全狀態控制光伏模擬電源設計

王樹人， 蔣 偉， 莫岳平

(揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇揚州225127)

全狀態控制光伏模擬電源設計

王樹人， 蔣 偉*， 莫岳平

(揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇揚州225127)

為完整模擬光伏伏安輸出特性中包括短路、開路狀態在內的全部工作狀態，提出了基于占空比比較控制的光伏模擬電源。根據CCM下Buck電路基本系統模型，設計了基于雙環路的占空比比較控制策略。闡述了數字式光伏模擬電源的系統架構，分析了生成伏安曲線的數值計算方法，詳細探討了系統控制方法并制作了樣機，最后使用了寬范圍恒壓負載驗證了設計的可行性。

光伏模擬電源；全狀態控制；占空比比較

光伏系統以其可再生、零排放、長壽命等優點而備受重視。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發電效率的主要手段[1]。但直接針對光伏組件的變換器測試受到很多因素(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光伏電池在特定狀態的輸出特性，增強調試過程的可重復性和可信度[3-4]。

在此提出基于數字控制的光伏模擬電源，詳細探討了僅從控制層面模擬光伏伏安特性全部工作狀態的技術方案，包含了數字式光伏模擬電源的系統架構，曲線擬合方法分析和選擇，DC-DC降壓變換器的電流、電壓控制環路建模，基于直接PWM占空比比較控制的算法設計及恒壓負載下的實驗測試。

1　系統描述

如果太陽能模擬電源在開路(包括輕載)和短路兩種極限狀態下輸出特性不能達到模擬真實光伏組件的要求，會導致后級設備的額定參數選定和算法穩定性評估出現問題。本研究旨在實現包括開路、短路狀態在內的全狀態模擬。基于Buck電路提出系統的控制架構與控制方法，如圖1所示。

圖1　光伏模擬電源系統構架

系統包含主電路和數字控制器兩部分。通過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，通過全狀態控制算法得到正確的占空比控制電源輸出特性。該設計的優點在于通過控制設計本身確保電源輸出能夠模擬光伏電池的極限狀態，從而提高電源系統的可靠性和穩定性；簡化保護電路的設計，降低電路復雜度和成本。

此外，一般的光伏變換器或最大功率跟蹤設備將輸入端電壓作為控制目標[5-7]，而傳統光伏模擬電源測試多采用阻性負載來恒定工作狀態。為準確反映系統的帶載性能，采用恒壓負載測試對系統進行測試。

2　曲線擬合器實現方法

光伏輸出伏安特性可以用多種數學模型描述[8-10]。通過模型可計算得到光伏組件的輸出特性曲線。數字控制器實現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數值方法變換寫入控制器，由控制器直接計算曲線解析解；查表法要求通過計算機生成節點二維表，在線或離線導入控制器，通過控制器查找近似點；插值法在查表基礎上增加插值算法，可用線型或非線性方程擬合。理論上，上述方法均能實現曲線擬合：解析法的時間復雜度大，空間復雜度小；查表法反之；插值法介于兩者之間。

為了增大系統帶寬，本設計采用線型插值法實現曲線擬合。本設計的模擬目標為某100 W光伏組件(最大功率點電壓Vmp=18 V、最大功率點電流Imp=5.55 A、開路電壓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A(a,b)點和B(c,d)點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，則根據線型插值算法返回：

此時電源的工作點將位于C點，而理論工作點應為D點。因此線性插值會引入一定的誤差。但如果二維表有足夠的元素，誤差大小與采樣誤差大小數量級相同便可忽略不計。

3　系統設計和控制策略

3.1硬件設計

主電路為同步Buck變換器，確保在不同負載狀態下電路均工作于CCM狀態，PWM發生器產生的互補PWM死區時間設定為500 ns。電感電流IL平均值與穩態輸出電流Io相等，因為控制電源輸出伏安特性與控制電容電壓、電感電流特性等效。

控制器采用主頻設定為30 MHz的dsPIC33FJ64GS606。電感電流由線型電流傳感器ACS711測量得到。其它硬件參數見表1。

表1　電路參數

3.2電路全狀態模型及環路補償

3.2.1電流環路全狀態分析

系統的電流控制環路如圖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)是電流環控制器傳遞函數，Gid(s)是變換器占空比di對電感電流iL的傳遞函數，Hi(s)是電流傳感器反饋網絡的傳遞函數。

圖3　電感電流控制環路框圖

根據Buck電路CCM的小信號傳遞函數可得：

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

圖4　變換器Gid(s)頻率響應

Hi(s)由ACS711傳遞函數和采樣延時兩部分組成，經整定，其傳遞函數為：

控制器采用單零點單極點PI補償。綜合考慮系統帶寬和不同負載狀態下的裕度確定了控制器參數，進而得到電流環路開環系統頻率響應如圖5。可見，該電流閉環控制設計滿足系統短路情況下穩定運行的要求。

3.2.2電壓環路全狀態分析

系統的電壓控制環路如圖6所示，其中vo是輸出電壓，Vo是輸出電壓的采樣值，Cv(s)是電壓環控制器傳遞函數，Gvd(s)是變換器占空比di對vo的傳遞函數，Kv是電壓分壓反饋網絡增益。當模擬目標確定后，其最大輸出電壓(開路電壓Voc)隨即確定，電壓環路在恒定給定Vmax下工作。

圖5　電流環路開環系統頻率響應

圖6　電壓控制環路框圖

根據Buck電路CCM的小信號傳遞函數可得：

式中:R為變換器的負載。當變換器處于開路(取R=1 000 Ω)和最大功率輸出(R=Vmp/Imp)時Gvd(s)的頻率響應曲線如圖7所示。

圖7　變換器Gvd(s)頻率響應

選取與電流環控制器相同結構的補償網絡，得到電壓環開環傳遞函數頻率響應如圖8。

圖8　電壓環路開環系統頻率響應

3.3直接占空比選擇控制策略

為了應對模擬電源在輕載或開路狀態下電流環路控制失效的問題，設計了直接針對占空比操作的控制策略，控制框圖如圖9。變量di和dv是電流環控制器、電壓環控制器經計算得到的占空比，經過最小值比較器后選擇占空比d送至PWM發生器。使用直接占空比選擇對兩環路進行協調管理，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　實驗方法和結果

設計樣機額定輸出為40～10 A。負載采用B&K Precision公司8500型電子負載。設定電子負載恒壓模式運行，電壓以0.4 V步長從0至24 V增大。實驗測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。從開機起始點起，在負載變化的情況下，系統輸出電流從短路電流值開始減小，同時輸出電壓增大，變化規律與光伏伏安特性吻合。電壓最終穩定在開路電壓附近，而不在隨負載電壓的增大而增大。可見，系統能夠完整地模擬光伏電源的輸出特性，同時實現了雙環路運行的占空比比較控制，系統設計保證了系統的全狀態運行性能。

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和開路狀態下的輸出電壓、電流波形。電源短路時輸出電流6.1 A；開路電壓為21.5 V。可見，該電源設備能在短路和開路狀態下能穩定工作。

5　結論

探討了模擬光伏電池全負載狀態的系統結構、算法和控制策略。給出了數字式模擬電源結構，探討了曲線擬合方法，并針對光伏模擬電源輸出狀態不完整的問題，提出了直接占空比選擇控制策略。實驗結果顯示該方案達到預期目標，實現了對光伏組件的全狀態控制和模擬。

圖12　短路狀態輸出波形

圖13　開路狀態輸出波形

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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

國家自然科學基金(51207135);江蘇省自然科學基金(BK2012266)；揚州市-揚州大學合作基金(2012038-10)

王樹人(1990—)，男，山東省人，碩士研究生，主要研究方向為電力電子技術。

蔣偉(1980—)，男，江蘇省人，副教授，碩士生導師，主要研究方向為電力電子技術；E-mail：jiangwei@yzu.edu.cn