3.1 仿真与实验的环境条件

根据图2所示模拟器结构和图5的模拟算法，建立了如图6所示的Simulink仿真模型，并制造了一台模拟器样机，仿真与实验的环境条件为如下2种情况：①S＝850W／m2，T＝30℃.②S＝1 020 W／m2，T＝32℃.

图5 算法流程图Fig.5 The flow chart of algorithm

3.2 仿真与模拟实验结果

条件①的仿真和模拟实验波形分别如图7和图8所示，负载由20Ω突变为40Ω.

条件②的仿真和模拟实验波形分别如图9和图10所示，负载由25Ω突变为12Ω.

由图7～～图10可知，模拟器实际运行特性与仿真结果非常吻合，模拟器算法能够快速、精确地模拟各种不同条件的光伏阵列输出I－V特性，能够在不到80ms的时间内实现跟踪，且系统稳定性好.

3.3 算法对比实验结果

为了验证本文算法的有效性，在模拟器样机上进行了传统逐点逼近法与本文算法的对比实验.对比实验的条件为：S＝800W／m2，T＝32℃，电阻从11Ω突变到22Ω.

实验波形如图11所示.从图11（a）可以看出，模拟跟踪的过渡过程时间为300ms，在达到稳态时还出现了小幅振荡.图11（b）模拟跟踪的过渡过程时间约为80ms，约为传统逐点逼近法的25%，且逼近过程振荡很小，超调小于4%，稳态误差小于1%.

图6 Simulink仿真模型Fig.6 The simulation model for Simulink

图7 S＝850W／m2，T＝30℃条件仿真波形Fig.7 Simulation waveforms in condition of S＝850W／m2，T＝30℃

图8 S＝850W／m2，T＝30℃条件实验波形Fig.8 Experimental waveforms in condition of S＝850W／m2，T＝30℃

图9 S＝1 020W／m2，T＝32℃条件仿真波形Fig.9 Simulation waveforms in condition of S＝1 020W／m2，T＝32℃

图10 S＝1 020W／m2，T＝32℃条件实验波形Fig.10 Experimental waveforms in condition of S＝1 020W／m2，T＝32℃

图11 对比实验波形Fig.11 Experimental waveforms of algorithm contrast

4 结 论

本文提出的模拟算法实时采集模拟器负载电流和电压，依据负载电压值计算光伏阵列特性对应的电流，与实际负载电流比较，差值电流生成控制模拟器BUCK开关的控制信号，使模拟器输出工作点逼近光伏阵列特性的对应工作点，实现光伏阵列输出特性的模拟.采用TMS320F2812DSP和IGBT BUCK研究与设计了一套光伏模拟器样机，并给出了模拟算法流程图.Simulink仿真和实验结果验证了模拟器能够实现不同光照和环境温度下的光伏特性曲线完整模拟，具有动态响应速度块、模拟精度高和工作点振荡小的特点，可以在光伏发电系统研究中代替实际的光伏阵列装置.

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