公茂法，王萬樂，李志，樊淑嫻，馮潔

（山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東青島266590）

0 引 言

可再生能源由于能夠可再生、分布廣泛以及對環(huán)境危害小等特點成為21世紀世界各國能源發(fā)展的重要選擇［1］。太陽能資源由于其清潔環(huán)保、取之不盡、用之不竭的可再生特性［2］，已經成為當今世界發(fā)展最為迅速的可再生能源資源之一。光伏陣列是利用太陽能資源的一種重要形式。如果以5%的轉化率轉化地球表面0.1% 的太陽能資源，每年的發(fā)電量足夠地球使用40年［3］。光伏陣列的輸出特性很大程度上取決于外界環(huán)境的變化，比如光照強度、環(huán)境溫度等因素。在對真實光伏陣列進行現場試驗時，無法在短時間內得到光伏陣列隨光照強度和環(huán)境溫度等外部環(huán)境條件變化的輸出特性，還會浪費很多的人力、物力。文中設計了一種光伏陣列模擬器，用來模擬不同環(huán)境條件下光伏陣列的輸出特性，從而解決上述問題。

1 光伏陣列的數學模型

根據光電效應以及光伏陣列受外界影響的變化特性，一般認為光伏陣列的物理模型如圖1所示。光伏陣列可以看做是一個電流源，文章采用的是單二極管模型，模型中包含一個二極管以及兩個電阻。二極管表示極化現象，RS和RP表示電池損耗。

一般光伏電池出廠時廠家會提供以下電氣參數，開路電壓VOC，短路電流ISC，最大功率點處的電壓Um，最大功率點處的電流Im，根據光伏陣列的模型結合廠家所給數據將模型化簡［4］如下：

其中：

圖1 光伏陣列簡化等效電路Fig.1 Simplified equivalent circuit of PV array

考慮到光伏電池的負載特性，溫度特性以及光照特性等外部特性，可以進一步對模型進行優(yōu)化處理。?。?/p>

2 光伏陣列模型的Simulink仿真

我們使用Simulink軟件對上述光伏陣列的數學模型進行建模仿真，如圖2所示。該模型考慮了光照強度、環(huán)境溫度、負載特性等外部環(huán)境因素，建立了如圖3所示的光伏陣列仿真模型的封裝子系統，并將開路電壓、短路電流、最大功率點處的電壓和最大功率點處的電流等參數進行了封裝［5］，在封裝模塊內部對部分參數進行計算求解，設置了兩個示波器，分別展示光伏陣列的I-V特性和P-V特性。

圖2 光伏電池的仿真模型Fig.2 Simulation model of photovoltaic cells

圖3 封裝子系統內部模型Fig.3 Internalmodel of package subsystem

圖4 輸出I-V、P-V特性曲線Fig.4 I-V and P-V output characteristic curve

圖4（a）、圖4（b）分別是設置環(huán)境溫度為25℃，短路電流為5.45 A，開路電壓為22.2 V，光照強度由上到下分別為 1 000、800、600、400、200時的 Simulink模擬輸出I-V和P-V特性曲線，與實際光伏陣列的曲線相吻合。從圖中可以看出，當控制電壓不變時，隨著光照強度的降低輸出電流和功率都會下降，由此證明仿真模型的動態(tài)模擬性能良好。

3 裝置的總體設計思路

所設計的光伏陣列模擬器采用美國德州儀器生產的高性能、超低功耗的MSP430F1121芯片作為主控芯片，采用基于BUCK電路的數字電源作為直流電源調壓電路，通過數字PID控制電壓輸出與所建立的模型所產生的輸出一致。上位機使用北京亞控科技公司的組態(tài)王軟件設計，在上位機中建立光伏陣列模型的同時，設計裝置的人機交互界面。系統結構整體框圖如圖5所示。

系統以MSP430模塊為核心，在上位機中建立光伏陣列的模型，輸入相對應的參數，尋找出工作點。單片機在通過信號調理模塊接收負載端電壓、電流數據的同時，通過RS-232通信接收上位機的控制指令，進一步通過控制MOSFET驅動模塊來控制數字直流轉換電源的輸出電壓。

圖5 系統結構整體框圖Fig.5 Overall block diagram of system structure

本裝置具有以下特點：

（1）采用MSP430作為主控芯片，高效，低功耗且運行可控；

（2）采用數字電源作為輸出直流電壓的電壓源，易于開發(fā)，對輸出口的控制調節(jié)只需要編程就可以實現。同時數字電源對無源器件的敏感性較低，降低了無源器件對輸出的影響，使輸出電壓更準確；

“當時野生菌在深圳的市值差不多是40元每公斤，而酒店里一盤炒雞樅賣到120元，一盤菜也就只需要一公兩的原料而已，相當于一公斤雞樅就可以賣到八九百元?！崩钪居潞途频觏樌_成了合作協議，他也明白，要讓家鄉(xiāng)的產品走出去，我們首先要自我“包裝”，更要將家鄉(xiāng)豐富的純天然產品也好好包裝一下。他風風火火趕回家，跟妻子一起精心挑選了20幾個品種的野生菌發(fā)往深圳，不到半年，生意逐漸有了方向。

（3）以組態(tài)王軟件作為上位機軟件，集人機交互界面和模型建立、軟件編程為一體，降低了裝置的成本，提高了效率，同時組態(tài)王軟件還可以實現實時數據和歷史數據的記錄以及實時曲線、歷史曲線的繪制，便于試驗之后進行數據分析。

4 光伏陣列模擬器的硬件設計

模擬器的硬件模塊主要包括MSP430單片機模塊、電源模塊、時鐘模塊、存儲模塊、信號調理模塊、MOSFET驅動模塊以及直流電源轉換模塊等。

4.1 數字電源的設計

數字電源采用基于buck電路的DC/DC控制器，原理如圖6所示。開關T1導通時，T2反向截止，電源向負載傳遞能量，同時電感充能，電感電流不斷增加，此時負載電壓上正下負，T1導通的時間記為TON。當T1關斷時，T2導通。電壓源不再向負載提供能量，由于電感電流不能突變，將持續(xù)向負載提供電能，電感電流減小，極性反轉，負載電壓仍是上正下負，T1關斷的時間記為TOFF。當電容的濾波特性很強時，可以認為輸出電壓一直是平直的。穩(wěn)態(tài)時電感平均電流等于輸出平均電流，所以電容平均電流為0。連續(xù)導電模式下，兩個連續(xù)周期的電感電流會保持連續(xù)。

AD模塊將電壓電流互感器采集到的輸出端電壓的模擬信號轉換成數字信號，單片機根據所收集的數字信號以及上位機傳來的指令控制PWM波形輸出，從而達到控制BUCK電路調節(jié)輸出端電壓的效果。數字補償器通過PID模塊將ADC模塊轉換過來的電壓差轉換為占空比，使用PID模塊可以減小系統的穩(wěn)態(tài)誤差，增加系統的穩(wěn)定性［6］。

圖6 BUCK電路的基本控制原理圖Fig.6 Basic control principle diagram of BUCK circuit

4.2 MSP430電路設計

選用具有16位RISC結構的FLASH型芯片MSP430F112作為主控芯片［7］。芯片有14個帶有中斷功能的雙向I/O口和一個模擬電壓比較器，可以作為采集的模擬信號的輸入口。由于I/O口輸出高電平時電壓接近Vcc，輸出低電平接近Vss，因此可以用作DAC。MSP430芯片具有PWM功能，且能夠產生沒有軟件誤差的PWM信號或定時脈沖。MSP測量電路圖如圖7所示。

圖7 MSP430測量電路圖Fig.7 Measurement circuit diagram of MSP430

預充電完成后，P2.0繼續(xù)輸出脈沖，并對總脈沖數N和高脈沖數n進行計數，VOUT＝VIN，當VOUT＜VIN時，比較器輸出為低時，P2.0輸出高脈沖，當VOUT＞VIN比較器輸出為高，P2.0輸出低脈沖。輸出高脈沖數n與輸入電壓VIN成正比，設基準電壓為3 V則VIN＝3n/N。

MSP430芯片利用定時器a產生PWM信號，可以通過軟件編程實現對PWM波形占空比和周期的控制。而且PWM波形的維持不需要中斷，在不需要控制占空比和時間時，定時器a可以自動輸出PWM波。定時器a工作在上升方式時，占空比通過捕獲/比較通道CCR1控制，PWM周期通過捕獲/比較通道CCR0控制。

5 光伏陣列模擬器的軟件設計

5.1 軟件設計總體思路

光伏陣列模擬器的軟件設計部分主要包括單片機控制程序的設計和外部程序的設計。其中單片機程序設計的主要部分是PI控制和PWM波形發(fā)生器控制程序，外部程序設計主要包括單片機與組態(tài)王通信程序的設計和組態(tài)王軟件的調試。本裝置軟件設計采用模塊化設計，各部分模塊程序結構化，功能模塊化有利于系統功能的后續(xù)擴展和升級。裝置主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Fig.8 Flow chart ofmain program

電壓、電流采樣值的精確性會受到來自硬件和軟件上面的各種干擾，為了減小干擾對主程序的影響，裝置在硬件上對采樣電路使用RC濾波器和有源濾波器，軟件方面在程序中使用滑動平均濾波法。把連續(xù)八個采樣值作為一個數組，將每次采樣后最新得到的數據作為采樣的第八個數據，并與緊挨的前面七個數據相加求算術平均值，得到的數據作為濾波后的采樣值［8］。這種方法所產生的數據的平滑度高，可以很好的抑制干擾。

5.2 組態(tài)王交互界面設計

本裝置使用北京某自動化軟件有限公司開發(fā)的組態(tài)王軟件設計上位機。Kingview（組態(tài)王）可以提供資源管理式的主界面，能夠以數據庫的形式實現歷史、實時數據對比記錄，同時可以繪制曲線對比，方便制作活潑的多媒體工程，并且不受行業(yè)的限制。組態(tài)軟件的最主要作用是在生成所需要的應用系統時可以盡可能少的編制軟件程序的源代碼，減少了軟件運行過程中產生誤差的可能行，使程序的制作更為簡單、方便。整個上位機的設計完全通過PC機軟件完成，上位機軟件的設計主要包括：變量規(guī)劃、用戶主界面配置優(yōu)化、通信調試、界面優(yōu)化等。

5.3 組態(tài)王軟件與單片機的通信

組態(tài)王軟件與單片機通訊可以通過兩種邏輯設備關系，第一種是DDE設備，一個DDE設備一般由一個獨立的Windows應用程序構成，組態(tài)王軟件先通過DDE協議與DDE設備交換數據，然后DDE設備再與單片機設備進行數據交換，DDE設備在整個數據交換的過程中充當一個媒介的作用。組態(tài)王與DDE設備之間的關系如圖9（a）所示。這種方式的特點是對開發(fā)人員的要求比較低，但是通訊效率比較低。第二種是串口類邏輯設備，串口類邏輯設備不是一個單獨Windows應用程序，一個串口類邏輯設備對應于一個連接在計算機上的I/O設備，組態(tài)王軟件以DDL形式調用它，它在本質上是組態(tài)王軟件內嵌的串口驅動程序。串口類邏輯設備與組態(tài)王之間的關系如圖9（b）所示。這種方式能夠以緊湊的程序結構高效的完成通訊，但是需要開發(fā)人員的具有較高的專業(yè)性，開發(fā)的過程比較緩慢。我們選擇第二種方式。

圖9 組態(tài)王與外部設備之間的關系圖Fig.9 Relational graph between the kingview and external equipment

組態(tài)王在與單片機通訊的過程中進行動態(tài)優(yōu)化，只有活動變量（當前顯示畫面中的變量、歷史數據庫中正在使用的變量、命令語言中包含的變量等）被組態(tài)王軟件需要時才被采集，對暫時不需要更新的數據暫停傳送，這樣可以極大的緩解了通訊串口的壓力，提高通訊的效率和性能。

6 實驗結果

在輸入光照強度為S＝1 000 W/m2，環(huán)境溫度為T＝25℃，ISC＝3.5 A，VOC＝90.0 V，Im＝3.0 A，Vm＝80.0 V時，所設計的模擬器工作點的測量值與理想值的絕對誤差與相對誤差如表1所示。

表格中可以看出當系統工作在69.2 V以上的時候，系統的相對誤差都保持在1%左右甚至更低，說明我們所設計的光伏陣列模擬器能夠比較準確的模擬出光伏陣列的輸出特性，但是由于硬件誤差和一些無法消去的軟件誤差，系統的精度還有待進一步提高。

表1 工作點的測量值與誤差Tab.1 Measured value and error of working points

7 結束語

所設計的光伏陣列模擬器能夠迅速模擬出光伏陣列在不同光照強度、環(huán)境溫度等外界條件下的輸出特性，從而解決現場試驗時外部環(huán)境條件有時無法滿足和試驗周期長的問題。與計算機相結合的友好的人機界面方便分析人員記錄數據研究，清楚直觀的觀察到各項輸出，適合對光伏陣列進行模擬研究。