CN102411075A

CN102411075A - 一种太阳能光伏电池模拟系统及用于该系统的模拟方法

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Publication number: CN102411075A
Application number: CN2011103858307A
Authority: CN
Inventors: 曹西飞; 余学渭; 邓群; 蓝林虹; 尤强强; 黄官仲
Original assignee: NINGBO HIGH-NEW ZONE XINCHENG ELECTRONIC Co Ltd
Current assignee: NINGBO HIGH-NEW ZONE XINCHENG ELECTRONIC Co Ltd
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: CN102411075B

Abstract

本发明提出了一种光伏电池模拟系统及用于该系统的模拟方法，该系统包括人机界面组件、供电装置、控制核心和电池模拟装置，人机界面组件和控制核心通过通讯组件连接在一起，供电装置分别与人机界面组件、控制核心和电池模拟装置相连接，电池模拟装置与控制核心相连接并受其控制。本发明使用时，首先由人机界面组件对电池模拟装置发送设置命令信息，控制核心收到信息后，跟据指令来控制电池模拟装置的电压、电流输出；同时，控制核心采集负载逆变器的输入电压、电流用于本系统控制核心的运算参数，同时计算负载的最大功率点跟踪（MPPT）效率，并反馈给人机界面组件显示出来，为用户设计MPPT算法提供参考依据。

Description

一种太阳能光伏电池模拟系统及用于该系统的模拟方法

技术领域

本发明属于太阳能光伏发电模拟技术设备领域，尤其是一种光伏电池模拟系统及用于该系统的模拟方法。

背景技术

自20世纪90年代后半期以来，在国家的大力扶持下，太阳能光伏发电进入了快速发展时期。最近10年和最近5年太阳能电池是的年平均增长率分别为41.3%和49.5%。在我们的日常生活中，可以经常见到利用太阳能电池来供电的一些应用，例如太阳能热水器，太阳能路灯、太阳能供电的计算器、甚至手机等，同时，由于并网技术的发展，并网发电的应用比例越来越大。太阳能光伏发电在能源结构中正在发挥着越来越大的替代作用。并网逆变器是并网光伏系统中的重要部件，其各方面的性能直接影响了整个光伏发电系统。因此，对并网逆变器的研究一直以来都是光伏行业的一个热点和重点。对逆变器的研究测试需要接到太阳能电池板上，但是由于各个厂家生产的太阳能电池板品质参数均不大相同，在不同的应用系统中，太阳能电池板的参数和搭配是固定无法更改的，最重要的是，对其的测试受到天气变化和地理环境的限制，因此为逆变器的测试研究带来了极大的不便。

发明内容

本发明提出了一种光伏电池模拟系统及用于该系统的模拟方法,该系统和方法能模拟输出在不同的条件下的太阳能板输出特性曲线，为光伏逆变器的研发提供方便。

一种太阳能光伏电池模拟系统，其技术方案为，包括人机界面组件、供电装置、控制核心和电池模拟装置，其特征在于，人机界面组件和控制核心通过通讯组件连接在一起，供电装置分别与人机界面组件、控制核心和电池模拟装置相连接，电池模拟装置与控制核心相连接并受其控制。本技术方案中，采用人机界面组件对系统参数如：光照强度、温度、天气状况等进行设定，供电装置向整个系统供电，电池模拟装置在控制核心的控制下模拟太阳能电池在已经设定的参数条件下的供电情况。

所述电池模拟装置还包括数字开关电源、数字可调线性电源和电池模拟器，数字可调线性电源将数字开关电源和电池模拟器连接到一起。

所述人机界面组件包括显示器、处理器和输入模块，处理器分别与显示器和输入模块相连接。

所述通讯组件采用CAN总线、485总线、RS232和工业以太网通信中的一种。

一种应用于权利要求1所述系统的太阳能光伏电池模拟方法，其技术方案包括以下步骤，

（1）控制核心采集线性电源输出的电压/电流，同时将电压/电流参数反馈给人机界面组件；

（2）控制核心对步骤（1）采集的电流/电压进行分析，分析电流/电压是否过载；

（3）若步骤（2）中的电流/电压出现过载情况，则控制核心关闭电池模拟装置，同时将错误信息反馈给人机界面组件；

（4）若步骤（2）中的输入电压/电流未出现过载，则控制核心将根据当前采样得到的输出电压/电流值，并通过由人机界面组件事先设置好的参数选取拟合公式计算出下一周期输出电流值，然后通过控制电源输出电压控制电池模拟装置输出该电流值。

上述方法中的拟合公式为模拟光伏电池特性曲线的分段函数。

上述分段函数以光伏电池特性曲线为参考，将特性曲线按照电压大小分为若干段，然后分推导合每段曲线的拟合公式。

上述拟曲线拟合公式的推导方法为：采用近似取半的方法对光伏特性曲线进行分段，即第一段的长度近似为整条特性曲线长度的一半,第二段的长度近似为剩余特性曲线长度的一半,依次类推将整个曲线分为若干段；在拟合时,将分段后的曲线按照电压值得大小分为低压段和高压段，对低压段采用一次多项式进行拟合,对高压段采用二次多项式进行拟合。

本发明使用时，首先由人机界面组件对电池模拟装置发送设置命令信息，控制核心收到信息后，跟据指令来控制电池模拟装置的电压、电流输出；同时，控制核心采集负载逆变器的输出电压、电流用于本系统控制核心的运算参数，同时计算负载的最大功率点跟踪（MPPT）效率，并反馈给人机界面组件显示出来，为用户设计MPPT算法提供参考依据。

附图说明

图1是本发明的一种实施方式的结构框型示意图；

图2是本发明一种实施例中所采用的光伏电池特性曲线示意图；

图3是本发明数字开关电源的一种实施方式的电路原理示意图；

图4是本发明数字可调线性电源的一种实施方式的电路原理示意图；

图5是本发明方法的一种实施方式的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

参照图1，本发明的一种实施方式的框型示意图。

一种太阳能光伏电池模拟系统，包括人机界面组件、供电装置、控制核心和电池模拟装置，人机界面组件和控制核心通过通讯组件连接在一起，供电装置分别与人机界面组件、控制核心和电池模拟装置相连接，电池模拟装置与控制核心相连接并受其控制。

所述电池模拟装置还包括数字开关电源、数字可调线性电源和电池模拟器，数字可调线性电源将数字开关电源和电池模拟器连接到一起。参照图3，数字开关电源的电路原理图。该实施例中数字开关电源采用并联交错反激转换器结构。来自电网的220VAC经整流滤波后形成的直流输入电压被馈送到反激电路的初级。经调制的高频PWM用于驱动反激MOSFET，以在反激输出电容上产生输出电压/电流。两个反激转换器的工作相位相差180度，以实现交错运行，可以在很大程度上减小输出电流纹波。结合图4，数字可调线性电源电路原理图。该实施例中，电源包括基准源(V_REF)、误差放大器(AMP)、调整管、反馈电阻网络(R1，R2)及保护电路。其工作原理是通过负反馈作用控制调整管的导通电阻，使输出电流保持稳定。而与输出电压和负载的大小无关。基准源由控制芯片通过配置16位DAC芯片得到，反馈电阻网络输出经24位ADC芯片采样送入控制芯片。基准源与反馈电阻网络的输出电压差值经误差放大器放大后驱动调整管，得到需要的输出电流。电池模拟器连接在电池模拟装置最后端，为最后输出的电流/电压进行稳流/稳压，并校验之后将其输出。

电池模拟装置是本发明设计的重点，但是其输出要由控制核心控制。控制核心通过产生PWM信号控制电池模拟装置中的数字开关电源输出，为后级数字可调线性电源提供输入电压，使数字可调线性电源输入输出电压差尽可能小，降低系统功耗，提高效率。控制核心通过从人机界面组件传来的设置参数和采集来的负载参数，控制输出电压为数字可调线性电源提供电压基准，进而控制线性电源的输出电流，以此来控制电池模拟装置的输出。数字可调线性电源输出精度高，调整快。

所述人机界面组件包括显示器、处理器和输入模块，处理器分别与显示器和输入模块相连接。在人机界面组件的显示器上显示的各项参数以及U-I特性曲线。环境参数设定包括光照强度，温度等；引入随机干扰的功能是模拟剧烈天气变化情况下的光伏电池输出，如温度，光照强度随时变化，多云天气造成的光伏电池光照不均的情况；系统参数显示即显示系统参数，包括电流、电压、故障信息等；功能选择包括系统启动输出，停止模拟输出，模拟光伏电池/普通电源功能切换等；MPPT效率显示为计算负载逆变器的最大功率点跟踪（MPPT）效率，为用户设计MPPT算法提供参考依据。通信接口设定包括通信方式选择，波特率设定，联机方式设定等功能.实时显示系统输出U-I曲线。

所述通讯组件采用CAN总线、485总线、RS232和工业以太网通信中的一种，使人机界面组件可以不与控制核心安装在一起，实现远程监控。

一种应用于上述系统的太阳能光伏电池模拟方法，包括以下步骤，

（4）若步骤（2）中的输入电压/电流未出现过载，则控制核心将根据当前采样得到的输出电压/电流值，并通过由人机界面组件事先设置好的参数选取拟合公式计算出下一周期输出电流值，然后通过控制输出电压控制电池模拟装置输出该电流值。

上述分段函数以光伏电池特性曲线为参考，将特性曲线按照电压大小分为若干段，然后分段拟合曲线。

上述曲线拟合的方法为：采用近似取半的方法对光伏特性曲线进行分段，即第一段的长度近似为整条特性曲线长度的一半,第二段的长度近似为剩余特性曲线长度的一半,依次类推将整个曲线分为若干段；在拟合时,将分段后的曲线按照电压值得大小分为低压段和高压段，对低压段采用一次多项式进行拟合,对高压段采用二次多项式进行拟合。

结合图5，本发明方法的一种实施方式的流程示意图。本实施例中，输出电压/电流经采样送入控制核心后,控制核心首先判断此时的输出电压/电流属于哪段拟合区间,然后根据相应的拟合多项式计算光伏电池阵列的输出电流值,将此电流值作为输出电流的指令值, 控制输出电压为数字可调线性电源提供电压基准，进而控制线性电源的输出电流，以此来控制电池模拟装置的输出。

拟合公式为为模拟光伏电池特性曲线的分段函数。在本发明中，对之前的分段拟合法进行了改进，即采用一次及二次多项式联合对光伏电池特性曲线进行分段拟合。

曲线拟合公式的推导方法为，采用近似取半的方法对光伏特性曲线进行分段，即第一段的长度近似为整条特性曲线长度的一半,第二段的长度近似为剩余特性曲线长度的一半,依次类推将整个曲线分为若干段；在拟合时,将分段后的曲线按照电压值得大小分为低压段和高压段，对低压段采用一次多项式进行拟合,对高压段采用二次多项式进行拟合。结合图2，在本实施例中，为了减少工作量，在曲线拟合误差允许范围内将该特性曲线分为4段，并按照电压范围将第一段划分为低压段，其余划分为高压段。在低压段,以短路电流点A(x₀,y₀)为一个端点,点B(x₁,y₁)为另一端点,利用一次多项式拟合公式可以得到一次拟合方程:

从B到E的整个高压段分三段进行二次多项式拟合。以拟合段三为例,选取C(x2,y2),D(x3,y3)作为其两端点,在两端点间通过尝试再取一点，如拟合段三中可取最大功率点F(x4,y4)作为第三点,则利用公式可以得到C,D两点间的二次多项式拟合方程为:

依次类推,可以得到对整条光伏阵列特性曲线的拟合方程。

在得到整条光伏阵列特性曲线的拟合方程后，控制核心通过从人机界面组件传来的设置参数和采集来的负载参数，结合拟合方程的计算，控制DAC芯片输出电压为数字可调线性电源提供电压基准，进而控制线性电源的输出电流，以此来控制电池模拟装置的输出。

以上所述，为发明的较佳实施案例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种太阳能光伏电池模拟系统，包括人机界面组件、供电装置、控制核心和电池模拟装置，其特征在于，人机界面组件和控制核心通过通讯组件连接在一起，供电装置分别与人机界面组件、控制核心和电池模拟装置相连接，电池模拟装置与控制核心相连接并受其控制。

2.根据权利要求1所述的太阳能光伏电池模拟系统，其特征在于，所述电池模拟装置还包括数字开关电源、数字可调线性电源和电池模拟器，数字可调线性电源将数字开关电源和电池模拟器连接到一起。

3.根据权利要求1所述的太阳能光伏电池模拟系统，其特征在于，所述人机界面组件包括显示器、处理器和输入模块，处理器分别与显示器和输入模块相连接。

4.根据权利要求1所述的太阳能光伏电池模拟系统，其特征在于，所述通讯组件采用CAN总线、485总线、RS232和工业以太网通信中的一种。

5.一种应用于权利要求1所述系统的太阳能光伏电池模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）由控制核心采集线性电源输入的电压/电流，同时将电压/电流参数反馈给人机界面组件；

（4）若步骤（2）中的输入电压/电流未出现过载，则控制核心将根据当前采样得到的输出电压/电流值，并通过由人机界面组件事先设置好的参数选取拟合公式计算出下一周期电池模拟器的输出电流值，然后通过控制电源输出电压进而控制电池模拟装置输出该电流值。

6.根据权利要求5所述的太阳能光伏电池模拟方法，其特征在于，所述拟合公式为模拟光伏电池特性曲线的分段函数。

7.根据权利要求6所述的太阳能光伏电池模拟方法，其特征在于，所述分段函数以光伏电池特性曲线为参考，将特性曲线按照电压大小分为n段，然后分段进行曲线拟合。

8.根据权利要求7所述的太阳能光伏电池模拟方法，其特征在于，采用近似取半的方法对光伏特性曲线进行分段，即第一段的长度近似为整条特性曲线长度的一半,第二段的长度近似为剩余特性曲线长度的一半,依次类推将整个曲线分为若干段；在拟合时,将分段后的曲线按照电压值得大小分为低压段和高压段，对低压段采用一次多项式进行拟合,对高压段采用二次多项式进行拟合。