CN109814407A - 一种数字式光伏阵列模拟器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字式光伏阵列模拟器及其控制方法。光伏阵列模拟器包括，功率变换模块的输入端连接到直流电源，输出端为光伏阵列模拟器的输出端，且输入端与输出端之间电气隔离；控制模块包括依次连接的A/D转换单元、参考电压/电流计算单元和脉冲宽度调制单元，其中，A/D转换单元的输入端通过信号调理模块连接到功率变换模块的输出端，脉冲宽度调制单元的输出端通过开关驱动模块连接到功率变换模块的控制端。本发明的有益效果在于，能够模拟任意环境条件下光伏阵列输出特性、可全天候进行光伏发电系统研究；控制方法将光伏阵列的数学模型分为两个区段，在不同的区段采用不同的输出特性函数，能够更精确地模拟光伏阵列的输出特性。

Description

一种数字式光伏阵列模拟器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是一种数字式光伏阵列模拟器及其控制方法，主要 应用在光伏行业，模拟光伏阵列的输出特性。

背景技术

光伏发电是当前利用太阳能的主要方式之一，也是研究的热点。光伏阵列是将太阳能转 换为电能的，是光伏发电系统中极其重要的构成部件。光伏阵列的输出电压-电流关系随光照 强度、环境温度等参数呈现明显的非线性特性。在实际的研究和调试中，采用光伏阵列往往 受到环境因素的限制，难以直接使用。因此，光伏阵列模拟器就成了必不可少的实验工具。 光伏阵列模拟器的功能是模拟任意光照及温度、任意功率要求条件下的光伏阵列输出特性。 传统的光伏阵列模拟器常采用仿日照灯模拟光源的方法，这种方法制作复杂，成本高，能量 损耗大。

随着电力电子技术的发展，单片机作为主控器件的数字式光伏阵列模拟器得到广泛的研 究。从控制算法的角度，现有数字式光伏阵列模拟器主要通过单片机等控制器的控制使开关 变换器的输出电压、电流满足光伏特性曲线，并通过存储多条光伏电池输出特性曲线数据的 方法实现光伏阵列输出特性曲线的改变。其主要缺点是：需要大容量存储器来存储不同环境 下光伏阵列的输出特性数据，成本较高；无法模拟任意环境条件的光伏阵列输出特性。从电 路结构的角度，现有的光伏模拟器多采用非隔离的开关变换器作为功率变换电路，当用于多 模拟器串联/并联的系统中时会出现不稳定，也有采用隔离型开关变换器拓扑的数字式光伏阵 列模拟器，但其结构复杂，成本较高。从可视化和可观测的角度，现有的数字式光伏阵列模 拟器缺乏简单直观的人机交互系统，无法实时监测和改变模拟器的输出特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种数字式光伏阵列模拟器及其控制方法。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种数字式光伏阵列模拟器，包括功率变换模块、信号调理模块、控制模块和开关驱动 模块；所述功率变换模块的输入端连接到直流电源，输出端为光伏阵列模拟器的输出端，且 输入端与输出端之间电气隔离；所述控制模块包括依次连接的A/D转换单元、参考电压/电流 计算单元和脉冲宽度调制单元，其中，A/D转换单元的输入端通过信号调理模块连接到功率 变换模块的输出端，脉冲宽度调制单元的输出端通过开关驱动模块连接到功率变换模块的控 制端。

进一步地，所述控制模块还包括通信单元，通信单元分别连接到A/D转换单元和参考电 压/电流计算单元；所述通信单元还通过通信模块连接到人机交互模块。

进一步地，所述功率变换模块为隔离型Cuk变换器。

一种数字式光伏阵列模拟器的控制方法，包括

步骤1：设定模拟器的开路电压V_oc和短路电流I_sc，拟合得到所述模拟器的输出特性曲线；

步骤2：设定分段点，将输出特性曲线分为以电流模式输出的区段I和以电压模式输出的区段 II；

步骤3：采样得到模拟器的输出电压V_o和输出电流I_o，如输出电压V_o小于分段点的电压值， 则令模拟器工作于区段I，否则令模拟器工作于区段II；

所述模拟器工作于区段I，包括

计算输出电流参考值其中a1和a2为常数；

进行PI运算；

生成PWM信号控制模拟器中功率变换模块的开关管；

所述模拟器工作于区段II，包括，比较输出电流I_o和短路电流I_sc，

如输出电流I_o大于或等于短路电流I_sc，则

计算输出电流参考值I_{o_ref}＝I_sc-ΔI，其中ΔI为常数；

进行PI运算；

生成PWM信号控制模拟器中功率变换模块的开关管；

返回步骤3；

如输出电流I_o小于短路电流I_sc，则

计算输出电压参考值

进行PI运算；

生成PWM信号控制模拟器中功率变换模块的开关管。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、数字式光伏阵列模拟器能够模拟任意环境条件下光伏阵列输出特性、可全天候进行光伏发 电系统研究。

2、功率变换模块采用单级隔离型开关变换器，实现输入端与输出端的电气隔离，能用于多模 拟器串联/并联的分布式光伏系统中，且结构简单，成本低廉。

3、设计了可视化程度较高的人机交互系统，能够实时监测光伏阵列模拟器的理论曲线和实际 工作点，且能够实时改变光伏阵列模拟器的工作曲线。

4、通过设定的开路电压V_oc和短路电流I_sc对光伏阵列的输出特性进行拟合，能够模拟任意环 境条件下的光伏阵列输出特性，无需存储多条光伏阵列输出特性的数据，降低了存储成本。 并且，将光伏阵列的数学模型分为两个区段，在不同的区段采用不同的输出特性函数和控制 方法，能够更精确地模拟光伏阵列的输出特性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的实施例一中功率变换模块的原理图。

图3是本发明的实施例一中光伏阵列的电流-电压输出特性曲线及分段示意图。

图4是本发明的实施例一中控制模块的程序流程图。

图5是本发明的实施例一中数字式光伏阵列模拟器的实测输出特性曲线及动态工作点。

图6是本发明的实施例二中功率变换模块后级连接Boost变换器并实现最大功率点跟踪 控制的原理图。

图7是本发明的实施例二中数字式光伏阵列模拟器的实测输出特性曲线及动态工作点。

具体实施方式

本发明要解决的技术问题是提供一种数字式光伏阵列模拟器，该模拟器能够模拟任意环 境条件下光伏阵列输出特性、可全天候进行光伏发电系统研究，通过光伏阵列的输出电压和 输出电流的数学模型计算模拟器的输出电压/电流参考值，无需存储多条光伏阵列的输出特性 数据，从而降低存储成本，通过采用单级隔离型开关变换器的方式使模拟器能用于多模拟器 串联/并联系统，同时，能够通过可视化程度较高的人机交互模块实现对模拟器输出特性的监 测和改变。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种数字式光伏阵列模拟器，包括直 流电源、功率变换模块、信号调理模块、控制模块、通信模块、开关驱动模块、辅助电源模 块。功率变换模块输入端接直流电源，输出端作为整个模拟器的输出，可以连接负载或者后 级变换器，功率变换模块的输出端接信号调理模块的输入端。信号调理模块的输入端接功率 变换模块的输出端，对功率变换模块的输出电压和输出电流进行采样和调理，并将调理之后 的采样值作为控制模块中A/D转换单元的输入。控制模块包括A/D转换单元、参考电压/电 流计算单元、脉冲宽度调制单元和通信单元，其中，A/D转换单元用于将采样得到的模拟量 转换为数字量，并将该数字量送至参考电压/电流计算单元，参考电压/电流计算单元通过对光 伏阵列输出特性的拟合计算出电压和电流的参考值，脉冲宽度调制单元通过上述电压/电流的 参考值产生对应的开关信号，通信单元用于实现控制模块与人机交互模块的通信。脉冲宽度 调制单元产生的开关信号作为开关驱动模块的输入，使开关驱动模块输出相应的开关信号， 驱动功率变换模块中的开关管导通和关断，从而使功率变换模块的输出特性与光伏阵列的输 出特性一致。

控制模块是实现模拟器输出特性与实际光伏阵列输出特性一致的关键，现有技术中有多 种算法能够实现，但现有算法存在存储成本高、算法复杂、模拟精度低等诸多缺点。

本发明为了精确地模拟光伏阵列的输出特性，将光伏阵列的输出特性曲线分为两个区段： 在区段I，通过实际采样得到的输出电压计算输出电流的参考值，并控制功率模块以电流模式 输出；在区段II，通过实际采样得到的输出电流计算输出电压的参考值，并控制功率模块以 电压模式输出。

具体的算法执行步骤如下：

(1)数字式光伏阵列模拟器启动之后，A/D转换单元采样功率变换模块的输出电压和输出 电流，然后执行步骤(2)。

(2)判断通信单元是否接收到来自人机交互模块设定的新的开路电压V_oc和短路电流I_sc， 若接收到，则更新存储的开路电压和短路电流，然后执行步骤(3)，否则，直接执行步骤(3)。

(3)根据采样得到的功率模块输出电压判断工作区间，若模拟器工作于区段I，参考电压/ 电流计算单元根据光伏阵列在区段I的电流-电压输出特性函数计算输出电流的参考值，并产 生相应的开关信号，控制功率变换模块中开关管的导通与关断，使功率变换模块的输出电流 和输出电压按光伏阵列的输出特性变化。若模拟器工作于区段II，则执行步骤(4)。

(4)参考电压/电流计算单元比较设定的短路电流与采样到的功率变换模块输出电流I_o的 大小关系，若I_sc>I_o，则直接执行步骤(5)；若I_sc≤I_o，则设定功率变换模块以电流模式输出， 且输出电流的参考值递减，并采样功率变换模块的输出电流，直到采样到的功率变换模块的 输出电流满足I_sc>I_o时，执行步骤(5)。

(5)参考电压/电流计算单元按照光伏阵列在区段II的电压-电流输出特性函数计算功率变 换模块输出电压的参考值，进一步产生相应的开关信号，使功率变换模块的输出电流和输出 电压按光伏阵列的输出特性变化。

通信模块与控制模块和人机交互模块连接，实现双向通信的功能。通信模块实时的将控 制模块中A/D转换单元采样得到的输出电压和输出电流传送至人机交互模块，使人机交互模 块能够实时监测模拟器的输出特性，同时，当人机交互模块需要改变模拟器的输出特性时， 通信模块将人机交互模块设定的开路电压V_oc和短路电流I_sc发送至控制模块。

辅助供电模块以直流电源为输入，输出端分别接至信号调理模块、控制模块、开关驱动 模块和通信模块，其功能是为上述模块提供电源。

本发明的一种具体实施方式如图1所示，数字式光伏模拟器包括：直流电源、功率变换 模块、信号调理模块、控制模块、通信模块、开关驱动模块、辅助供电模块。功率变换模块 的输入端与直流电源连接，功率变换模块的输出端作为该数字式光伏阵列模拟器的输出，信 号调理模块的输入端与功率变换模块的输出端连接，信号调理模块的输出端与控制模块中 A/D转换单元的输入端连接，控制模块中脉冲宽度调制单元的输出端与开关驱动模块的输入 端连接，开关驱动模块的输出端与功率变换模块连接。

功率变换模块的输入端与直流电源连接，功率变换模块是数字式光伏模拟器的主功率电 路，且需要实现输入端与输出端的电气隔离；同时，信号调理模块对功率变换模块的输出电 压和输出电流进行采样和调理，控制模块对信号调理模块的输出电压和输出电流进行模数转 换，并根据光伏阵列的输出特性和设定的开路电压、短路电流值计算光伏阵列模拟器的输出 参考电压/输出参考电流，进一步产生脉冲信号，脉冲信号经过开关驱动模块之后，产生能用 于驱动开关管的开关信号，从而控制功率变换模块中的开关管导通和关断，以实现对光伏阵 列输出特性的模拟。

信号调理模块包括电压采样调理电路和电流采样调理电路，其原理均为基于运算放大器 的差分采样电路，功率变换模块的输出电压和输出电流经过信号调理模块的处理之后，变换 为能够作为满足控制模块中A/D转换单元输入要求的模拟信号。

控制模块包括A/D转换单元、参考电压/电流计算单元、脉冲宽度调制单元、通信单元。 A/D转换单元输入端与信号调理模块的输出端连接，将采样和调理之后的功率变换模块输出 电压和输出电流模拟量转换为对应的数字量，A/D转换单元的输出端与参考电压/电流计算单 元的输入端连接；参考电压/电流计算单元根据光伏阵列的输出特性和设定的开路电压V_oc和 短路电流I_sc计算出功率变换模块的输出参考电压或输出参考电流，再将上述计算得到的理论 参考值与采样得到的实际输出电压和输出电流进行比较和运算，运算结果作为参考电压/电流 计算单元的输出量；参考电压/电流计算单元的输出端与脉冲宽度调制单元的输入端连接，脉 冲宽度调制单元通过比较参考电压/电流计算单元的运算结果和数字锯齿波比较，得到对应的 开关信号，脉冲宽度调制单元的输出端与开关驱动模块的输入端连接，开关驱动模块的输出 端与功率变换模块连接。通信单元是指集成在控制模块中的CAN通信接口和CAN通信协议， 用于实现控制模块和人机交互模块之间的通信，具体的工作过程是：通信单元实时的将A/D 转换单元得到的输出电压和输出电流发送至人机交互模块，从而实现对光伏阵列模拟器输出 特性的在线监测；同时，通信单元实时接收来自人机交互模块设定的开路电压V_oc和短路电 流I_sc，并将V_oc和I_sc发送至参考电压/电流计算单元，从而实时改变光伏阵列模拟器的输出特 性曲线。

通信模块的具体实施方式为CAN分析仪，通信模块的一端与控制模块中的通信单元连 接，另一端与人机交互模块连接，三者之间均为双向通信的关系。

人机交互模块的具体实施方式为基于CAN通信的上位机，为了实现在线监测和实时改变 光伏阵列模拟器的输出特性，基于CAN通信的上位机应该具备四个功能：

1.随时启动或者停止整个光伏阵列模拟器的工作；

2.根据设定的开路电压、短路电流和光伏阵列的输出特性来绘制理论的光伏阵列输出特 性曲线；

3.能够将设定的开路电压和短路电流经通信模块发送至控制模块，从而改变光伏阵列模 拟器的输出特性；

4.实时接收来自控制模块的模拟器输出电压和输出电流，并将其显示在上位机界面，从 而实时观测模拟器的动态工作点。

实施例一：

如图2所示，功率变换模块的具体实施电路为隔离型Cuk变换器，包括输入电感L₁，开 关管S，第一储能电容C₁，变压器TR，第二储能电容C₂，二极管D，输出电感L₂，滤波电 容C_out。开关驱动模块产生的驱动信号控制开关管S的导通和关断，从而使隔离型Cuk变换 器的输出电压和输出电流满足光伏阵列的输出特性。隔离型Cuk变换器的输入端与直流电源连接，输出端与可变电阻R连接，且隔离变压器TR能够实现数字式光伏阵列模拟器的输入侧与输出侧的电气隔离，单级变换器即可实现电气隔离和功率变换的目的，具有结构简单，成本较低的优点。

图3示出，光伏阵列电流-电压输出特性曲线和功率-电压输出特性曲线。及区段分界点 的电压和电流值。全局曲线可分解为区段I和区段II，以最大功率点为分界点，最大功率点 的左侧为区段I，最大功率点的右侧为区段II。其中，区段I对输出电流进行控制，当图2示 出的隔离型Cuk变换器输出电压位于区段I时，控制模块控制隔离型Cuk变换器以电流形式 输出，输出电流的参考值与采样得到的输出电压的关系表示：

区段II对输出电压进行控制，当图2示出的隔离型Cuk变换器输出电压位于区段II时， 控制模块控制隔离型Cuk变换器以电压形式输出，输出电压的参考值与采样得到的输出电流 的关系表示：

其中，V_oc和I_sc分别表示设定的开路电压和短路电流，V_o和I_o分别表示实际采样到的输 出电压和输出电流，最大功率点电压为0.77V_oc，最大功率点电流为0.9I_sc，a₁和a₂为常数， a₁＝0.000049，a₂＝0.100746。

图4示出，控制模块的主控制程序运行流程图。具体的执行过程如下：

(1)程序开始时刻，控制模块判断启动标志位是否为1，若启动标志位为0，则清除PI运 算结果，清除PWM信号，使数字式光伏模拟器停止工作，若启动标志位为1，则A/D转换单元采样功率变换模块的输出电压和输出电流，然后执行步骤(2)。

(2)判断通信单元的CAN接收标志位是否为1，若CAN接收标志位为1，则表示接收到来自人机交互模块设定的新的开路电压V_oc和短路电流I_sc，进一步更新V_oc和I_sc，然后执行步骤(3)，否则，直接执行步骤(3)。

(3)参考电压/电流计算单元根据采样得到的功率模块输出电压判断工作区间，若V_o< 0.77V_oc，则模拟器工作于区段I，参考电压/电流计算单元根据光伏阵列在区段I的电流-电压 输出特性函数计算输出电流的参考值，进一步进行PI运算，并产生相应的PWM信号，使功 率变换模块的输出电流和输出电压按光伏阵列的输出特性变化。若V_o≥0.77V_oc，则模拟器工 作于区段II，参考电压/电流计算单元按步骤(4)执行。

(4)参考电压/电流计算单元比较设定的短路电流I_sc与采样到的功率变换模块输出电流I_o的大小关系，若I_sc>I_o，则直接执行步骤(5)；若I_sc≤I_o，则设定功率变换模块的输出电流参 考值递减，并采样功率变换模块的输出电流，直到采样到的功率变换模块的输出电流满足I_sc> I_o时，参考电压/电流计算单元按步骤(5)执行。

(5)参考电压/电流计算单元按照光伏阵列在区段II的电压-电流输出特性函数计算功率变 换模块输出电压的参考值，进一步进行PI运算，并产生相应的PWM信号，使功率变换模块 的输出电流和输出电压按光伏阵列的输出特性变化。

图5示出，数字式光伏阵列模拟器在输出端连接负载电阻时的实测输出特性。图5的实 测条件：输入电压V_in＝48V，功率变换模块中电感L₁＝330μH，电感L₂＝330μH，隔离模块 的开关频率为100kHz，变压器TR匝比为28:30，第一储能电容C₁＝100μF，第二储能电容C₂＝100μF，滤波电容C_out＝220μF，控制模块采用的单片机型号为STM32F103C8T6，开关 驱动模块的驱动芯片型号为SI8233。开关管S型号为FQP32N20C，二极管D型号为RHRP3060，负载电阻R从200Ω减小至1Ω。从图中可以看出，数字式光伏阵列模拟器在负 载电阻变化时能够精确地模拟光伏阵列的输出特性。

实施例二：

如图6所示，本发明实施例二与实施例一基本相同，不同之处是：本例的数字式光伏模 拟器后级连接Boost变换器，并对后级Boost变换器进行最大功率点跟踪控制，其中最大功 率点跟踪控制的控制算法选择用扰动观察法。

图7示出，本发明的实施例二实测输出特性曲线及动态工作点，从图中可以看出，当本 发明的后级连接Boost变换器并进行最大功率点跟踪控制时，其动态工作点在最大功率附近， 能够实现最大功率点跟踪的功能。

本发明提供一种数字式光伏阵列模拟器，该模拟器的主功率电路采用单级隔离型变换器， 实现了输入与输出之间的电气隔离，且电路结构简单。在控制算法上，该模拟器将光伏阵列 的输出特性分为两个区段，在不同的区段，采用不同的光伏阵列数学模型来计算模拟器输出 的参考电压/输出参考电流，同时，不同区段采用不同的控制方法，实现对光伏阵列输出特性 的精确模拟。本发明还设计了通信模块和人机交互模块，能够实时的监测和改变该模拟器的 输出特性。

Claims (4)

1.一种数字式光伏阵列模拟器，其特征在于，包括功率变换模块、信号调理模块、控制模块和开关驱动模块；所述功率变换模块的输入端连接到直流电源，输出端为光伏阵列模拟器的输出端，且输入端与输出端之间电气隔离；所述控制模块包括依次连接的A/D转换单元、参考电压/电流计算单元和脉冲宽度调制单元，其中，A/D转换单元的输入端通过信号调理模块连接到功率变换模块的输出端，脉冲宽度调制单元的输出端通过开关驱动模块连接到功率变换模块的控制端。

2.如权利要求1所述的一种数字式光伏阵列模拟器，其特征在于，所述控制模块还包括通信单元，通信单元分别连接到A/D转换单元和参考电压/电流计算单元；所述通信单元还通过通信模块连接到人机交互模块。

3.如权利要求1或2所述的一种数字式光伏阵列模拟器，其特征在于，所述功率变换模块为隔离型Cuk变换器。

4.一种数字式光伏阵列模拟器的控制方法，其特征在于，包括

步骤1：设定模拟器的开路电压V_oc和短路电流I_sc，拟合得到所述模拟器的输出特性曲线；

步骤2：设定分段点，将输出特性曲线分为以电流模式输出的区段I和以电压模式输出的区段II；

步骤3：采样得到模拟器的输出电压V_o和输出电流I_o，如输出电压V_o小于分段点的电压值，则令模拟器工作于区段I，否则令模拟器工作于区段II；

所述模拟器工作于区段I，包括

计算输出电流参考值其中a₁和a₂为常数；

进行PI运算；

生成PWM信号控制模拟器中功率变换模块的开关管；

所述模拟器工作于区段II，包括，比较输出电流I_o和短路电流I_sc，

如输出电流I_o大于或等于短路电流I_sc，则

计算输出电流参考值I_{o_ref}＝I_sc-ΔI，其中ΔI为常数；

进行PI运算；

生成PWM信号控制模拟器中功率变换模块的开关管；

返回步骤3；

如输出电流I_o小于短路电流I_sc，则

计算输出电压参考值

进行PI运算；

生成PWM信号控制模拟器中功率变换模块的开关管。