CN109600117A - 一种光伏电池输出特性的模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种光伏电池输出特性的模拟方法，其步骤为：根据光伏电池的主要参数利用5段折线法将光伏电池的输出曲线分别为AB段、BC段、CD段、DE段和EF段5段折线模拟；选择A端点为输出曲线的短路电流点，F端点为输出曲线的开路电压点；CD段为最大功率点输出段、且经过最大功率点的坐标，确定CD段的折线方程；根据实际光伏输出特性，采用增量差值折半法确定B点、C点、D点和E点的坐标；根据各点坐标确定光伏电池的输出曲线。本发明模拟的光伏电池输出特性曲线在最大功率点处误差为零，在最大功率点处误差为零且不在折线分段处，增加折线的段数可减少其他位置的误差，并且模拟曲线不会出现多峰值现象。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电的技术领域，尤其涉及一种光伏电池输出特性的模拟方法。
背景技术
随着国民经济的高速发展，对能源的需求也越来越大。传统能源的消耗给环境带来了诸多的污染，清洁能源的开发利用已是当务之急。光伏发电以其自身诸多的优点得到了广泛的关注与利用。在光伏发电设备的生产制造、新产品的开发、控制检测算法验证和教学等过程中，都需要不同光照和不同温度等光伏电池的输出特性。例如光伏逆变器的生产制造时，需要验证光伏逆变器在光伏电池不同的工况下能否稳定的工作，在光伏电池不同的工况下采用什么样的控制策略能使光伏发电系统高效的工作等等。这都需要光伏电池能随时提供不同工况下的输出。但是实际的光伏电池由于受自然条件的限制无法满足上述需要，这给生产、制造、研发和教学带来了诸多不便。目前，市场上已有光伏电池模拟器产品，其核心是一台可编程电源，利用DC/DC变换，通过控制其输出来模拟不同工作环境下光伏电池的输出特性曲线。
目前，光伏电池模拟器的输出特性曲线模拟主要有：光伏电池模型理论法、分段折线法和二次拟合法等。上述方法各有特点，光伏电池模型理论法误差最小但计算量最大，不利用实时程序控制；分段折线法计算和编程简单，实时性好，但误差价较大。二次拟合法能减小分段折线法带来的误差，若分段点设置不合适，就会造成输出曲线会出现多峰值现象，使最大功率跟踪陷入局部最优，给使用者带来不便。
发明内容
针对现有模拟方法误差较大、计算量大，输出曲线会出现多峰值现象的技术问题，本发明提出一种光伏电池输出特性的模拟方法，利用5段折线来模拟光伏电池的输出特性曲线，使模拟的输出特性曲线在最大功率点处误差为零、最大功率点不在折线端点处和模拟曲线不会出现多峰值现象。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种光伏电池输出特性的模拟方法，其步骤如下：
步骤一：获取光伏电池的主要参数：最大功率、开路电压、短路电流、最大功率点电流和最大功率点电压；
步骤二：根据光伏电池的主要参数利用5段折线法将光伏电池的输出曲线分别为AB段、BC段、CD段、DE段和EF段5段折线模拟；
步骤三：选择AB段的A端点为输出曲线的短路电流点，EF段的F端点为输出曲线的开路电压点；CD段为最大功率点输出段，且CD段经过最大功率点的坐标，确定CD段的折线方程；根据实际光伏输出特性，采用增量差值折半法来确定B点、C点、D点和E点的坐标；
步骤四：根据A端点、B点、C点、D点、E点和F端点的坐标确定光伏电池的输出曲线。
所述步骤一中最大功率为Pm，开路电压为UOC，短路电流为ISC，最大功率点电流为Im和最大功率点电压为Um，A端点的坐标为(0,Isc)，F端点的坐标为(Uoc,0)，CD段经过最大功率点的坐标为(Um,Im)。
所述确定步骤三中采用短路电流与最大功率点电流误差折半作为增量的方法确定C点电流坐标值，采用开路电压与最大功率点电压误差折半作为增量的方法确定D点电压坐标值，然后利用CD段的折线方程求的C点电压值和D点电流值，得到C点和D点的坐标，实现方法为：
S1确定CD段的折线方程：设CD段的折线方程的电流为：I＝-kU+b；
两边同乘以电压U有功率：P＝UI＝-kU2+bU；
取得功率最大时有：
可确定：
则含有最大功率点的CD段的折线方程为：
S2确定C点坐标：设C点坐标为(UC，IC)，C点电流坐标值IC是将短路电流ISC与最大功率点电流Im差值一半作为增量，即：
代入CD段的折线方程得到：可求得C点坐标为
S3确定D点坐标：设D点坐标为(UD,ID)，D点电压坐标值UD选为开路电压UOC与最大功率点电压Um差值一半作为增量，即：
代入CD段的折线方程：可求得D点坐标
所述采用增量差值折半法B点和E点坐标的方法为B点的电流坐标值选为短路电流与C点电流坐标值差值一半作为增量，B点电压坐标值值取C点电压坐标值的一半，E点电压坐标值选为开路电压与D点电压坐标值差值一半作为增量，E点电流坐标值取D点电流坐标值ID值的一半，实现方法为：
设B点坐标为(UB,IB)，B点电流坐标值IB选为短路电流ISC与C点电流坐标值IC差值一半作为增量，即：
B点电压坐标值UB取C点电压坐标值UC的一半即UB＝UC/2，
可求得B点的坐标为：
设E点坐标为(UE,IE)，E点电压坐标值UE选为开路电压UOC与D点电压坐标值UD差值一半作为增量，即
E点电流坐标值IE取D点电流坐标值ID的一半即IE＝ID/2，可求得E点的坐标为：
所述5段折线AB段、BC段、CD段、DE段和EF段的端点的坐标分别为A(0,Isc)、和F(Uoc,0)；
根据6个端点确定5段折线方程为：或
其中，x1表示折线的起点，x2表示折线的终点，当采用电压控制策略时采用方程当采用电流控制时采用方程：
一种光伏电池输出特性的模拟方法的实现电路，实现电路由单桥臂电路或H桥组成等，单桥臂电路上串联连接有滤波电路，滤波电路包括串联连接的电阻R和电容C；单桥臂电路包括开关管TV1和开关管TV2，开关管TV1上并联有二极管TDI，开关管TV2上并联有二极管TD2，开关管TV1和开关管TV2的基极均通过驱动电路与DSP控制电路相连接，DSP控制电路分别与辅助电源系统和检测调理电路相连接，检测调理电路设置在滤波电路上；DSP控制电路控制开关管TV1导通、开关管TV2截止，使二极管TD2作为续流二极管，即可实现Buck电路功能，完成对5段折线输出的要求。
所述检测调理电路采集滤波电路上的电压和电流，通过计算得到电阻值，在编程控制时，只需判断电阻R的大小属于输出特性的哪一段，然后利用AB段、BC段、CD段DE段和EF段的不同折线段的方程进行控制，完成光伏特性的输出。
本发明的有益效果：本发明根据一般光伏电池提供商给出光伏电池参数：最大功率Pm，开路电压UOC，短路电流ISC，最大功率点电流Im和最大功率点电压Um，利用5段折线法将光伏电池的输出曲线分别为AB段、BC段、CD段、DE段和EF段5段折线模拟，其中，CD段模拟最大功率输出段，5段折线的A点为短路点、F点为开路点且两者的坐标已知；在电压低于最大输出功率点电压时，电压越低越接近恒流特性；当输出电压高于最大输出功率点电压时，高电压越高越接近恒压的特性；在低电压采用短路电流与最大功率点电流误差折半作为增量的方法确定C点电流坐标值，在高电压采用开路电压与最大功率点电压误差折半作为增量的方法确定D点电压坐标值，然后利用CD段的折线方程求C点电压值和D点电流值，进而得到C点和D点的坐标，B点和E点坐标同样采用差折半作为增量的方法确定；A、B、C、D、E和F点的坐标确定后，5段折线的方程即可确定。本发明模拟的光伏电池输出特性曲线在最大功率点处误差为零，在最大功率点处误差为零且不在折线分段处，增加折线的段数可减少其他位置的误差，并且模拟曲线不会出现多峰值现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的输出特性曲线图。
图2为本发明的实现电路的原理框图。
图3为本发明的实现电路的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种光伏电池输出特性的模拟方法，其步骤如下：
步骤一：获取光伏电池的主要参数：最大功率、开路电压、短路电流、最大功率点电流和最大功率点电压。
所述步骤一中最大功率为Pm，开路电压为UOC，短路电流为ISC，最大功率点电流为Im和最大功率点电压为Um，A端点的坐标为(0,Isc)，F端点的坐标为(Uoc,0)，CD段经过最大功率点的坐标为(Um,Im)。
步骤二：根据光伏电池的主要参数利用5段折线法将光伏电池的输出曲线分别为AB段、BC段、CD段、DE段和EF段5段折线模拟。
本发明的原则为：在最大功率点处误差为零，其它位置误差尽量小，最大功率点不在折线分段点处，模拟曲线不会出现多峰值现象。本发明通过分段折线断点的设置实现该原则，可满足光伏电池模拟器输出的特性曲线能满足后续发电设备的测试需要。5段折线分别为AB段、BC段、CD段、DE段和EF段，其中AB段的A端点对应输出曲线的短路电流点，其坐标为A(0,Isc)；EF段的F端点对应输出曲线的开路电压点F(Uoc,0)；CD段为最大功率点输出段，为保证最大功率点处误差为零，CD段需要经过坐标点(Um,Im)。根据实际光伏输出特性可知，在电压低于最大输出功率点电压时，电压越低越接近恒流特性；当输出电压高于最大输出功率点电压时，高电压越高越接近恒压的特性。所以采用增量差值折半法来确定其它点的坐标。
步骤三：选择AB段的A端点为输出曲线的短路电流点，EF段的F端点为输出曲线的开路电压点；CD段为最大功率点输出段，且CD段经过最大功率点的坐标，确定CD段的折线方程；根据实际光伏输出特性，采用增量差值折半法来确定B点、C点、D点和E点的坐标。
本发明先确定最大功率输出段的折线方程，最大功率点为已知并且处于CD段，可求得CD段的折线方程。按电流差值取半的方法确定B点坐标，按电压差值取半为增量的方法确定D点的坐标，这样可满足在最大功率点处误差为零，可使其它位置误差减小，最大功率点不在折线分段点处，模拟曲线不会出现多峰值现象。
光伏是实际的输出特性为，在电压低于最大输出功率点电压时，电压越低越接近恒流特性；当输出电压高于最大输出功率点电压时，高电压越高越接近恒压的特性。所述确定步骤三中采用短路电流与最大功率点电流误差折半作为增量的方法确定C点电流坐标值，采用开路电压与最大功率点电压误差折半作为增量的方法确定D点电压坐标值，然后利用CD段的折线方程求的C点电压值和D点电流值，得到C点和D点的坐标，实现方法为：
S1确定CD段的折线方程：设CD段的折线方程为：I＝-kU+b；
两边同乘以电压U有：P＝UI＝-kU2+bU；P为功率，I为电流，U为电压。
取得功率最大时有：
可确定：
则含有最大功率点的CD段的折线方程为：
S2确定C点坐标：设C点坐标为(UC，IC)，C点电流坐标值IC是将短路电流ISC与最大功率点电流Im差值一半作为增量，即：
代入CD段的折线方程得到：可求得C点坐标为
S3确定D点坐标：设D点坐标为(UD,ID)，D点电压坐标值UD选为开路电压UOC与最大功率点电压Um差值一半作为增量，即：
代入CD段的折线方程：可求得D点坐标
B点和E点坐标同样采用差折半作为增量的方法确定。所述采用增量差值折半法B点和E点坐标的方法为B点的电流坐标值选为短路电流与C点电流坐标值差值一半作为增量，B点电压坐标值值取C点电压坐标值的一半，E点电压坐标值选为开路电压与D点电压坐标值差值一半作为增量，E点电流坐标值取D点电流坐标值ID值的一半，实现方法为：
设B点坐标为(UB,IB)，B点电流坐标值IB选为短路电流ISC与C点电流坐标值IC差值一半作为增量，即：
B点电压坐标值UB取C点电压坐标值UC的一半即UB＝UC/2，
可求得B点的坐标为：
设E点坐标为(UE,IE)，E点电压坐标值UE选为开路电压UOC与D点电压坐标值UD差值一半作为增量，即
E点电流坐标值IE取D点电流坐标值ID的一半即IE＝ID/2，可求得E点的坐标为：
步骤四：根据A端点、B点、C点、D点、E点和F端点的坐标确定光伏电池的输出曲线。
综上分析，所述5段折线AB段、BC段、CD段、DE段和EF段的端点的坐标分别为 和F(Uoc,0)；
根据6个端点确定5段折线方程为：或
其中，x1表示折线的起点，x2表示折线的终点，当采用电压控制策略时采用电压方程当采用电流控制时采用电流方程：
具体实现可Buck变换组成可编程电源，完成光伏特性曲线的模拟。具体分段原理如图1所示，在低电压段(AB和BC段)采用电流控制，可采用电流方程形式；在高电压段(CD、DE和EF段)采用电压控制，可利用电压方程形式。本发明模拟的光伏电池输出特性曲线，在最大功率点处误差为零且不在折线分段处，增加折线的段数可减少其他位置的误差，并且模拟曲线不会出现多峰值现象。
如图2所示，一种光伏电池输出特性的模拟方法的实现电路，实现电路由单桥臂电路或H桥等组成。实现电路包括单桥臂电路和滤波电路，单桥臂电路上串联连接有滤波电路，滤波电路包括串联连接的电阻R和电容C；单桥臂电路包括开关管TV1和开关管TV2，开关管TV1上并联有二极管TDI，开关管TV2上并联有二极管TD2，DSP控制电路通过驱动电路分别与开关管TV1和开关管TV2的基极相连接，DSP控制电路分别与辅助电源系统和检测调理电路相连接，检测调理电路设置在滤波电路上。DSP控制电路控制开关管TV1，开关管TV2截止，使二极管TD2作为续流二极管，即可实现Buck电路功能，完成对5段折线输出的要求。
所述检测调理电路包括检测电路和调理电路，检测电路包括电压传感器和霍尔电流传感器，电压传感器并联在电容C的两端，霍尔电流传感器串联在电感L和电容C之间，调理电路采用二阶巴特沃斯低通滤波电路。调理电路根据DSP控制电路内部AD模块特点，将信号调理为0-3V，并增加限幅功能保证信号在DSP内部AD模块能接受的信号范围之内，防止信号电压过大造成对DSP的损坏。
所述控制策略在光伏特性曲线的具体参数已经选定的情况下，通过电压传感器和霍尔电流传感器分别采集过来的电压和电流的值，通过计算得到外部电路等效电阻值。当电阻值小于等于时，选择AB段方程，选择电流方程；当电阻值大于小于等于时，选择BC段方程，选择电流方程；当电阻值大于小于等于时，选择CD段方程，选择电压方程；当电阻值大于小于等于时，选择DE段方程，选择电压方程；当电阻值大于时，选择EF段方程，选择电压方程。在编程的时候，只需要判断电阻值的大小属于五段折线中的哪一段，然后采用其相应的方程进行控制即可，其中第AB段、BC段采用的控制是电流控制法，CD段、DE段和EF段采用电压控制法。
本发明实现电路的工作流程为：系统上电后，首先检测调理电路检测系统的工作状况，根据需要模拟光伏电池参数的不同，根据5段折线方程DSP控制电路控制输出的电流和电压，使其达到模拟光伏电池输出特性的需要。
本发明的特点如下：
1、利用5段折线法将光伏电池的输出曲线分别为AB段、BC段、CD段、DE段和EF段5段折线模拟，其中CD段模拟最大功率输出段。
2、最大功率点为已知并且处于CD段，可求得CD段的折线方程。光伏是实际的输出特性为，在电压低于最大输出功率点电压时，电压越低越接近恒流特性；当输出电压高于最大输出功率点电压时，高电压越高越接近恒压的特性。所以采用短路电流与最大功率点电流误差折半作为增量的方法确定C点电流坐标值，采用开路电压与最大功率点电压误差折半作为增量的方法确定D点电压坐标值，然后利用CD段的折线方程求的C点电压值和D点电流值，进而得到C点和D点的坐标。B点和E点坐标同样采用差折半作为增量的方法确定。A、B、C、D、E和F点的坐标确定后，5段折线的方程即可确定。本发明模拟的光伏电池输出特性曲线，在最大功率点处误差为零，在最大功率点处误差为零且不在折线分段处，增加折线的段数可减少其他位置的误差，并且模拟曲线不会出现多峰值现象。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种光伏电池输出特性的模拟方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一：获取光伏电池的主要参数：最大功率、开路电压、短路电流、最大功率点电流和最大功率点电压；
步骤二：根据光伏电池的主要参数利用5段折线法将光伏电池的输出曲线分别为AB段、BC段、CD段、DE段和EF段5段折线模拟；
步骤三：选择AB段的A端点为输出曲线的短路电流点，EF段的F端点为输出曲线的开路电压点；CD段为最大功率点输出段，且CD段经过最大功率点的坐标，确定CD段的折线方程；根据实际光伏输出特性，采用增量差值折半法来确定B点、C点、D点和E点的坐标；
步骤四：根据A端点、B点、C点、D点、E点和F端点的坐标确定光伏电池的输出曲线。
2.根据权利要求1所述的光伏电池输出特性的模拟方法，其特征在于，所述步骤一中最大功率为Pm，开路电压为UOC，短路电流为ISC，最大功率点电流为Im和最大功率点电压为Um，A端点的坐标为(0,Isc)，F端点的坐标为(Uoc,0)，CD段经过最大功率点的坐标为(Um,Im)。
3.根据权利要求1或2所述的光伏电池输出特性的模拟方法，其特征在于，所述确定步骤三中采用短路电流与最大功率点电流误差折半作为增量的方法确定C点电流坐标值，采用开路电压与最大功率点电压误差折半作为增量的方法确定D点电压坐标值，然后利用CD段的折线方程求的C点电压值和D点电流值，得到C点和D点的坐标，实现方法为：
S1确定CD段的折线方程：设CD段的折线方程的电流为：I＝-kU+b；
两边同乘以电压U有功率：P＝UI＝-kU2+bU；
取得功率最大时有：
可确定：
则含有最大功率点的CD段的折线方程为：
S2确定C点坐标：设C点坐标为(UC，IC)，C点电流坐标值IC是将短路电流ISC与最大功率点电流Im差值一半作为增量，即：
代入CD段的折线方程得到：可求得C点坐标为
S3确定D点坐标：设D点坐标为(UD,ID)，D点电压坐标值UD选为开路电压UOC与最大功率点电压Um差值一半作为增量，即：
代入CD段的折线方程：可求得D点坐标
4.根据权利要求3所述的光伏电池输出特性的模拟方法，其特征在于，所述采用增量差值折半法B点和E点坐标的方法为B点的电流坐标值选为短路电流与C点电流坐标值差值一半作为增量，B点电压坐标值值取C点电压坐标值的一半，E点电压坐标值选为开路电压与D点电压坐标值差值一半作为增量，E点电流坐标值取D点电流坐标值ID值的一半，实现方法为：
设B点坐标为(UB,IB)，B点电流坐标值IB选为短路电流ISC与C点电流坐标值IC差值一半作为增量，即：
B点电压坐标值UB取C点电压坐标值UC的一半即UB＝UC/2，
可求得B点的坐标为：
设E点坐标为(UE,IE)，E点电压坐标值UE选为开路电压UOC与D点电压坐标值UD差值一半作为增量，即
E点电流坐标值IE取D点电流坐标值ID的一半即IE＝ID/2，可求得E点的坐标为：
5.根据权利要求4所述的光伏电池输出特性的模拟方法，其特征在于，所述5段折线AB段、BC段、CD段、DE段和EF段的端点的坐标分别为A(0,Isc)、 和F(Uoc,0)；
根据6个端点确定5段折线方程为：或
其中，x1表示折线的起点，x2表示折线的终点，当采用电压控制策略时采用方程当采用电流控制时采用方程：
6.根据权利要求1或5所述的光伏电池输出特性的模拟方法的实现电路，其特征在于，实现电路由单桥臂电路或H桥组成，单桥臂电路上串联连接有滤波电路，滤波电路包括串联连接的电阻R和电容C；单桥臂电路包括开关管TV1和开关管TV2，开关管TV1上并联有二极管TDI，开关管TV2上并联有二极管TD2，开关管TV1和开关管TV2的基极均通过驱动电路与DSP控制电路相连接，DSP控制电路分别与辅助电源系统和检测调理电路相连接，检测调理电路设置在滤波电路上；DSP控制电路控制开关管TV1导通、开关管TV2截止，使二极管TD2作为续流二极管，即可实现Buck电路功能，完成对5段折线输出的要求。
7.根据权利要求6所述的光伏电池输出特性的实现电路，其特征在于，所述检测调理电路采集滤波电路上的电压和电流，通过计算得到电阻值，在编程控制时，只需判断电阻R的大小属于输出特性的哪一段，然后利用AB段、BC段、CD段DE段和EF段的不同折线段的方程进行控制，完成光伏特性的输出。
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