CN105897159B - 一种太阳能模拟器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能模拟器，包括：AC/DC变换器，连接交流电网、多电平选择电路和负载；多电平选择电路，分别连接线性电流源和控制单元；控制单元，连接所述线性电流源和负载，采集负载两端的电压，结合预设的V‑I对应值，向所述线性电流源输出电流基准值，同时向多电平选择电路输出母线电压的控制量；线性电流源，连接负载，向负载输出工作电流；以及负载，连接AC/DC变换器、控制单元和线性电流源。本技术方案能在保持线性电流源的正常工作的同时减少损耗；在最高输出电压时的表现和恒压输出时一致。因而整体可以大幅提高效率，减少损耗，减少散热需求和体积、重量的需求。

Description

一种太阳能模拟器
技术领域
本发明涉及太阳能应用开发领域，尤其涉及一种太阳能模拟器。
背景技术
光伏模拟器，适用于对光伏太阳能板的“输出电压-电流曲线”进行模拟，具有和等当量太阳能板相同的功率输出能力，还可以根据设置的光照条件等参数实时调节“输出电压-电流曲线”。
现有技术中，光伏模拟器在低压大电流模式时，会有较大的损耗。这种损耗除了直接耗电之外，还带来极大的散热需求，因而会带来更多的电损耗，并且会使设备变得沉重庞大不方便使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能模拟器，减少损耗，提高效率，减少散热需求，减小太阳能模拟器的体积和重量。
本发明的技术方案是一种太阳能模拟器，包括：AC/DC变换器，接地，连接交流电网、多电平选择电路和负载，将接入的交流电变换为直流电，并输出给所述多电平选择电路；多电平选择电路，分别连接线性电流源和控制单元，所述多电平选择电路通过母线给所述线性电流源提供工作电压，所述控制单元控制所述多电平选择电路的输出电压；控制单元，连接所述线性电流源和负载，采集负载两端的电压，结合预设的V-I对应值，向所述线性电流源输出电流基准值，同时向多电平选择电路输出母线电压的控制量； 线性电流源，连接负载，向负载输出工作电流；以及负载，连接AC/DC变换器、控制单元和线性电流源。
负载两端的采样电压同时发送到控制单元和线性电流源中，控制单元结合预设的V-I对应值，向所述线性电流源输出电流基准值，同时向多电平选择电路输出母线电压的控制量。多电平选择电路通过母线向线性电流源提供母线电压。负载两端的采样电压的变化导致母线电压和线性电流源电流基准值的变化，具体而言：在低电压输出阶段，由于母线电压与采样电压的差值较低，即使输出电流较高，整体功耗也较低；随着输出电压即采样电压的升高，母线电压也同步升高，因此，本技术方案能在保持线性电流源的正常工作的同时减少损耗；在最高输出电压时的表现和恒压输出时一致。因而整体可以大幅提高效率，减少损耗，减少散热需求和体积、重量的需求。
进一步地，所述多电平选择电路由多个直流变换器并联或串联组成。
进一步地，由多个直流变换器并联组成的多电平选择电路中，每个直流变换器包括一个二极管和一个第一MOS管，所述二极管和第一MOS管串联，所述第一MOS管的栅极连接控制单元。
进一步地，由多个直流变换器串联组成的多电平选择电路中，每个直流变换器包括一个二极管、一个第一MOS管和一个隔离电源，所述隔离电源连接第一MOS管，所述二极管同时连接隔离电源和第一MOS管。
进一步地，控制单元包括多电平控制器和V-I曲线控制器，所述多电平控制器连接负载和多个直流变换器中的第一MOS管，采集负载两端的电压进行处理，然后控制相应的第一MOS管；所述V-I曲线控制器连接负载和线性电流源，采集负载两端的电压，结合预设的V-I对应值，向所述线性电流源输出电流基准值。
进一步地，所述多电平控制器包括并联在一起的多个滞环比较器，所述滞环比较器包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一运算放大器，所述第一电阻的输入端连接多电平切换电压基准电路，输出端连接第一运算放大器的反相输入端；第二电阻的输入端连接负载，输出端连接第三电阻和第一运算放大器的输入端，第三放大器的输出端连接第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的输出端连接直流变换器中的第一MOS管。
进一步地，线性电流源包括：
第二运算放大器，同相输入端连接V-I曲线控制器，接收电流基准值，反相输入端连接负载，采集负载两端的工作电压，输出端连接第二MOS管的栅极；
第二MOS管，漏极连接多电平选择电路，源极连接负载。
有益效果：在低电压输出阶段，由于母线电压与采样电压的差值较低，即使输出电流较高，整体功耗也较低；随着输出电压即采样电压的升高，母线电压也同步升高，因此，本技术方案能在保持线性电流源的正常工作的同时减少损耗；在最高输出电压时的表现和恒压输出时一致。因而整体可以大幅提高效率，减少损耗，减少散热需求和体积、重量的需求。
附图说明
图1是基于多电平电源的光伏模拟器的电路简图。
图2是基于多电平电源的光伏模拟器的具体电路图。
图3是多电平选择电路的另一种实现方式。
图4是多电平选择电路的另一种实现方式。
图5是多电平选择电路的另一种实现方式。
图6是多电平选择电路的另一种实现方式。
图7是多电平选择电路的另一种实现方式。
图8是多电平选择电路的另一种实现方式。
图9是多电平选择电路的另一种实现方式。
图10是多电平控制器的具体电路图。
图11是V-I曲线控制器的工作流程图。
图12是恒压供电模式下Vbus、Vo和Io的波形图。
图13是多电平供电模式下Vbus、Vo和Io的波形图。
图中标记：1-AC/DC变换器；2-多电平选择电路；3-线性电流源；4-控制单元；5-负载；6-V-I曲线控制器；7-多电平控制器；8-直流变换器；9-二极管；10-第一MOS管；11-隔离电源；12-滞环比较器；13-第一电阻；14-第二电阻；15-第三电阻；16-第一运算放大器；17-第二运算放大器；18-第二MOS管。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：
结合图1，一种太阳能模拟器，包括：AC/DC变换器1，接地，连接交流电网、多电平选择电路2和负载5，将接入的交流电变换为直流电，并输出给所述多电平选择电路2；多电平选择电路2，分别连接线性电流源3和控制单元4，所述多电平选择电路2通过母线给所述线性电流源3提供工作电压，所述控制单元4控制所述多电平选择电路2的输出电压；控制单元4，连接所述线性电流源3和负载5，采集负载5两端的电压，结合预设的V-I对应值，向所述线性电流源3输出电流基准值，同时向多电平选择电路2输出母线电压的控制量；线性电流源3，连接负载5，向负载5输出工作电流；以及负载5，连接AC/DC变换器1、控制单元4和线性电流源3。
所述多电平选择电路2的输出电压值并不固定，可以根据实际情况预先调节，例如：10V、20V、30V、40V、50V、60V、70V、80V、90V、100V、110V。
负载5两端的采样电压Vo同时发送到控制单元4和线性电流源3中，控制单元4结合预设的V-I对应值，向所述线性电流源3输出电流基准值Iref，同时向多电平选择电路2输出母线电压的控制量Vbus_i。多电平选择电路2通过母线向线性电流源3提供母线电压Vbus。负载5两端的采样电压Vo的变化导致母线电压Vbus和线性电流源3电流基准值Iref的变化，具体而言：在低电压输出阶段，由于母线电压Vbus与采样电压Vo的差值较低，即使输出电流Io较高，整体功耗也较低；随着输出电压即采样电压Vo的升高，母线电压Vbus也同步升高，因此，本技术方案能在保持线性电流源3的正常工作的同时减少损耗；在最高输出电压时的表现和恒压输出时一致。因而整体可以大幅提高效率，减少损耗，减少散热需求和体积、重量的需求。
结合图2，图2是基于多电平电源的光伏模拟器的具体电路图。所述多电平选择电路2，包括4个并联的直流变换器8，其中，3个直流变换器8都包括一个二极管9和一个第一MOS管10，所述二极管9和第一MOS管10串联，所述第一MOS管10为N-MOS管，所述N-MOS管的栅极连接多电平控制器7，所述N-MOS管的源极连接线性电流源3，漏极连接二极管9的输出端，所述二极管9的输入端连接AC/DC变换器1。另外一个直流变换器8包括一个二极管9，该二极管9的输入端连接AC/DC变换器1，输出端连接线性电流源3。
控制单元4包括多电平控制器7和V-I曲线控制器6，所述多电平控制器7连接负载5和4个直流变换器8中的N-MOS管，采集负载5两端的电压进行处理，然后控制相应的N-MOS管；所述V-I曲线控制器6连接负载5和线性电流源3，采集负载5两端的电压，结合预设的V-I对应值，向所述线性电流源3输出电流基准值Iref。
优选地，所述直流变换器8的数量可以根据需要任意增减，4个直流变换器8只是其中一种实施情况。
所述线性电流源3包括：第二运算放大器17，同相输入端连接V-I曲线控制器6，接收电流基准值Iref，反相输入端连接负载5，采集负载5两端的工作电压，输出端连接第二MOS管18的栅极；第二MOS管18，漏极连接多电平选择电路2，源极连接负载5。
结合图3，图3是多电平选择电路2的另一种实现方式。多电平选择电路2包括4个并联的直流变换器8，其中，3个直流变换器8都包括一个二极管9和一个第一MOS管10，所述二极管9和第一MOS管10串联，所述第一MOS管10为N-MOS管，所述N-MOS管的栅极连接多电平控制器7，所述N-MOS管的源极连接二极管9的输入端，漏极连接AC/DC变换器1，所述二极管9的输出端连接线性电流源3。另外一个直流变换器8包括一个二极管9，该二极管9的输入端连接AC/DC变换器1，输出端连接线性电流源3。
结合图4，图4是多电平选择电路2的另一种实现方式。多电平选择电路2包括4个并联的直流变换器8，其中，3个直流变换器8都包括一个二极管9和一个第一MOS管10，所述二极管9和第一MOS管10串联，所述第一MOS管10为P-MOS管，所述P-MOS管的栅极连接多电平控制器7，所述P-MOS管的源极连接AC/DC变换器1，漏极连接二极管9的输入端，所述二极管9的输出端连接线性电流源3。另外一个直流变换器8包括一个二极管9，该二极管9的输入端连接AC/DC变换器1，输出端连接线性电流源3。
结合图5，图5是多电平选择电路2的另一种实现方式。多电平选择电路2包括4个并联的直流变换器8，其中，3个直流变换器8都包括一个二极管9和一个第一MOS管10，所述二极管9和第一MOS管10串联，所述第一MOS管10为P-MOS管，所述P-MOS管的栅极连接多电平控制器7，所述P-MOS管的源极连接二极管9的输出端，漏极连接线性电流源3，二极管9的输入端连接AC/DC变换器1。另外一个直流变换器8包括一个二极管9，该二极管9的输入端连接AC/DC变换器1，输出端连接线性电流源3。
结合图6，图6是多电平选择电路2的另一种实现方式。多电平选择电路2包括3个串联的直流变换器8，每个直流变换器8包括一个二极管9、一个N-MOS管和一个隔离电源11，所述N-MOS管的栅极连接多电平控制器7，源极连接二极管9的输入端，漏极连接隔离电源11的正极，隔离电源11的负极连接二极管9的输入端和相邻直流变换器8中N-MOS管的源极，二极管9的输入端还连接相邻直流变换器8中二极管9的输出端。
结合图7，图7是多电平选择电路2的另一种实现方式。多电平选择电路2包括3个串联的直流变换器8，每个直流变换器8包括一个二极管9、一个N-MOS管和一个隔离电源11，所述N-MOS管的栅极连接多电平控制器7，源极连接隔离电源11的负极，漏极连接二极管9的输入端和相邻直流变换器8中隔离电源11的正极，隔离电源11的正极连接二极管9的输出端，二极管9的输入端还连接相邻直流变换器8中二极管9的输出端。
结合图8，图8是多电平选择电路2的另一种实现方式。多电平选择电路2包括3个串联的直流变换器8，每个直流变换器8包括一个二极管9、一个P-MOS管和一个隔离电源11，所述P-MOS管的栅极连接多电平控制器7，漏极连接隔离电源11的负极，源极连接二极管9的输入端和相邻直流变换器8中隔离电源11的正极，隔离电源11的正极连接二极管9的输出端，二极管9的输入端还连接相邻直流变换器8中二极管9的输出端。
结合图9，图9是多电平选择电路2的另一种实现方式。多电平选择电路2包括3个串联的直流变换器8，每个直流变换器8包括一个二极管9、一个P-MOS管和一个隔离电源11，所述P-MOS管的栅极连接多电平控制器7，源极连接隔离电源11的正极，漏极连接二极管9的输出端，隔离电源11的负极连接二极管9的输入端和相邻直流变换器8中P-MOS管的漏极，二极管9的输入端还连接相邻直流变换器8中二极管9的输出端。
结合图2和图10，图10是多电平控制器7的具体电路图。多电平控制器7包括并联在一起的4个滞环比较器12，所述滞环比较器12包括第一电阻13、第二电阻14、第三电阻15和第一运算放大器16，所述第一电阻13的输入端连接多电平切换电压基准电路（图中未显示），输出端连接第一运算放大器16的反相输入端；第二电阻14的输入端连接负载5，输出端连接第三电阻15和第一运算放大器16的输入端，第三放大器的输出端连接第一运算放大器16的输出端，第一运算放大器16的输出端连接直流变换器8中的第一MOS管10。
优选地，滞环比较器12的数量可以根据实际需要增减，没有限制，采用4个滞环比较器12并联只是其中的一种实施情形。
结合图11，图11是V-I曲线控制器6的工作流程图。V-I曲线控制器6内预设有V-I对应值，V-I曲线控制器6将采集到的采样电压Vo先进行模/数转换，得到数字信号，再将该数字信号结合V-I对应值，得到电流数字信号，再将该电流数字信号进行数/模转换,得到线性电流源3工作的电流基准值Iref。
结合图12。图12是恒压供电模式下Vbus、Vo和Io的波形图。在恒流供电模式下，母线的输出电压Vbus始终不变，根据线性损耗的计算，损耗P=(Vbus-Vo)*Io，而根据光伏太阳能模拟器的特性，低输出电压Vo时对应的输出电流Io很高，所以此时损耗非常大。
结合图13，图13是多电平供电模式下Vbus、Vo和Io的波形图。在低电压输出阶段，由于母线电压Vbus与采样电压Vo的差值较低，即使输出电流Io较高，整体功耗也较低；随着输出电压即采样电压Vo的升高，母线电压Vbus也同步升高，因此，本技术方案能在保持线性电流源3的正常工作的同时减少损耗；在最高输出电压时的表现和恒压输出时一致。因而整体可以大幅提高效率，减少损耗，减少散热需求和体积、重量的需求。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种太阳能模拟器，其特征在于，包括：
AC/DC变换器，接地，连接交流电网、多电平选择电路和负载的负极，将接入的交流电变换为直流电，并输出给所述多电平选择电路；
多电平选择电路，分别连接线性电流源和控制单元，所述多电平选择电路通过母线给所述线性电流源提供工作电压，所述控制单元控制所述多电平选择电路的输出电压；
控制单元，连接所述线性电流源和负载的正极，采集负载两端的电压，结合预设的V-I对应值，向所述线性电流源输出电流基准值，同时向多电平选择电路输出母线电压的控制量；
线性电流源，连接负载的正极，向负载输出工作电流；以及
负载，负极连接AC/DC变换器，正极连接控制单元和线性电流源。
2.根据权利要求1所述的太阳能模拟器，其特征在于：所述多电平选择电路由多个直流变换器并联或串联组成。
3.根据权利要求2所述的太阳能模拟器，其特征在于：由多个直流变换器并联组成的多电平选择电路中，每个直流变换器包括一个二极管和一个第一MOS管，所述二极管和第一MOS管串联，所述第一MOS管的栅极连接控制单元。
4.根据权利要求3所述的太阳能模拟器，其特征在于：控制单元包括多电平控制器和V-I曲线控制器，所述多电平控制器连接负载和多个直流变换器中的第一MOS管，采集负载两端的电压进行处理，然后控制相应的第一MOS管；所述V-I曲线控制器连接负载和线性电流源，采集负载两端的电压，结合预设的V-I对应值，向所述线性电流源输出电流基准值。
5.根据权利要求4所述的太阳能模拟器，其特征在于：所述多电平控制器包括并联在一起的多个滞环比较器，所述滞环比较器包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一运算放大器，所述第一电阻的输入端连接多电平切换电压基准电路，输出端连接第一运算放大器的反向输入端；第二电阻的输入端连接负载，输出端连接第三电阻和第一运算放大器的输入端，第三放大器的输出端连接第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的输出端连接直流变换器中的第一MOS管。
6.根据权利要求5所述的太阳能模拟器，其特征在于，线性电流源包括：
第二运算放大器，同相输入端连接V-I曲线控制器，接收电流基准值，反相输入端连接负载，采集负载两端的工作电压，输出端连接第二MOS管的栅极；
第二MOS管，漏极连接多电平选择电路，源极连接负载。
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