王樹(shù)人， 蔣 偉， 莫岳平

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127)

全狀態(tài)控制光伏模擬電源設(shè)計(jì)

王樹(shù)人， 蔣 偉*， 莫岳平

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127)

為完整模擬光伏伏安輸出特性中包括短路、開(kāi)路狀態(tài)在內(nèi)的全部工作狀態(tài)，提出了基于占空比比較控制的光伏模擬電源。根據(jù)CCM下Buck電路基本系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)了基于雙環(huán)路的占空比比較控制策略。闡述了數(shù)字式光伏模擬電源的系統(tǒng)架構(gòu)，分析了生成伏安曲線的數(shù)值計(jì)算方法，詳細(xì)探討了系統(tǒng)控制方法并制作了樣機(jī)，最后使用了寬范圍恒壓負(fù)載驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

光伏模擬電源；全狀態(tài)控制；占空比比較

光伏系統(tǒng)以其可再生、零排放、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)而備受重視。由于光伏組件輸出伏安特性存在非線性，光伏變換器成為提高光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的主要手段[1]。但直接針對(duì)光伏組件的變換器測(cè)試受到很多因素(如光照、溫度等)的影響，降低了效率和可靠性[2]。光伏模擬電源可以模擬真實(shí)光伏電池在特定狀態(tài)的輸出特性，增強(qiáng)調(diào)試過(guò)程的可重復(fù)性和可信度[3-4]。

在此提出基于數(shù)字控制的光伏模擬電源，詳細(xì)探討了僅從控制層面模擬光伏伏安特性全部工作狀態(tài)的技術(shù)方案，包含了數(shù)字式光伏模擬電源的系統(tǒng)架構(gòu)，曲線擬合方法分析和選擇，DC-DC降壓變換器的電流、電壓控制環(huán)路建模，基于直接PWM占空比比較控制的算法設(shè)計(jì)及恒壓負(fù)載下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1　系統(tǒng)描述

如果太陽(yáng)能模擬電源在開(kāi)路(包括輕載)和短路兩種極限狀態(tài)下輸出特性不能達(dá)到模擬真實(shí)光伏組件的要求，會(huì)導(dǎo)致后級(jí)設(shè)備的額定參數(shù)選定和算法穩(wěn)定性評(píng)估出現(xiàn)問(wèn)題。本研究旨在實(shí)現(xiàn)包括開(kāi)路、短路狀態(tài)在內(nèi)的全狀態(tài)模擬。基于Buck電路提出系統(tǒng)的控制架構(gòu)與控制方法，如圖1所示。

圖1　光伏模擬電源系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)包含主電路和數(shù)字控制器兩部分。通過(guò)采樣和曲線擬合算法得到電感電流iL、輸出端電壓vo、最大輸出電壓參考值Vmax和電流參考值Iref后，通過(guò)全狀態(tài)控制算法得到正確的占空比控制電源輸出特性。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)控制設(shè)計(jì)本身確保電源輸出能夠模擬光伏電池的極限狀態(tài)，從而提高電源系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；簡(jiǎn)化保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，降低電路復(fù)雜度和成本。

此外，一般的光伏變換器或最大功率跟蹤設(shè)備將輸入端電壓作為控制目標(biāo)[5-7]，而傳統(tǒng)光伏模擬電源測(cè)試多采用阻性負(fù)載來(lái)恒定工作狀態(tài)。為準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的帶載性能，采用恒壓負(fù)載測(cè)試對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

2　曲線擬合器實(shí)現(xiàn)方法

光伏輸出伏安特性可以用多種數(shù)學(xué)模型描述[8-10]。通過(guò)模型可計(jì)算得到光伏組件的輸出特性曲線。數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)曲線模擬的方法有解析法、查表法和插值法三種：解析法是將模型通過(guò)數(shù)值方法變換寫入控制器，由控制器直接計(jì)算曲線解析解；查表法要求通過(guò)計(jì)算機(jī)生成節(jié)點(diǎn)二維表，在線或離線導(dǎo)入控制器，通過(guò)控制器查找近似點(diǎn)；插值法在查表基礎(chǔ)上增加插值算法，可用線型或非線性方程擬合。理論上，上述方法均能實(shí)現(xiàn)曲線擬合：解析法的時(shí)間復(fù)雜度大，空間復(fù)雜度??；查表法反之；插值法介于兩者之間。

為了增大系統(tǒng)帶寬，本設(shè)計(jì)采用線型插值法實(shí)現(xiàn)曲線擬合。本設(shè)計(jì)的模擬目標(biāo)為某100 W光伏組件(最大功率點(diǎn)電壓Vmp=18 V、最大功率點(diǎn)電流Imp=5.55 A、開(kāi)路電壓Voc=21.6 V、短路電流Isc=6.11 A)，其特性曲線如圖2。

圖2　伏安特性曲線的線型插值擬合

設(shè)A(a,b)點(diǎn)和B(c,d)點(diǎn)為二維表中兩相鄰元素，若得到電壓采樣值恰為a或c，則曲線擬合器返回Iref為b或d；若電壓采樣值為x，則根據(jù)線型插值算法返回：

此時(shí)電源的工作點(diǎn)將位于C點(diǎn)，而理論工作點(diǎn)應(yīng)為D點(diǎn)。因此線性插值會(huì)引入一定的誤差。但如果二維表有足夠的元素，誤差大小與采樣誤差大小數(shù)量級(jí)相同便可忽略不計(jì)。

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制策略

3.1硬件設(shè)計(jì)

主電路為同步Buck變換器，確保在不同負(fù)載狀態(tài)下電路均工作于CCM狀態(tài)，PWM發(fā)生器產(chǎn)生的互補(bǔ)PWM死區(qū)時(shí)間設(shè)定為500 ns。電感電流IL平均值與穩(wěn)態(tài)輸出電流Io相等，因?yàn)榭刂齐娫摧敵龇蔡匦耘c控制電容電壓、電感電流特性等效。

控制器采用主頻設(shè)定為30 MHz的dsPIC33FJ64GS606。電感電流由線型電流傳感器ACS711測(cè)量得到。其它硬件參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　電路參數(shù)

3.2電路全狀態(tài)模型及環(huán)路補(bǔ)償

3.2.1電流環(huán)路全狀態(tài)分析

系統(tǒng)的電流控制環(huán)路如圖3所示，其中，Iref是由曲線擬合器生成的給定參考，IL是反映輸出電流的電感電流采樣值，Ci(s)是電流環(huán)控制器傳遞函數(shù)，Gid(s)是變換器占空比di對(duì)電感電流iL的傳遞函數(shù)，Hi(s)是電流傳感器反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)。

圖3　電感電流控制環(huán)路框圖

根據(jù)Buck電路CCM的小信號(hào)傳遞函數(shù)可得：

式中:R為變換器的負(fù)載：在變換器處于短路(R=0 Ω)、開(kāi)路(取R=1 000 Ω)和最大功率輸出(R=Vmp/Imp)時(shí)Gid(s)的頻率響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4　變換器Gid(s)頻率響應(yīng)

Hi(s)由ACS711傳遞函數(shù)和采樣延時(shí)兩部分組成，經(jīng)整定，其傳遞函數(shù)為：

控制器采用單零點(diǎn)單極點(diǎn)PI補(bǔ)償。綜合考慮系統(tǒng)帶寬和不同負(fù)載狀態(tài)下的裕度確定了控制器參數(shù)，進(jìn)而得到電流環(huán)路開(kāi)環(huán)系統(tǒng)頻率響應(yīng)如圖5?？梢?jiàn)，該電流閉環(huán)控制設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)短路情況下穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

3.2.2電壓環(huán)路全狀態(tài)分析

系統(tǒng)的電壓控制環(huán)路如圖6所示，其中vo是輸出電壓，Vo是輸出電壓的采樣值，Cv(s)是電壓環(huán)控制器傳遞函數(shù)，Gvd(s)是變換器占空比di對(duì)vo的傳遞函數(shù)，Kv是電壓分壓反饋網(wǎng)絡(luò)增益。當(dāng)模擬目標(biāo)確定后，其最大輸出電壓(開(kāi)路電壓Voc)隨即確定，電壓環(huán)路在恒定給定Vmax下工作。

圖5　電流環(huán)路開(kāi)環(huán)系統(tǒng)頻率響應(yīng)

圖6　電壓控制環(huán)路框圖

根據(jù)Buck電路CCM的小信號(hào)傳遞函數(shù)可得：

式中:R為變換器的負(fù)載。當(dāng)變換器處于開(kāi)路(取R=1 000 Ω)和最大功率輸出(R=Vmp/Imp)時(shí)Gvd(s)的頻率響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7　變換器Gvd(s)頻率響應(yīng)

選取與電流環(huán)控制器相同結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，得到電壓環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)頻率響應(yīng)如圖8。

圖8　電壓環(huán)路開(kāi)環(huán)系統(tǒng)頻率響應(yīng)

3.3直接占空比選擇控制策略

為了應(yīng)對(duì)模擬電源在輕載或開(kāi)路狀態(tài)下電流環(huán)路控制失效的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了直接針對(duì)占空比操作的控制策略，控制框圖如圖9。變量di和dv是電流環(huán)控制器、電壓環(huán)控制器經(jīng)計(jì)算得到的占空比，經(jīng)過(guò)最小值比較器后選擇占空比d送至PWM發(fā)生器。使用直接占空比選擇對(duì)兩環(huán)路進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，完成平滑的控制輸出量切換。

圖9　直接占空比比較控制框圖

4　實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果

設(shè)計(jì)樣機(jī)額定輸出為40～10 A。負(fù)載采用B&K Precision公司8500型電子負(fù)載。設(shè)定電子負(fù)載恒壓模式運(yùn)行，電壓以0.4 V步長(zhǎng)從0至24 V增大。實(shí)驗(yàn)測(cè)得模擬電源輸出伏安特性曲線如圖10所示。輸出伏瓦特性曲線如圖11所示。從開(kāi)機(jī)起始點(diǎn)起，在負(fù)載變化的情況下，系統(tǒng)輸出電流從短路電流值開(kāi)始減小，同時(shí)輸出電壓增大，變化規(guī)律與光伏伏安特性吻合。電壓最終穩(wěn)定在開(kāi)路電壓附近，而不在隨負(fù)載電壓的增大而增大?？梢?jiàn)，系統(tǒng)能夠完整地模擬光伏電源的輸出特性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了雙環(huán)路運(yùn)行的占空比比較控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)的全狀態(tài)運(yùn)行性能。

圖10　模擬電源輸出伏安特性曲線

圖11　模擬電源輸出伏瓦特性曲線

圖12和圖13反映了電源在短路狀態(tài)和開(kāi)路狀態(tài)下的輸出電壓、電流波形。電源短路時(shí)輸出電流6.1 A；開(kāi)路電壓為21.5 V?？梢?jiàn)，該電源設(shè)備能在短路和開(kāi)路狀態(tài)下能穩(wěn)定工作。

5　結(jié)論

探討了模擬光伏電池全負(fù)載狀態(tài)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、算法和控制策略。給出了數(shù)字式模擬電源結(jié)構(gòu)，探討了曲線擬合方法，并針對(duì)光伏模擬電源輸出狀態(tài)不完整的問(wèn)題，提出了直接占空比選擇控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方案達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光伏組件的全狀態(tài)控制和模擬。

圖12　短路狀態(tài)輸出波形

圖13　開(kāi)路狀態(tài)輸出波形

[1]張超，何湘寧，趙德安.光伏發(fā)電系統(tǒng)變步長(zhǎng)MPPT控制策略研究[J].電力電子技術(shù)，2009，43(10)：47-49.

[2]ZENG Q,SONG P,CHANG L.A photovoltaic simulator based on DC chopper[C]//Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering.Canada：IEEE，2002：257-261.

[3]LDLOYD S,SMITH G,INFIELD D.Design and construction of a modular electronic photovoltaic simulator[C]//8thInternational Conference on Power Electronics and Variable Speed Drives. Japan：IEEE，2000：120-123.

[4]張超，何湘寧.短路電流結(jié)合擾動(dòng)觀察法在光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制中的應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(20)：98-102.

[5]CHEN Y,SMEDLEY K.A cost-effective single-stage inverter with maximum power point tracking[J].IEEE Trans Power Electron, 2004,19(5)：1289-1294.

[6]FORTUNATO M,GIUSTINIANI A,PETRONE G,et al.Maximum power point tracking in a one-cycle-controlled single-stage photovoltaic inverter[J].IEEE Trans Ind Electron,2008,55(7)：2684-2693.

[7]KOUTROULIS E,KALAITZAKIS K,VOULGARIS N.Development of a microcontroller-based,photovoltaic maximum power point tracking control system[J].IEEE Trans Power Electron, 2001,16(1)：46-54.

[8]戴晨駿,王宏華.基于模糊控制的光伏陣列MPPT仿真[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2010,39(2)：136-138,148.

[9]秦嶺，謝少軍，楊晨，等.太陽(yáng)能電池的動(dòng)態(tài)模型和動(dòng)態(tài)特性[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(10)：1-9.

[10]VILLALVA M G,GAZOLI J R,FILHO E R.Comprehensive approach to modeling and simulation of photovoltaic arrays[J]. IEEE Trans Power Electron,2009,24(5)：1198-1208.

Design of a photovoltaic simulator with full-state control

WANG Shu-ren,JIANG Wei*,MO Yue-ping
(School of Hydraulic,Energy,and Power Engineering,Yangzhou University,Yangzhou Jiangsu 225127,China)

A photovoltaic(PV)simulator with a duty cycle comparison strategy was proposed to simulate a real photovoltaic panel which was generating under all working conditions including the short circuit state and open circuit state.Based on the system model of CCM Buck converter,a first-hand duty cycle control strategy was presented. The system structure of digital PV simulator and curve fitting methods were discussed.The system control strategy was analyzed in detail and a prototype was designed.A constant voltage load with a wider range was adopted to verify the performance.

photovoltaic simulator;full-state control strategy;duty cycle comparison

TM 615

A

1002-087 X(2016)10-1983-04

2016-03-12

國(guó)家自然科學(xué)基金(51207135);江蘇省自然科學(xué)基金(BK2012266)；揚(yáng)州市-揚(yáng)州大學(xué)合作基金(2012038-10)

王樹(shù)人(1990—)，男，山東省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。

蔣偉(1980—)，男，江蘇省人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)；E-mail：jiangwei@yzu.edu.cn