CN115102499A - 一种简易可模拟环境参数变化的硬件i-v外环控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明简易可模拟环境参数变化的硬件I‑V外环控制系统，包括短路电流编辑调节电路单元、硬件I‑V曲线编辑单元、功率端负载阻抗等效映射电路单元、目标信号基准电流采样放大电路单元、压控电流源功率放大单元、功率输出端口电压采样电路单元和被测设备。本发明解决输出基准I‑V曲线单一问题，无法在线模拟不同环境因素、不同材质PV板以及不同FF曲线的模拟输出问题，同时在动态响应方面保留了硬件I‑V外环对工作点高速收敛的性能优势。此外，本发明提出的硬件I‑V外环控制系统，采用纯硬件电路实现，相比于数字I‑V外控方式，电路结构单，PVS整机实现成本和开发成本更低，有利于PVS整机设备的工业化生产和功率等级的提高。
Description
技术领域
本发明属于光伏模拟器领域，涉及一种简易可模拟环境参数变化的硬件I-V外环控制系统。
背景技术
在光伏发电系统中，光伏电池阵列板可将太阳能转换为电能输出，大型的光伏源阵列板是大量光伏电池单体的串并联组合而成。然而实际的光伏阵列在应用中，其输出的功率I-V曲线会受到环境因素的影响，如温度的变化，光照强度的变化，或是灰尘、阴影覆在太阳能电池板的表面，都会导致光伏阵列特性输出I-V曲线的变化。而这些实际PV板功率输出的变化条件下，需要后级的光伏逆变器设备均可保持稳定的功率输出能力，尤其是实际复杂极端工况条件下，保证能量变换系统的可靠性是非常重要的。为了保证光伏源逆变器模块测试性能的可靠性，需要测试的光伏模拟器（Photovoltaic Simulator，PVS）需要具备优良的电性能，如足够高的动态响应性能，可编辑性多样化的I-V功率曲线输出以及低成本高可靠性等。
目前市面上光伏模拟器（Photovoltaic Simulator，PVS）按照I-V外环的控制类型来划分，主要有模拟式和数字式的光伏阵列模拟器，其中模拟式又称为硬件电路构成的I-V外环控制方式，一般该硬件I-V外环控制电路可以是基于太阳能电池单体、二极管或LED等来实现I-V基准曲线的输出。基于硬件式I-V外环控制方法，具有整机PVS动态响应性能高，结构简单，成本低，可靠性高等优点，满足工业级测试型PVS的性能需求，缺点则是可实现的I-V基准输出曲线单一，不可做到I-V基准曲线的灵活变换功能，即无法实现环境因素条件对PV板影响下所对应的I-V基准曲线输出，例如光照、温度、遮挡等。另一种数字式光伏模拟器则是采用数字控制器，通过查表法或指数模型计算法则生成I-V外环基准曲线的外环控制方式，该控制方式曲线生成灵活，可以通过表格编辑的方式，实现任意I-V基准曲线的输出，也是当前PVS应用最为广泛的I-V外环控制方案之一。但是数字式I-V外环控制方式，响应速度较慢，在工作点快速变化的工况条件下，无法快速收敛至目标工作点，同时数字式PVS整机方案涉及到数字控制器编程、特定AD或DA的选配，致使PVS的开发难度和门槛较高，整机成本和维护成本高。随着电力电子技术的不断发展，现在更有了数模混合式的光伏模拟器，主要是为了解决动态响应性性能问题和I-V基准曲线多样化的问题。
对于工业级光伏源逆变器测试应用领域，对所需的PVS测试电源设备的动态响应性能、输出功率I-V曲线的模拟精度、单台设备输出的功率等级、I-V曲线可编辑功能以及整机成本等指标性能均有相应要求。而当前工业级应用最为广泛的PVS均采用数字I-V外环控制方法，成本高昂，且随着逆变器MPPT控制算法的成熟和速率的提高，该方案下的PVS动态响应性能差的问题将越发凸显。所以，需要开发出一种满足工业级测试功率等级条件下的，高动态响应以及低成本的I-V外环控制方法，同时可实现多样化的I-V曲线的编辑功能，来模拟输出不同环境因素条件对PV板影响，保证在实际不同极端工况下，对光伏源逆变器性能的可靠开发和出厂测试。
发明内容
1.所要解决的技术问题：
现有技术基于硬件I-V外环控制的PVS电源，模拟输出的I-V曲线单一，不可编辑，不可模拟实际环境因素，如光照强度、温度、遮挡等，对PV板输出的功率I-V曲线影响；
基于硬件I-V外环控制的PVS电源无法实现不同材质PV板输出I-V特性曲线模拟，无法兼容不同类型PV板条件下，极限工况条件下的功率输出模拟；
基于数字I-V外环控制的PVS电源动态响应性能相比较差，无法实现更高速率的MPPT算法的工作点收敛性能；
基于数字I-V外环控制的PVS电源曲线模拟精度较差，数字I-V外环控制多基于查表和指数模型，相比于真实PV光伏板输出差距较大，与真实PV板输出的I-V曲线相比，模拟精度差；
基于数字I-V外环控制的PVS电源整机开发成本和维护成本高。
2.技术方案： 。
为了解决以上问题，本发明提供了一种简易可模拟环境参数变化的硬件I-V外环控制系统，包括硬件I-V外环控制部分和功率放大部分，所述硬件I-V外环控制部分包括短路电流编辑模块、功率端负载阻抗等效映射电路单元和目标信号基准电流采样放大电路单元，功率端负载阻抗等效映射电路单元和短路电流编辑模块之间设有硬件I-V曲线编辑单元，所述功率放大部分包括压控电流源功率放大单元、被测设备、功率输出端口电压采样电路单元，功率端负载阻抗等效映射电路单元、目标信号基准电流采样放大电路单元、压控电流源功率放大单元、被测设备、功率输出端口电压采样电路单元、功率端负载阻抗等效映射电路单元依次连接，组成一个闭环；所述短路电流编辑模块调节输入PV电池单体的电流值，功率端负载阻抗等效映射电路单元是用来改变PV电池单体两端电压值U_pv，实现I-V特性曲线的生成，所述目标信号基准电流采样放大电路单元对PV电池单体的输出电流值Iin进行采样输出给压控电流源功率放大单元。所述压控电流源功率放大单元是对输入的电流进行放大然后将放大后的电流接入被测设备得到电压值，最后将电压送入所述功率输出端口电压采样电路单元从而回控所述功率端负载阻抗等效映射电路单元实现硬件闭环。
所述短路电流编辑模块采用双路高速电压反馈放大器，双路高速电压反馈运算放大器用正负电源VEE和VCC进行供电，在正向端输入端入一个基准电压U_Isc_ref，电路通过检测采样电阻上的电压，送到反馈运算放大器的反向端，与给定基准电压U_Isc_ref进行比较使得采样电阻两端的电压等于U_Isc_ref,便可以得到一个采样电阻支路电流Iref，实现电压线性地控制电流。
所述短路电流编辑模块中的反馈运算放大器和MOSFET连接，所述MOSFET利用VDD进行供电。
所述功率端负载阻抗等效映射电路单元，由两个双路高速电压反馈运算放大器组成，都采用正负电源VEE和VCC进行供电，差分采样电路来对MOSFET漏极和源极两端的电压进行放大或缩小后输送到运放正端。使得运放正端电压与负端电压相等，从而控制MOSFET漏极与源极两端电压。
所述硬件I-V曲线编辑单元如包括真实PV电池单体，和真实PV电池单元并联的填充因子FF编辑参数Rp，所述真实PV电池单元和填充因子FF编辑参数Rp并联后，通过环境温度影响编辑参数Rs和功率端负载阻抗等效映射电路单元连接。
所述真实PV电池单体采用插拔式组装。
3.有益效果：
本发明提出的硬件I-V外环控制系统，相比于传统硬件I-V外环控制方式，解决输出基准I-V曲线单一问题，以及无法在线模拟不同环境因素、不同材质PV板以及不同FF曲线的模拟输出问题，同时在动态响应方面保留了硬件I-V外环对工作点高速收敛的性能优势。此外，本发明提出的硬件I-V外环控制系统，采用纯硬件电路实现，相比于数字I-V外控方式，电路结构单，PVS整机实现成本和开发成本更低，有利于PVS整机设备的工业化生产和功率等级的提高。
本发明所提出的硬件I-V外环控制系统，采用真实PV电池单体作为目标基准I-V曲线生成部分，同时硬件电路接口可方便插拔切换不同材质类型的PV电池单体，可以实现整机PVS可模拟输出真实的且不同材质条件下的PV板，所对应的I-V功率曲线的模拟输出能力，I-V曲线模拟精度更高，更接近于真实PV板的I-V功率曲线输出。
本发明所提出的硬件I-V外环电路设计了两个调控元件即串联电阻Rs和并联电阻Rp，通过参数化调配该两电阻阻值，可等效实现环境因素中温度对PV板I-V功率曲线输出的影响情况，以及不同填充因子（Fill Factor，FF）I-V曲线的模拟功能。
本发明所提出的硬件I-V外环控制系统，可调控输入PV电池单元的电流值，可实现硬件I-V外环单元对不同短路电流的模拟，从而等效实现了环境因素中光照强度变化对PV板I-V功率曲线输出的影响情况。
本发明所提出的硬件I-V外环控制系统实现方法更加的简单，成本更低，更易于操作。
附图说明
图1是PVS整机实现结构组成示意图。
图2是短路电流编辑调节电路单元。
图3是硬件I-V曲线编辑单元电路。
图4是功率端负载阻抗等效映射电路单元。
图5是输出I-V特性曲线随输入电流Iref的变化曲线。
图6是输出I-V特性曲线随环境温度影响编辑参数Rs阻值的变化曲线。
图7是输出I-V特性曲线随填充因子FF编辑参数Rp阻值的变化曲线。
图8是输出I-V特性曲线随不同的PV电池单体的变化曲线。
图9是输出I-V特性曲线随输入电流Iref的变化曲线功率放大图。
图10是输出I-V特性曲线随环境温度影响编辑参数Rs阻值的变化曲线功率放大图。
图11是输出I-V特性曲线随填充因子FF编辑参数Rp阻值的变化曲线功率放大图。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明进行详细说明。
图1为太阳能模拟器整体框架图，包括六个部分组成短路电流编辑调节电路单元、硬件I-V曲线编辑单元、功率端负载阻抗等效映射电路单元、目标信号基准电流采样放大电路单元、压控电流源功率放大单元、功率输出端口电压采样电路单元和被测设备。短路电流编辑调节电路单元可以调节输入真实PV电池单体的电流值。功率端负载阻抗等效映射电路单元是用来改变PV电池单体两端电压值U_pv，从而改变真实PV电池单体的输出电流，实现I-V特性曲线的生成。目标信号基准电流采样放大电路单元对PV电池单体的输出电流值Iin进行采样输出给压控电流源功率放大单元。压控电流源功率放大单元是对输入的电流进行放大然后将放大后的电流接入被测设备得到电压值，最后将电压送入功率输出端口电压采样电路单元从而回控功率端负载阻抗等效映射电路单元实现硬件闭环。
图2是短路电流编辑调节电路单元，采用双路高速电压反馈放大器，双路高速电压反馈放大器用正负电源VEE和VCC进行供电，当在输入端给定一个参考电压U_Isc_ref，利用运放“虚短虚断”的特性，电路通过检测采样电阻上的电压，送到反馈运算放大器的反向端，与给定基准电压U_Isc_ref进行比较使得采样电阻两端的电压等于U_Isc_ref,便可以得到一个采样电阻支路电流Iref，实现电压线性地控制电流。
功率电路采用电压控制的场效应管MOSFET利用VDD进行供电，MOSFET导通时工作在线性区域，利用MOSFET内阻进行分压保证采样电阻支路电压与基准电压相同。
PV电池单体模块如图3所示，由真实PV电池单体，环境温度影响编辑参数Rs和填充因子FF编辑参数Rp组成，真实PV电池单体采用插拔式组装，可对PV电池单体进行更换，从而实现对不同的太阳能板输出特性曲线进行模拟。环境温度影响编辑参数Rs和填充因子FF编辑参数Rp通过改变阻值来改变流进太阳能光伏板的电压与电流从而模拟温度和不同的填充因子对太阳能光伏板影响。
功率端负载阻抗等效映射电路单元如图4所示，由两个双路高速电压反馈放大器组成，同样采用正负电源VEE和VCC进行供电。结构与短路电流编辑调节电路单元类似，不同的一个是控制电流，一个是控制电压。差分采样电路来对MOSFET漏极和源极两端的电压进行放大或缩小后输送到运放正端。利用运放“虚短虚断”的原理，使得运放正端电压与负端电压相等，从而控制MOSFET漏极与源极两端电压。
硬件I-V曲线生成环节生成的I-V特性曲线需要进行功率放大才可以满足不同功率等级下的被测设备的测试需求，因此需要对硬件I-V外环电路生成的I-V特性曲线进行功率放大，功率放大环节有多种选择可以选择线性功率级电路，也可以选择开关功率级电路进行功率放大，本装置采用20路线性功率级电路进行功率放大和功率放大实验验证。
1. 硬件I-V外环电路对光照强度变化的模拟功能验证。
首先验证本设计能够通过改变U_Isc_ref的输入值来模拟不同光照强度下太阳能板的输出I-V特性曲线，改变输入电压值U_Isc_ref分别为0.06V、0.12V、0.18V、0.24V、0.3V使得输入真实PV电池单体的电流Iref为0.02A、0.04A、0.06A、0.08A、0.1A。用电压探头和电流探头分别测取真实真实PV电池单体两端的电压和输出给压控电流源功率放大单元的电压Uin_ref。输出波形如图5所示，可以看到随着输入给真实PV电池单体的电流Iref的增大，输出的I-V特性曲线向上移动，短路电流增大，符合太阳能板随光照变化生成的I-V特性曲线的实际，因此本装置能够模拟光照强度的变化对太阳能光伏板输出I-V特性曲线的影响。
2. 硬件I-V外环电路对温度变化的模拟功能验证。
验证本装置能够模拟温度的变化对硬件I-V外环电路输出I-V曲线的影响，通过改变真实PV电池单体的环境温度影响编辑参数Rs的阻值来改变流进PV电池单体的电压值来模拟温度的影响，改变环境温度影响编辑参数Rs的阻值测取输出I-V特性曲线如图6所示，可以看到随着环境温度影响编辑参数Rs阻值的增加，输出I-V特性曲线大致不变，但整体呈现稍稍右移的趋势，开路电压值增大，短路电流减小。因此本装置能够模拟温度的变化对硬件I-V外环输出I-V特性曲线的影响。
3. 硬件I-V外环电路对不同FF曲线的模拟功能验证。
改变填充因子FF编辑参数Rp的阻值测取输出I-V特性曲线如图7所示，可以看到随着填充因子FF编辑参数Rp阻值的增加，输出I-V特性曲线填充因子不同，整体从一个接近线性的曲线逐渐呈现矩形，最大功率点增大。因此本装置能够模拟不同FF的变化对硬件I-V外环电路输出I-V特性曲线的影响。
4. 硬件I-V外环电路对不同PV电池单体的模拟功能验证。
验证本装置能够模拟不同的不同PV电池单体对硬件I-V外环电路输出I-V曲线的影响，采用不同参数的PV电池单体进行更换测取输出的I-V特性曲线，如图8所示可以看到输出的I-V特性曲线与实际PV电池单体的参数大致相等，因此本装置能够模拟不同的PV电池单体对硬件I-V外环电路输出I-V曲线的影响。
最终本发明所设计的光伏源模拟器可以模拟光照、温度和不同填充因子的变化对硬件I-V外环电路输出I-V曲线的影响，且响应速度较快。
5. 线性功率级PVS的功率I-V模拟输出验证实验。
在实际生活中通常需要模拟大规模的太阳能板阵列，这时候功率放大环节就变得尤为重要，功率放大环节可以根据要模拟的太阳能阵列的大小来调整放大的比例，本装置利用目标信号基准电流采样放大电路单元和压控电流源功率放大单元将真实PV电池单体输出电流进行放大，放大倍数由这两个单元内部参数决定。以放大88倍为例，将图5输出I-V特性曲线随输入电流Iref的变化曲线进行功率放大如图9所示。将图6输出I-V特性曲线随环境温度影响编辑参数Rs阻值的变化曲线进行功率放大如图10所示。将图7输出I-V特性曲线随填充因子FF编辑参数Rp阻值的变化曲线进行功率放大如图11所示。由此可见本装置可以对生成的I-V特性曲线进行功率放大。实现对大规模的太阳能阵列输出I-V特性曲线的模拟。
Claims (6)
1.一种简易可模拟环境参数变化的硬件I-V外环控制系统，其特征在于：包括硬件I-V外环控制部分和功率放大部分，所述硬件I-V外环控制部分包括短路电流编辑模块、功率端负载阻抗等效映射电路单元和目标信号基准电流采样放大电路单元，功率端负载阻抗等效映射电路单元和短路电流编辑模块之间设有硬件I-V曲线编辑单元，所述功率放大部分包括压控电流源功率放大单元、被测设备和功率输出端口电压采样电路单元，功率端负载阻抗等效映射电路单元、目标信号基准电流采样放大电路单元、压控电流源功率放大单元、被测设备、功率输出端口电压采样电路单元、功率端负载阻抗等效映射电路单元依次连接，组成一个闭环；所述短路电流编辑模块调节输入PV电池单体的电流值，功率端负载阻抗等效映射电路单元是用来改变PV电池单体两端电压值U_pv，实现I-V特性曲线的生成，所述目标信号基准电流采样放大电路单元对PV电池单体的输出电流值Iin进行采样输出给压控电流源功率放大单元，所述压控电流源功率放大单元是对输入的电流进行放大然后将放大后的电流接入被测设备得到电压值，最后将电压送入所述功率输出端口电压采样电路单元从而回控所述功率端负载阻抗等效映射电路单元实现硬件闭环。
2.如权利要求1所述的简易可模拟环境参数变化的硬件I-V外环控制系统，其特征在于：所述短路电流编辑模块采用双路高速电压反馈放大器，双路高速电压反馈运算放大器用正负电源VEE和VCC进行供电，在正向端输入端入一个基准电压U_Isc_ref，电路通过检测采样电阻上的电压，送到反馈运算放大器的反向端，与给定基准电压U_Isc_ref进行比较使得采样电阻两端的电压等于U_Isc_ref,便可以得到一个采样电阻支路电流Iref，实现电压线性地控制电流。
3.如权利要求2所述的简易可模拟环境参数变化的硬件I-V外环控制系统，其特征在于：所述短路电流编辑模块中的反馈运算放大器和MOSFET连接，所述MOSFET利用VDD进行供电。
4.如权利要求1-3任一项权利要求所述的简易可模拟环境参数变化的硬件I-V外环控制系统，其特征在于：所述功率端负载阻抗等效映射电路单元，由两个双路高速电压反馈运算放大器组成，都采用正负电源VEE和VCC进行供电，差分采样电路来对MOSFET漏极和源极两端的电压进行放大或缩小后输送到运放正端，使得运放正端电压与负端电压相等，从而控制MOSFET漏极与源极两端电压。
5.如权利要求1或2所述的简易可模拟环境参数变化的硬件I-V外环控制系统，其特征在于：所述PV电池单体模块如包括真实PV电池单体，和真实PV电池单元并联的填充因子FF编辑参数Rp，所述真实PV电池单元和填充因子FF编辑参数Rp并联后，通过环境温度影响编辑参数Rs和功率端负载阻抗等效映射电路单元连接。
6.如权利要求5所述的简易可模拟环境参数变化的硬件I-V外环控制系统，其特征在于：所述真实PV电池单体采用插拔式组装。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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