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基于buck电路的太阳能光伏电池模拟器性能改进试验

来源:华强商城 发布时间:2021-09-26

摘要: 尽管技术日益发达,但世界也面临着能源危机,各国对太阳能发电的研究也在不断发展。然而,由于太阳能电池研究成本高,太阳能电池模拟器应运而生。目前,我们正在设计一种基于buck电路的太阳能电池模拟器,采用arm控制,并加入电流PI控制方法,以提高系统的动态性能和稳态精度。

尽管技术日益发达,但世界也面临着能源危机,各国对太阳能发电的研究也在不断发展。然而,由于太阳能电池研究成本高,太阳能电池模拟器应运而生。

目前,我们正在设计一种基于buck电路的太阳能电池模拟器,采用arm控制,并加入电流PI控制方法,以提高系统的动态性能和稳态精度。另外,本文采用四折线法拟合光伏电池阵列的特性曲线,并进行了仿真验证。

buck电路

1、 太阳能电池板伏安特性曲线


显示了太阳能电池板的输出I-U特性曲线随阳光和温度的变化。太阳能电池板模拟器需要能够模拟不同温度和不同光线下的不同曲线。换句话说,模拟器最终应该能够模拟许多曲线。但是,在某些情况下,日照强度和温度是恒定的,只有一条输出曲线可以满足要求。输出曲线可根据设计时设定的日照强度和温度通过计算确定。实用的方法是将曲线分散在不同的阳光和不同的温度下,并以数据表的形式存储在arm控制器中。存储的曲线越多,可以覆盖的温度和日照范围就越广。


2、 太阳能电池板工程的数学模型


电池板有四个参数(ISC、VOC、Im和VM):短路电流、开路电压、功率点电流和电压,这四个参数符合以下公式。

这样就可以将太阳能电池板的I-U特性曲线转换成便于工程计算的形式。

公式(1)表示标准照度(Sref=1000W/m2)和标准温度(Tref=25°C)下的I-U曲线。在正常条件下(照度s、温度T),I-U方程可按以下方式计算。


3、 buck电路控制系统输出电压和电流


在某些环境条件下,电池板输出电压-电流特性曲线只有一条特定曲线,因此可以通过收集系统输出电压和电流来获得输出负载大小。载重线和输出I-U曲线之间存在交点。该点为工作点,即图3中的B点。该工作点对应于电流和电压。通过调节降压电路的PWM占空比,将输出电压和电流转换为工作点的电压和电流,从而达到调节的目的。


如果与特定调整期间收集的电压和电流相对应的负载工作点位于(点a),则当占空比D超过曲线时,占空比D可以减小。此时,点B是所需的工作点,因此输出电压降低,工作点沿负载线移动到点B。如果与收集的电压和电流相对应的负载工作点为(点a),则曲线中占空比D的增加将增加输出电压,并且工作点将沿负载线移动到点B。由于移动负载是电阻性的,因此基于电压和基于电流的调整是等效的。由于输出电压的惯性,设计中采用了基于电流的调节方法。


如果外部环境不变,即太阳能电池板的输出曲线不变,或者负载发生变化,则可以立即获得新的负载工作点。这样,通过上述方法调整占空比,可以沿负载设置负载工作点,并将线路方向移动到所需曲线。


事实上,即使负载不发生变化,环境也发生变化(即曲线发生变化),也会根据预保存的曲线数据调用新曲线。通过与载荷的比较,得到了新的工作点,该方法是可行的。调整占空比,使负载工作点沿负载线移动至所需曲线。


4、 程序算法实现流程


在使用数据表查找方法时,接近程序操作点的过程通常需要一些时间,因为算法本身需要步长,步长的选择也是一个问题,而且方法非常复杂。然而,采用四线法实时计算工作点的优点是计算量小,执行时间短。


从太阳能电池板输出的波特-安培特性曲线可以看出,开路点和短路点的曲线比较平滑,可以用四条虚线来模拟。在四条虚线方程曲线中,特定负载电阻RL必须与四条虚线之一相交。这样,可以直接构造负载电阻RL和输出电流之间的关系表达式,然后可以获得负载电阻RL和所需占空比D之间的关系表达式。因此,通过编程只需计算一次除法和一次加法即可获得所需的占空比D,这很容易实现。


5、 Simulink仿真结果分析


本设计的电流反馈采用PI控制,提高了系统的响应速度,减小了稳态误差。控制框图如图5所示。根据本文的控制策略,可以从测量的输出电压和电流,然后从参考电流Iref获得输出负载RL。电流从实际输出电流中减去,并发送到PI控制器。然后,PI输出控制用于调整占空比,以使实际输出电流与Iref相匹配。


系统模拟的太阳能电池板输出功率为120W。输入来自150VDC电源,并在降压电路后添加到负载RL。然后将负载两端测得的电压除以电流,得到输出负载RL的值。输出面板的I-U曲线可以适应RL-Iref关系曲线,从而避免繁琐的计算,提高系统响应速度。接下来,创建一个可查找的数据表。这样,通过检查表可以很容易地获得参考电流Iref。如果要拟合不同日照温度下太阳能电池板的I-U曲线,只需更改查找表的值。


在本文中,我们将使用试错法来设置PI控制器的参数。首先,积分时间常数ti设置为零。换言之,它取消了积分运算,采用纯比例控制。然后将比例增益P从较小的值更改为较大的值,并观察系统响应,直到系统响应足够快,超过特定范围。此后,积分时间常数Ti增大,然后逐渐减小以逐渐增大积分操作。以这种方式查看输出,可以看到它逐渐减小,直到系统的静态误差消失。您可以多次重复该操作,直到其速度足以消除静态错误。在本设计中,P=200和Ti=2是最终选择。


从启动到稳定值的动态响应时间约为10ms,响应速度较快。由于PI超调的影响,最初会有一个明显的峰值电压和电流,但在实际实验中,需要在负载两端并联高耐压的小电容来吸收峰值电压。

通过改变负载电阻的大小,buck电路可以对应一对电压和电流值作为负载的工作点。将这些工作点与光伏电池的IU曲线进行比较,我们发现这些工作点与光伏电池的IU曲线非常接近,多点模拟结果。


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