全状态控制光伏模拟电源设计

王树人， 蒋 伟， 莫岳平

(扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州225127)

全状态控制光伏模拟电源设计

王树人， 蒋 伟*， 莫岳平

(扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州225127)

为完整模拟光伏伏安输出特性中包括短路、开路状态在内的全部工作状态，提出了基于占空比比较控制的光伏模拟电源。根据CCM下Buck电路基本系统模型，设计了基于双环路的占空比比较控制策略。阐述了数字式光伏模拟电源的系统架构，分析了生成伏安曲线的数值计算方法，详细探讨了系统控制方法并制作了样机，最后使用了宽范围恒压负载验证了设计的可行性。

光伏模拟电源；全状态控制；占空比比较

光伏系统以其可再生、零排放、长寿命等优点而备受重视。由于光伏组件输出伏安特性存在非线性，光伏变换器成为提高光伏系统发电效率的主要手段[1]。但直接针对光伏组件的变换器测试受到很多因素(如光照、温度等)的影响，降低了效率和可靠性[2]。光伏模拟电源可以模拟真实光伏电池在特定状态的输出特性，增强调试过程的可重复性和可信度[3-4]。

在此提出基于数字控制的光伏模拟电源，详细探讨了仅从控制层面模拟光伏伏安特性全部工作状态的技术方案，包含了数字式光伏模拟电源的系统架构，曲线拟合方法分析和选择，DC-DC降压变换器的电流、电压控制环路建模，基于直接PWM占空比比较控制的算法设计及恒压负载下的实验测试。

1　系统描述

如果太阳能模拟电源在开路(包括轻载)和短路两种极限状态下输出特性不能达到模拟真实光伏组件的要求，会导致后级设备的额定参数选定和算法稳定性评估出现问题。本研究旨在实现包括开路、短路状态在内的全状态模拟。基于Buck电路提出系统的控制架构与控制方法，如图1所示。

图1　光伏模拟电源系统构架

系统包含主电路和数字控制器两部分。通过采样和曲线拟合算法得到电感电流iL、输出端电压vo、最大输出电压参考值Vmax和电流参考值Iref后，通过全状态控制算法得到正确的占空比控制电源输出特性。该设计的优点在于通过控制设计本身确保电源输出能够模拟光伏电池的极限状态，从而提高电源系统的可靠性和稳定性；简化保护电路的设计，降低电路复杂度和成本。

此外，一般的光伏变换器或最大功率跟踪设备将输入端电压作为控制目标[5-7]，而传统光伏模拟电源测试多采用阻性负载来恒定工作状态。为准确反映系统的带载性能，采用恒压负载测试对系统进行测试。

2　曲线拟合器实现方法

光伏输出伏安特性可以用多种数学模型描述[8-10]。通过模型可计算得到光伏组件的输出特性曲线。数字控制器实现曲线模拟的方法有解析法、查表法和插值法三种：解析法是将模型通过数值方法变换写入控制器，由控制器直接计算曲线解析解；查表法要求通过计算机生成节点二维表，在线或离线导入控制器，通过控制器查找近似点；插值法在查表基础上增加插值算法，可用线型或非线性方程拟合。理论上，上述方法均能实现曲线拟合：解析法的时间复杂度大，空间复杂度小；查表法反之；插值法介于两者之间。

为了增大系统带宽，本设计采用线型插值法实现曲线拟合。本设计的模拟目标为某100 W光伏组件(最大功率点电压Vmp=18 V、最大功率点电流Imp=5.55 A、开路电压Voc=21.6 V、短路电流Isc=6.11 A)，其特性曲线如图2。

图2　伏安特性曲线的线型插值拟合

设A(a,b)点和B(c,d)点为二维表中两相邻元素，若得到电压采样值恰为a或c，则曲线拟合器返回Iref为b或d；若电压采样值为x，则根据线型插值算法返回：

此时电源的工作点将位于C点，而理论工作点应为D点。因此线性插值会引入一定的误差。但如果二维表有足够的元素，误差大小与采样误差大小数量级相同便可忽略不计。

3　系统设计和控制策略

3.1硬件设计

主电路为同步Buck变换器，确保在不同负载状态下电路均工作于CCM状态，PWM发生器产生的互补PWM死区时间设定为500 ns。电感电流IL平均值与稳态输出电流Io相等，因为控制电源输出伏安特性与控制电容电压、电感电流特性等效。

控制器采用主频设定为30 MHz的dsPIC33FJ64GS606。电感电流由线型电流传感器ACS711测量得到。其它硬件参数见表1。

表1　电路参数

3.2电路全状态模型及环路补偿

3.2.1电流环路全状态分析

系统的电流控制环路如图3所示，其中，Iref是由曲线拟合器生成的给定参考，IL是反映输出电流的电感电流采样值，Ci(s)是电流环控制器传递函数，Gid(s)是变换器占空比di对电感电流iL的传递函数，Hi(s)是电流传感器反馈网络的传递函数。

图3　电感电流控制环路框图

根据Buck电路CCM的小信号传递函数可得：

式中:R为变换器的负载：在变换器处于短路(R=0 Ω)、开路(取R=1 000 Ω)和最大功率输出(R=Vmp/Imp)时Gid(s)的频率响应曲线如图4所示。

图4　变换器Gid(s)频率响应

Hi(s)由ACS711传递函数和采样延时两部分组成，经整定，其传递函数为：

控制器采用单零点单极点PI补偿。综合考虑系统带宽和不同负载状态下的裕度确定了控制器参数，进而得到电流环路开环系统频率响应如图5。可见，该电流闭环控制设计满足系统短路情况下稳定运行的要求。

3.2.2电压环路全状态分析

系统的电压控制环路如图6所示，其中vo是输出电压，Vo是输出电压的采样值，Cv(s)是电压环控制器传递函数，Gvd(s)是变换器占空比di对vo的传递函数，Kv是电压分压反馈网络增益。当模拟目标确定后，其最大输出电压(开路电压Voc)随即确定，电压环路在恒定给定Vmax下工作。

图5　电流环路开环系统频率响应

图6　电压控制环路框图

根据Buck电路CCM的小信号传递函数可得：

式中:R为变换器的负载。当变换器处于开路(取R=1 000 Ω)和最大功率输出(R=Vmp/Imp)时Gvd(s)的频率响应曲线如图7所示。

图7　变换器Gvd(s)频率响应

选取与电流环控制器相同结构的补偿网络，得到电压环开环传递函数频率响应如图8。

图8　电压环路开环系统频率响应

3.3直接占空比选择控制策略

为了应对模拟电源在轻载或开路状态下电流环路控制失效的问题，设计了直接针对占空比操作的控制策略，控制框图如图9。变量di和dv是电流环控制器、电压环控制器经计算得到的占空比，经过最小值比较器后选择占空比d送至PWM发生器。使用直接占空比选择对两环路进行协调管理，完成平滑的控制输出量切换。

图9　直接占空比比较控制框图

4　实验方法和结果

设计样机额定输出为40～10 A。负载采用B&K Precision公司8500型电子负载。设定电子负载恒压模式运行，电压以0.4 V步长从0至24 V增大。实验测得模拟电源输出伏安特性曲线如图10所示。输出伏瓦特性曲线如图11所示。从开机起始点起，在负载变化的情况下，系统输出电流从短路电流值开始减小，同时输出电压增大，变化规律与光伏伏安特性吻合。电压最终稳定在开路电压附近，而不在随负载电压的增大而增大。可见，系统能够完整地模拟光伏电源的输出特性，同时实现了双环路运行的占空比比较控制，系统设计保证了系统的全状态运行性能。

图10　模拟电源输出伏安特性曲线

图11　模拟电源输出伏瓦特性曲线

图12和图13反映了电源在短路状态和开路状态下的输出电压、电流波形。电源短路时输出电流6.1 A；开路电压为21.5 V。可见，该电源设备能在短路和开路状态下能稳定工作。

5　结论

探讨了模拟光伏电池全负载状态的系统结构、算法和控制策略。给出了数字式模拟电源结构，探讨了曲线拟合方法，并针对光伏模拟电源输出状态不完整的问题，提出了直接占空比选择控制策略。实验结果显示该方案达到预期目标，实现了对光伏组件的全状态控制和模拟。

图12　短路状态输出波形

图13　开路状态输出波形

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Design of a photovoltaic simulator with full-state control

WANG Shu-ren,JIANG Wei*,MO Yue-ping
(School of Hydraulic,Energy,and Power Engineering,Yangzhou University,Yangzhou Jiangsu 225127,China)

A photovoltaic(PV)simulator with a duty cycle comparison strategy was proposed to simulate a real photovoltaic panel which was generating under all working conditions including the short circuit state and open circuit state.Based on the system model of CCM Buck converter,a first-hand duty cycle control strategy was presented. The system structure of digital PV simulator and curve fitting methods were discussed.The system control strategy was analyzed in detail and a prototype was designed.A constant voltage load with a wider range was adopted to verify the performance.

photovoltaic simulator;full-state control strategy;duty cycle comparison

TM 615

A

1002-087 X(2016)10-1983-04

2016-03-12

国家自然科学基金(51207135);江苏省自然科学基金(BK2012266)；扬州市-扬州大学合作基金(2012038-10)

王树人(1990—)，男，山东省人，硕士研究生，主要研究方向为电力电子技术。

蒋伟(1980—)，男，江苏省人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为电力电子技术；E-mail：jiangwei@yzu.edu.cn