（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的数字光伏模拟器研究.pdf

a b s t r a c t t h ep h o t o v o l t a i c ( p v ) s y s t e mi sg e t t i n gw i d ea p p l i c a t i o nd u et oi t se n v i r o n m e n t a l e f f e c t s i nt h ed e v e l o p m e n to fp h o t o v o l t a i ce q u i p m e n t ，i tw i l lb eu n e c o n o m i ca n d t i m e c o n s u m i n gw i t ht h ep l a t f o r mc o m p o s e do fr e a lp h o t o v o l t a i cc e l l st h a t a r er a n d o m l y a f f e c t e db ys u n l i g h ti n t e n s i t ya n de n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e t h u s ，ad i g i t a lp ve m u l a t o r m a ys h o r t e nt h ep e r i o d ，r a i s et h ee f f i c i e n c ya n de n h a n c e t h ec r e d i b i l i t yo ft h ed e v e l o p m e n t b yt r a c i n gt h ep v sc h a r a c t e r i s t i c su n d e ra n yw o r kc o n d i t i o n t h et h e s i si n t r o d u c e st h es i g n i f i c a n c eo fp ve m u l a t o r , p u t sf o r w a r dt h ec o n c e p to f d i 酉t a lp ve m u l a t o rw i t hi nc o m p a r i n gt h ed r a w b a c k so fa n a l o g u ep ve m u l a t o r a st h e t h e o r e t i c a lp r e p a r a t i o n ，p v so u t p u tc h a r a c t e r i s t i ci sd e s c r i b e d ，a n di t sm o d e li sb u i l tu p t h en e x tp a r to ft h et h e s i si sa ni n t r o d u c t i o no ft h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l ea n dt h eb a s i c c o n f i g u r a t i o no ft h ep ve m u l a t o r b a s e do nt h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so f t h ep e r f o r m a n c e a n dc o s to fs e v e r a lt y p i c a lt o p o l o g i e so ft h ee m u l a t o r , t h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r et h a ti st ob e a d o p t e db yt h et h e s i si sd e c i d e d t h et h e s i si n c l u d e st h ec o n t r o ls y s t e ma n a l y s i so ft h ee m u l a t o r t h es t a b i l i t y a n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea r ea c q u i r e da c c o r d i n gt or e l a t e dc o n t r o lt h e o r y ，a n d t h eb e t t e rs t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，a sw e l la st h el o a da d a p t a b i l i t yi s v a l i d a t e d t h er e g u l a t o rp a r a m e t e r sa r ed e s i g n e db yr o o tl o c u s t h ec o r r e c t n e s so f t h et h e o r e t i c a ls t u d yi sv e r i f i e db ys i m u l a t i o n a3k v ap va r r a ye m u l a t o rp r o t o t y p ew a sc o n s t r u c t e dw i t ht h et h e s i ss t u d y ，a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sf u r t h e rv a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n k e yw o r d ：p va r r a ye m u l a t o r ；d i g i t a l ；c o n t r o ls y s t e md e s i g n ； 图1 2 1 一次能源探明储量比较2 图1 3 1 太阳能发电系统的构成图3 图1 5 1 模拟式光伏阵列模拟器4 图1 5 2 基于二极管和l e d 的模拟器5 图1 5 3 数字式光伏模拟器结构图6 图2 1 1 太阳能电池的工作原理和等效电路8 图2 2 1 光伏阵列输出特性曲线9 图2 2 2 硅电池的暗特性和光照下的伏安特性曲线1 0 图2 2 3 硅电池在不同光照下的伏安特性曲线1 0 图2 2 。4 光伏电池输出特性1 1 图2 2 5 不同日照强度下的特性曲线簇1 2 图2 2 6 不同温度下的特性曲线簇1 2 图2 2 7 光伏电池参数与负载的关系1 3 图3 1 1b u c k 电路主电路图1 5 图3 1 2 反激式变换器主电路图1 6 图3 1 3 正激式变换器主电路图1 6 图3 1 4 半桥电路主电路图1 7 图3 1 5 全桥变换器主电路图1 7 图3 2 1 电流可逆斩波电路主电路图1 9 图3 3 1 电流可逆斩波电路空载时的电压电流波形2 0 图3 3 2 等效为b u c k 电路的结构图2 l 图3 3 3t 导通时等效电路2 1 图3 3 4t 断开时的等效电路2 l 图3 4 1 电感电流波动波形2 2 图3 4 2 电容电压波动波形2 3 图4 1 1 光伏模拟器系统结构图2 5 图4 1 - 2 光伏特性曲线与不同曲线的交点2 6 图4 1 3 光伏模拟器控制系统图2 7 图4 2 1 光伏模拟器控制环结构框图2 8 图4 2 2 电流内环根轨迹随零点和增益的变化3 0 图4 2 3 小于z 1 时系统根轨迹图3 1 图4 2 4z o 小于z l 时根轨迹局部放大图3 2 图4 2 5z o 大于z l 时系统根轨迹图3 2 图4 2 图4 2 图4 2 图4 2 图4 2 6z 0 大于z l 根轨迹放大图3 3 7 零点继续增大的根轨迹图：3 3 8 零点继续增大根轨迹图。3 4 9 零点z o = 5 0 0 ，增益k p = 0 1 根轨迹图和阶跃图3 5 1 0 初始条件下的电流内环阶跃响应三维图3 6 图4 2 图4 2 图4 2 图4 2 图4 3 图4 3 图4 4 图4 4 图4 4 图4 4 图4 4 图5 1 图5 2 图5 2 图5 2 图5 2 图5 2 图5 2 图5 2 图5 3 图5 3 图5 3 图5 3 图5 。3 。 图5 3 图5 3 1 1k i 固定，随k p 变化调整后的电流内环阶跃响应三维图3 7 1 2 调整后的电流内环根轨迹和阶跃响应3 7 1 3 电流内环开环b o d e 图3 8 1 4 电流内环闭环b o d e 图3 8 1 电感值变化情况下的电流内环阶跃响应三维图3 9 2 负载变化情况下的电流内环阶跃响应三维图4 0 1 光伏模拟器空载时仿真波形4 1 2 光伏模拟器工作在恒流段时仿真波形4 2 3 光伏模拟器工作在恒流段时仿真波形4 3 4 光伏模拟器工作在最大功率点时仿真波形4 3 5 光伏模拟器工作在负载阶跃时仿真波形4 4 1 光伏模拟器控制结构图4 5 1d s p 电路整体结构图4 6 2 直流电压采样调理电路4 7 3 直流电流采样调理电路4 7 4 交流电压采样调理电路4 8 5 主程序流程框图4 9 6 中断服务程序流程图5 0 7 嵌套中断服务程序流程图5 1 1 光伏曲线与负载的交点5 l 2 空载时的实验波形5 2 3 恒压段时实验波形5 3 4 恒流段时实验波形5 4 5 额定负载时实验波形5 4 6 负载由5 0 欧阶跃到1 7 欧时实验波形5 5 7 负载由1 7 欧阶跃到5 0 欧时实验波形5 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谓十的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金8 巴王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 黜戤钋 签字嗍哗和7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金旦巴王、业态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权地 工些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 许 签字日期嘲年年月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字嗍鼍年细? 日 电话： 邮编： 致谢 值此论文脱稿之际，对那些给予过我帮助、鼓励、支持，使我最终完成硕 士研究生的学业的人们表示由衷的感谢。 衷心地感谢我的导师张崇巍教授和张兴教授。在两年多的硕士研究生学习 和课题研究过程中，自始至终得到了两位老师无微不至的关怀和悉心指导。导 师严谨的科研态度，广博的理论知识，丰富的实践经验，务实的工作作风使我 受益匪浅。他的精心指导，不但使学生的知识水平和科研能力有了很大的提高， 更重要的是让学生的思维方式和科研方法得到了很好的培养。导师在学术上谆 谆教导，以及对生活上的悉心关怀，都将使我终身难忘。在此，谨向两位老师 表示由衷的感谢和诚挚的敬意。 感谢谢震、杨淑英、汪令祥和刘淳几位博士在作者的整个课题研究过程中给 予的无私帮助和支持；特别感谢王付胜老师、刘芳师姐在我研究生的学习研究 中给予的无私的指导和关心，帮助我成长。感谢合肥阳光电源有限公司在作者 的实验平台搭建过程中给予的大力支持：感谢实验室一起学习工作的同窗好友 们，他们是：张龙云、邵文昌、王鸿山、孙龙林、陈玲、田新全、王江、纪明 伟、汪永智、孙容丙、王成悦等，在共同的工作、学习和生活中，我们大家相 互了解、相互帮助、相互进步，和他们在一起，我度过了紧张而愉快的研究生 生活。感谢师弟江涛、陈欢等，在我完成论文的过程中给予了我很大的帮助。 在此，祝愿他们在今后的学习、工作和生活中一帆风顺、万事如意。 感谢默默支持我亲爱的母亲，她不仅在生活上全力照顾我，在精神上也给予 我极大的鼓励。在此向他们表示深深的敬意和真心的祝福。 谨以此文献给所有关心、支持和帮助过我的老师、同学、亲人和朋友! 作者：曹伟 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 新能源和可再生能源的利用 1 9 8 1 年联合国于肯尼亚首都内罗毕召开的新能源和可再生能源会议提出的 新能源和可再生能源的基本含义：以新技术和新材料为基础，使传统的可再生 能源得到现代化的开发利用，用取之不尽、周而复始的可再生能源来不断取代 资源有限、对环境有污染的化石能源：它不同于常规化石能源，可以持续发展， 几乎是用之不竭，对环境无多大损害，有利于生态良性循环；重点是开发利用太阳能、 风能、生物能源、海洋能、地热能和氢能等【1 1 。 新能源和可再生能源的特点：( 1 ) 能量密度较低并且高度分散；( 2 ) 资源丰富，可 以再生；( 3 ) 清洁干净，使用中几乎没有损害生态环境的污染无排放；( 4 ) 太阳能、风 能潮汐能等资源具有间歇性和随机性；( 5 ) 开发利用的技术难度大。 联合国开发计划署将可再生能源分为3 大类： 1 ) 大中型水电； 2 ) 新可再生能源。包括小水电、太阳能、风能、现代生物质能、地热能； 3 ) 传统生物质能。 可再生能源在我国目前是指除常规化石能源和大中型水力发电及核裂变发电之 外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能、海洋能等一次能源以及氢能、燃料 电池等二次能源。新能源和可再生能源是保护人类赖以生存的地区的生态环境的清洁 能源；采用新能源和可再生能源以逐渐减少和替代化石能源的使用，是保护生态环境、 走经济社会可持续发展之路的重大措施【2 】。 能源是人类社会进步和经济发展的重要物质基础。在当今石化能源日益减少，生 态环境遭受破坏的情况下，可以利用以风能，太阳能为代表的清洁可再生能源为人类 服务。可实现人与自然的可持续发展。在各种可再生能源中，太阳能是最重要的基本 能源。生物质能，风能，波浪能等都来自太阳能。与常规能源相比，太阳能具有两方 面的明显优势：一方面是输入能量代价为零，另一方面是排放的污染为零。这也是在 常规能源匮乏，污染物排放标准和废物处理法规日益严格的今天，太阳能得到广泛关 注的原因。 我国幅员辽阔，大部分地区太阳能资源丰富，具备利用太阳能的环境条件。特别 是广大西部地区，大部分地区日照充分，风力资源好。非常有利于建造独立的太阳能 光伏电站，或风光互补电谢2 1 。 1 2 太阳能发电的利用 太阳能作为一种巨量的可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万 桶石油燃烧的能量。开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产生或产生根少 污染，太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。不论是从经济社 会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊 用途解决现实能源供应问题出发开发利用太阳能都具有重大战略意义。 人类在2 0 世纪所利用的能源主要是石油、天然气和煤炭等常规能源。这些常规能 源的产生实际上数万年前甚至更长时间以来太阳能辐射到地球上的一部分能源储存 到古生物中，逐渐演化而来的。然而人类近百年的消费，这些常规能源已经被消耗了 相当大的比例。随着经济的发展和人类生括水平的提高，世界上的常规能源总有一天 将达到极限，能源危机也随之已展现在人类面前。 中国的能源问题更加严重，由图i 2 1 可见，中国各种一次能源中除了太阳能外 均低于世界平均水平，中国能源需求面临着严峻的挑战。 i 晶；赢 鲨鲨捌 搿s * _ 邕4蓄警 另外从环境角度看，常规化石能源的使用是造成环境污染的重要原因之一。 由于能源开发对环境造成的污染非常严重，如使全球气候变化的温室效应等， 地球的生态环境遭到了严重的破坏和恶化。如何在开发和利用能源时保护人类 赖以生存的地球环境与生态已经成为一个全球性的重要问题。太阳能可以直接 利用，基本上没有污染物排放，清洁干净。各种发电方式的碳排放率比较如图2 所示。 由上述可见，以太阳能为代表的新能源和可再生能源是保护人类赖以生存 的地球生态环境的清洁能源：它将逐渐成为较少和替代常规能源的使用，它的 广泛应用是保护生态环境、走经济社会可持续发展的必经之路t 3 击】。 1 3 太阳能发电系统 太阳能发电系统【7 1 是指把太阳能直接转化为电能，作为工业和家用的电 源，这种方式一般称为直接变换能源，是一种新能源。太阳能发电系统分为可 分为两大类，一是独立运行系统，二是并网发电系统。前者多用于远离市区的 海上灯塔、浮标、山顶的无线中继电台等，作为供电电源。后者是与电力系统 连接在一起的光伏发电系统，象其他类型的发电站一样可为电力系统提供有功 和无功电能。太阳能发电系统的构成如图1 3 1 所示。 图1 3 1 太阳能发电系统的构成图 太阳能光伏发电系统的第一个入口点就是太阳能电池板，实际光伏发电系 统可根据实际需要，将若干光伏电池组件经串、并联排列组成光伏阵列，满足 光伏系统实际电压和电流的需要。光伏系统通过光伏阵列提供的直流电源，经 过控制器以及直流一交流逆变器的m p p t 控制等，产生用户所需要的直流电或交流 电。因此光伏阵列是光伏系统输出能量的源头。 1 4 太阳能电池的分类 1 9 5 4 年贝尔实验室用硅单品材料制成了第一只具有实用价值的太阳电【9 】。 从此，光伏技术开始引起人们的倍加关注。太阳电池的研究则成为光伏技术中 最活跃、成就也最大的一个重要分支。经过几十年的发展，太阳电池在材料、 结构、性能及应用等方面得到了长足的进步。太阳电池主要可以分为硅太阳电 池和化合物半导体太阳电池两大类 9 - i o 1 硅光伏电池 硅是地球上第二位最丰富的元素，而且无毒性，由它制作的太阳电池效率 3 也很高，因此它是最适于制作光伏电池的半导体材料。1 9 9 7 年世界上太阳电池 年产量约为1 2 0 m w ，其中9 9 以上为硅光伏电池【l0 1 。在硅光伏电池中又可分为单 晶硅、多晶硅和非晶硅光伏电池【1 1 1 。 ( 1 ) 单晶硅和多晶硅光伏电池 单晶硅和多晶硅光伏电池是对p 型( 或n 型) 硅基片经过磷( 或硼) 扩散作p n 结 而制得的。单品硅光伏电池效率高、寿命长、性能优良，但成木高，而且限于 单晶的尺寸，单片光伏电池面积难以做得很大。多晶硅电池成本比单晶硅低， 单片电池也可以做得比较大，效率比单晶硅电池低单晶硅效率为l3 一1 5 ，多 晶硅为1 1 一1 3 【1 1 l 。 ( 2 ) 非晶硅光伏电池 由于非晶硅对太阳光的吸收系数大，因而非晶硅太阳电池可以做得很薄， 通常是单晶硅或多晶硅电池的五百分之一，所以制作非晶硅光伏电池资源消耗 少。目前效率为8 - 1 0 1 2 】。 2 非硅半导体光伏电池 主要有硫化镉光伏电池和砷化镓光伏电池。硫化镉分单晶和多晶两种，它 常与其他半导体材料合成使用。而砷化镓具有较好的温度特性，理论效率高， 较适于制成太空光伏电池。既可采用同质结形式也可以采用异质结形式，既可 采用单晶切片结构也可采用薄膜结构以制成光伏电池。 3 有机光伏电池 主要由一些有机的光电高分子材料构成的光伏电池。 1 5 光伏阵列模拟器 光伏发电系统是通过光伏电池将太阳能转化为电能的系统。光伏阵列模拟 器就是利用实际的电路来模拟输出光伏的i v 曲线，使其输出特性符合实际的光 伏电池输出特性，并且可以通过串、并联的方式模拟器真实的光伏阵列。这种 模拟器能够根据负载的变化，动态的调整工作点，使其快速的工作在i v 曲线上。 目前的光伏阵列模拟器主要分为模拟式【1 3 1 和数字式两种。 1 5 1 模拟式光伏阵列模拟器 1 基于太阳能电池样本的模拟式光伏阵列模拟器 仿霸照灯 图1 5 1 模拟式光伏阵列模拟器 这种模拟式光伏阵列模拟器主要采用小面积的样品太阳电池作为参考模 型，利用可控的仿日照灯作为光源，通过调节光源的照射来调节样品电池受射 的“日照强度 i 样品电池的输出电压、电流随着仿日照灯光强而变化。经过 4 放大后驱动功率器件，通过对样品电池的电压、电流跟踪，使其输出跟随样品 电池的输出特性变化，以代替实际的电池阵列来对实际的光伏系统进行测试。 其结构如图1 5 王所示。 这种模拟式光伏模拟器虽然可以不受环境和时间因素的制约，但也存在着 不足【l4 1 ：样品太阳能电池在白炽灯光源最大照射下，光伏模拟器机箱内小范围 的环境温度及样品电池p - n 结的结温变化剧烈，导致模拟器输出的i - v 曲线与设 定的条件下的特性误差很大。若加入恒温装置，则增加了系统的负载性和成本。 2 基于二极管和l e d 的模拟式光伏阵列模拟器 因光伏电池在无光照时的工作特性与二极管的工作特性相似，随着光敏元 件的发展，开始用光敏元件和l e d 分别代替样品电池和仿日照灯n 5 】。其系统结 构图如图1 5 2 所示；从图中可以看出该电路利用了放大电路对单个的一个光传 感器进行了放大，光传感器的输出电流、输出电压是独立放大的。太阳光的日 照强度的大小是通过l e d 所提供光强所控制。温度是通过加热炉进行控制。该光 伏阵列的i v 曲线模拟器，能实现不同条件下的曲线模拟。主要用于光伏逆变系 统和动态响应中代替真实的太阳能电池。该光伏电池阵列模拟器能实现百瓦级 的输出，控制电路简单，较适用于中、小功率光伏系统研究中。但l e d 发光二极 管与实际太阳光的光谱不匹配，产生误差。且模拟器的温度是通过加热器控制 的，很难做到稳定控制。 v p h i 图1 5 2 基于二极管和l e d 的模拟器 1 5 2 数字式光伏阵列模拟器 数字式光伏阵列模拟器【1 41 6 1 是以光伏电池模型为基础，基于单片机或d s p 的电力电子变换装置，可以模拟各种环境下的光伏阵列i v 和p v 曲线特性，相 当于输出的直流源装置，可以有利于研发人对光伏系统进行分析，以使光伏系 统达到最佳的工作状态。本文所研究的即是基于d s p 的数字式光伏阵列模拟器， 该数字式光伏模拟器主要由主电路和控制电路构成。模拟器的主电路由整流电 路和d c d c 电路构成，交流输出通过整流器获得直流电压，再通过d c d c 电路得 到输出可调的直流电压和直流电流信号，以得到需要的模拟直流源。通讯接口 主要是为了与上位机与下位机之间的信息交换，以查看模拟器的工作点等信息。 数字式光伏模拟器的结构图如图1 5 3 所示。 广= = = = 二一一一一= = 二二二一一一 二寸 整流r 一1 d c d c p w m 驱动 i 通信叫控制器l 划 ：光伏模拟器； 1 6 本文选题的意义及本文的内容 1 6 1 本文的意义 光伏逆变 器或负载 在研究光伏并网逆变器控制算法时，由于自然因素的限制，如采用真实的 光伏电池阵列，每次等待光照或温度的变化都需要很长的时间，这样既浪费了 时间，又不利于各种现象的重复试验，因此很难检验逆变器控制中各种算法的 合理性。 因此光伏阵列模拟器就成为必不可少的实验研究设备。光伏阵列模拟器可 以模拟任意光照、任意温度下的光伏特性曲线，能够对真实光伏阵列进行完全 逼真的模拟和仿真，这样研发人员在实验室就可以在很短的时间，对光伏发电 系统各种温度和光照情况变化进行测试以及对m p p t 等控制算法的性能进行评 估。除此之外，光伏阵列模拟器进行几台并联使用，以提高模拟器的功率，使 其也能在大功率场合应用，能够很大程度节约研发成本。 总之，光伏阵列模拟器相对成本低，模拟性能真实，能够大大节省研发周 期，提高研发效率和研发结果可信性，对于光伏发电系统研究来说是必不可少 的工具。 6 1 6 2 本文的内容 l 、首先介绍了当今可再生能源和新能源应用的现状，说明了太阳能光伏发电目 前被高度重视，是很有发展前途的一种新能源。接下来对光伏发电系统和光伏电池做 了简单的介绍，并介绍了模拟式光伏模拟器的特点和不足，由此提出了采用数字式的 光伏模拟器。 2 、从光伏电池的工作原理出发，建立了光伏电池的等效图并对其进行建模，分 析了光伏电池的各种特性，最后得到了计算光伏曲线的表达式。 3 、着重介绍了现有的光伏模拟器的各种拓扑结构及对比了这些结构的各种优缺 点，在此基础上提出了本文所采用的光伏模拟器主电路结构，接下来分析了该主电路 拓扑的工作原理，并对电路的主要的数量关系进行了计算。 4 、提出了光伏模拟器的系统结构，确定了单环的控制方法以及查曲线的策略。 重点对本文光伏模拟器的控制系统进行了设计，通过根轨迹和波特图的分析，确定了 调节器的参数，分析了参数对系统的影响。并且通过仿真验证系统的性能。 5 、论文完成了3 k w 光伏模拟器的研制，对硬件和软件电路进行了设计，并进行 了带负载和光伏逆变器的实验，能够得到较好的性能，验证了系统设计的合理性。 7 第二章光伏阵列电池的特性和物理模型 光伏阵列模拟器主要是用来模拟光伏电池，因此分析光伏电池的工作原理 和特性也就是必不可少的了。光伏发电应用首要解决怎样将太阳能转换为电能。 光伏电池就是利用半导体光伏效应制成，它是一种能将太阳辐射能之际转换为 电能的转换器件。由若干个这种器件封装成光伏电池组件，再根据需要将若干 个组件组合成一定功率的光伏阵列，并与储能、测量、控制等装置相配套，即 构成光伏发电系统。 2 1 光伏电池的等效电路与建模 太阳能电池的工作原理图及等效电路 1 1 , 1 7 1 如图2 4 所示：其中，凡是太阳 能电池的外接负载，负载电压( 亦即太阳能电池的输出电压) 为圪，负载电流( 亦 即太阳能电池的输出电流) 为丘。 少妊州兰 ) s t1 i l r l 图2 1 1 太阳能电池的工作原理和等效电路 厶( 二极管电流) 为通过p - n 结的总扩散电流，其方向与k 相反，它的大小 则与太阳能电池的电动势e 和温度t 等有关： _ 璺生 厶= 厶o ( e 爿灯- 1 ) ( 2 1 ) 式中，d 。为太阳能电池在无光照时的饱和电流；q = i 6 1 0 9 c 为电子的电 荷；k = 1 3 8 x 1 0 - 2 3 j k 为玻尔兹曼常数；a 为一个常数因子( 正偏电压大时a 值 为l ，正偏电压小时为2 ) ：e 为自然对数的底。l s c 取决于光照和光伏电池温度 t ，代表太阳光中光子激发的电流。当尺，= o 时，l s c 等于所测得的短路电流。i s e 的值与太阳能电池的面积大小有关，面积越大，l s c 及越大。一般来说，1c m 2 硅 太阳能电池的值约为1 6 3 0 m a 。同一块太阳能电池，其i s c 与入射光的辐照度 成正比；当环境温度升高时，l s c 值略有上升。r 。为串联电阻，它主要是由电 池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表面间接触电阻所组成。r s h 为旁漏电阻，它是由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷而引起的。 根据图2 2 。1 ，可得到流过负载的电流，为： l ：k 一( p 哆胛一1 ) 一( v l i + r l r s ) ( 2 2 ) 8 一般光伏电池，串联电阻匙很小，并联电阻很大。由于b 和是分 别串联和并联在电路中的，所以在进行理想电路计算时可以忽略不计，得到下 面的理想太阳能电池的电压一电流关系。 由此可得到理想太阳能电池的特性曲线方程为： 生 = 互虻一厶o ( p 麒丁一1 ) r 23 、 式( 2 3 ) 虽然忽略了尺。和r 。的影响并与真实的太阳能电池产生小的偏 差，但是它在本质上仍然可以表达照度和温度的作用，作为光伏阵列模拟器输 出特性的理论根据并不影响对光伏发电设备的测试。 当r ，- - - o 。时，可测得电池两端电压为开路电压。与光谱辐照度有关， 与太阳能电池的面积大小无关。在10 0 c m 2 的光谱福照度下，硅太阳能电池的 开路电压为4 5 0 6 0 0 m v ，最高可达6 9 0 m v 。当入射光谱福照度变化时，太阳 能电池的开路电压与入射光谱辐射照度的对数成正比。当环境温度升高时，太 阳能电池的开路电压值将下降。 在标准测试条件下通过开路和短路试验获得的和k 通常作为产品参数 提供给用户。 2 2 光伏电池的工作特性 图2 _ 2 1 光伏阵列输出特性曲线 在实际应用中的光伏器件为单片太阳能电池通过串并联形成的组合，称为 光伏阵列。图2 2 1 所示为表示光伏阵列输出特性的i v 和p v 曲线，它们确 定了某一日照强度和温度下的太阳能电池的输出电流，与电压巧的关系，包含 了光伏阵列绝大多数的技术特性，其中，妒为输出端短路时的输出电流，为 输出端开路时的端电压，己为负载变化过程中可输出的最大功率。 9 2 2 1 光伏电池伏安特性曲线 安特 时光 2 2 2 输出功率和曲线因数 跫 糖 嚣 稿 鬟 图2 2 4 光伏电池输出特性 根据功率定义式p = u i ，设定p 为不同的常数，代入u 和i ，便可在光伏电 池输出伏安特性曲线上做出一系列的等功率曲线，参见图2 2 4 ( a ) 。然而必有 唯一的一条功率曲线与光伏电池输出伏安特性曲线相切，该功率曲线便代表着 光伏电池在当前日照下的最大输出功率，该切点称为最佳功率点m 。从原点引 出的交于m 点的直线为最佳负载线，r l = r w ；m 点对应的电流为最佳输出电 流i m ，对应的电压值为最佳输出电压u m ；由i m 和u m 得到的矩形几何面积 也是该特性曲线所能包揽的最大面积，称为光伏电池的最佳输出功率或最大输 出功率p m ，它也可由下式得出： p m = l = 最i s c u o c ( 2 4 ) 式中足表示光伏电池的填充因数或称为曲线因数。是评价太阳能电池输出 特性好坏的一个重要参数，它的值越高，表明太阳能电池的输出特性越趋近于 矩形，电池的光电转换效率越高。为有助于准确计算出最大功率点，也可根据 i v 曲线绘制出p u 工作曲线，如图2 2 4 ( b ) 所示。 2 2 3 日照和电池温度对i v 曲线的影响 光伏阵列的输出特性受到光照和本体温度的强烈影响 1 9 , 2 0 l ，在不同光照或 不同温度下的输出特性形成曲线族。 保持太阳能电池温度不变，光伏阵列的输出与日照强度s 呈对应关系。如 图2 2 5 所示，开路电压随着日照强度s 的变化而变化不明显，短路电流k 随日照强度s 有明显的变化。最大功率点功率p m 随日照强度的变化也有明显 的变化。 p 图2 2 5 不同日照强度f 的特性曲线簇 保持日照强度、电池单元串并联个数等条件不变，太阳能电池阵列所输出 的光伏特性与电池温度t 之间对应关系，如图2 2 6 所示开路电压线性地随 温度变化，短路电流，妒随温度的变化有微弱的变化。最大功率点电压随温度的 变化也有很大的变化。其中所指的温度为光伏阵列本体的温度而非环境温度。 太阳能电池的温度与环境温度的关系为： t = 咒，+ 裕 ( 2 5 ) 其中r ( 。c ) 是太阳能电池的温度，z 扣( 。c ) 为环境温度，照度s 的单位是 w m 2 ，后( 。c 柳2 ) 由实验室测定的r ( s ) 直线的斜率确定。 图2 2 6 不同温度下的特性曲线簇 从特性曲线上可以看出太阳能电池随日照强度和温度变化的趋势，也可以 更加直观看出太阳能电池既非恒流源，也非恒压源，而是一个非线性直流电源。 光伏阵列提供的功率取决于阳光所提供的能量，因此不可能为负载提供无限大 的功率当太阳能电池( 组件) 的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或电池 ( 组件) 的电压从o ( 短路条件下) 开始增加时，电池( 组件) 的输出功率亦从0 开始增 加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将 跃过最大点，并逐渐减少至o ，即电压达到开路电压。电池( 组件) 输出功率 达到最大的点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压圪， 1 2 又称为最大工作电压；该点所对应的电流，称为最大功率点电流l 。又称为最 大工作电流；该点的功率，则称为最大功率砌。 光伏阵列的输出功率取决于太阳照度、太阳光谱分布、太阳能电池( 组件) 的工作温度，因此太阳能电池( 组件) 的测量必须在标准条件下进行( s t c ) ，测量 标准被欧洲委员会定义为1 0 1 号标准，其条件是：照度，1 0 0 0w m 2 ；光谱，a m l 5 ； 电池温度，2 5 。c 。在该条件下，太阳能电池( 组件) 所输出的最大功率被称为峰 值功率，用符号矾表示。 2 2 4 光伏电池的负载特性 在图2 2 7 中列出了无外加偏压的光伏电池电路在不同光照强度下的两条 伏安特性曲线。由图2 2 7 ( a ) 可见，对于同一负载r l ，在不同的入射光照下 输出可以是在恒流段( p 1 点) 的，也可以在恒压段( p 2 点) 的。而在同一光照 下，改变负载大小，也可使输出工作在恒流段或是恒压段( p 3 点) 。对于负载 的变化，可以通过光伏发电系统来控制完成。 图2 2 7 光伏电池参数与负载的关系 由上所述，光伏电池的输出电压和输出电流都和负载电阻r l 大小有关。图 中列出来光伏电池各个电参数和负载之间的关系曲线。可以看出如图2 3 7 ( b ) 所示，光伏电池的输出电流i l 与输出电压u l 和负载之间的关系都不是线性的， 前者随之减小，后者随之增大，只有当负载匹配的情况下r l = r m ，才能获得最 大的输出功率p m ，这时的光电转换效率也是最高的。 2 3 光伏电池特性曲线的数学表达式 光伏模拟器主要是根据光伏特性曲线输出工作点的，本文研究的光伏模拟 器即是要通过采样过来的输出电压信号，通过光伏曲线计算的表达式得到参考 电流进而进行控制的，因此光伏特性曲线的数学表达是就是必不可少的内容。 而式( 2 3 ) 表述的太阳能输出特性曲线在实际应用中有一定的困难，例如。和a 等参数取决于太阳能电池的物理特性和制作工艺，在不同照度和温度条件下的 1 3 k 厂家并不提供。在数字式光伏阵列模拟器的设计中不能对具体的太阳能电池 进行全天候的侧试后再将数据提供给模拟器用于模拟运行。数字式光伏阵列模 拟器必须在线地并较为准确地提供光伏阵列在全部工况下特性曲线数据。 太阳能电池的实用化表达式不仅要求体现太阳能电池的技术特性参数，如 k ，l ，圪且一要便于计算机分析计算，即由输入的太阳能电池实际测量 的技术参数，通过实用化方程就能够再现太阳能电池的i v 特性曲线。实用化表 达式就在式( 2 3 ) 的基础进行工程化简化 2 0 - 2 3 】推导得到的： 且 l = i s c 1 一c l ( e c v o c 一1 ) 】 ( 26 ) 这样需要对两个待定系数c 1 和c 2 进行确定。 由式，在最大功率点时有： 幺i上 l = ，i 1 一c l ( e q ) 】= 厶i c ( 1 一c l e 岛) 可以得到 州t 专p 赢 在开路电压情况下，输出电压为，输出电流为o ，由式可以得到： ( 2 7 ) ( 2 8 ) o ：i s c 1 - ( 1 一导) 口赢g 且g r o c j ( 1 - t ，- ) p - r 咖”r o c ：1 ( 2 9 ) l s c l s c 从而可以得到： c 22 锈川陋”耖 因此，利用该模型只需要输入太阳能电池通常的技术参数k 、l 、圪 就可以根据式( 2 8 ) ，( 2 1 0 ) 求出c 1 和c 2 ，最后由式( 2 6 ) 确定太阳能电池的伏安 特件曲缘 1 4 第三章光伏模拟器拓扑选择和工作原理研究 3 1 传统数字光伏模拟器拓扑 光伏阵列模拟器主电路的选择关系到整个模拟器的可靠性和安全性。而光 伏电池特性曲线是一种非线性的直流电源，既不能单纯的认为是恒流源也不能 当作为是恒压源。光伏模拟器的拓扑通常选择是d c d c 变换器，常用的拓扑 结构有b u c k 变换器，反激变换器，正激变换器，半桥变换器，全桥变换器等。 本文将对这几种拓扑进行比较，在此基础上选择了一种电流可逆斩波电路作为 本文光伏模拟器的拓扑结构。 1b u c k 电路【2 4 】 b u c k 变换器如图3 1 1 所示，它是一种单管、非隔离式直流变换器，为在 s 关断时给电感电流提供通道，设置了续流二极管d 。其输出电压小于或等于 输入电压。由于输出端有滤波电感，因此输出电流脉动小，但是输入端电流脉 动大。 图3 1 1 b u c k 电路主电路图 变换器输出平均电压为u 0 = d 。，d 为占空比b u c k 变换器虽然结构、控制简单， 但其缺点是输出电流不能连续。 2 反激变换器 2 4 - 2 6 】 反激变换器是最简单的隔离式直流斩波变换器，如图3 1 2 所示。反激变换器由 功率开关管、二极管、电容和变压器构成。与一般的变压器不同，反激变换器中的变 压器实质上是个耦合电感，它起着输入输出隔离和储存能量的作用。变换器的工作原 理与b o o s t 变换器类似，当开关开通时，变压器储能，当开关关断时，变压器中储存 的能量向输出端释放。与b o o s t 变换器不同的是由于有变压器的存在，反激变换器可 以降压。 反激变换器的优点是：电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单，特 别适用用于多输出场合。但是其存在如下缺点：由于变换器输出能量都是在开关关断 时由变压器储能提供，因此变换器的输出功率受到变压器储能的限制，难以达到较大 的功率，而且变压器单向励磁，利用率低。 图3 1 l2 反激式变换器主电路图 3 正激变换器 2 5 , 2 6 】 正激变换器如图3 1 3 所示，实质上是在b u c k 变换器中插入隔离变压器而成，与 反激变换器相比它的变压器增加了一个复位绕组，并在该复位绕组的回路中加入了复 位二极管d 3 ，副边则增加了输出滤波电感和续流二极管。 y i 手i l u l i l ：d1 ， d 2z 、2 图3 1 3 正激式变换器主电路图 当开关开通时，变换器通过副边整流二极管d 1 向负载提供能量，而当开关关断 时，变换器副边由输出滤波电感的储能通过续流二极管向负载提供能量，原边通过复 位绕组和复位二极管对变压器磁芯进行磁复位，将变压器激磁时储存的能量回馈到输 入端。 正激变换器的优点是：电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单，适合于 各种中小功率的场合。正激变换器的缺点是：变压器必须磁复位，否则变压器的磁通 将不断增加，最后导致磁芯饱和，变压器单向励磁，利用率低。 4 半桥变换器【2 7 】 半桥变换器如图3 1 4 所示，在原边采用两个容量大的电容组成一个桥臂，用两 个开关管组成另外一个桥臂。两个开关管交替导通，分别将两个输入电容的电压加在 变压器的原边，并向负载提供能量。在半桥电路中，由于电容连接点的电位会随s l 和s 2 导通情况而浮动，所以能自动平衡每个开关管开关的伏秒值。若浮动情况不能 满足要求时，可在变压器原边串联一个电容。如果两个开关管具有不同的开关特性， 1 6 t i t 则会引起伏秒不平衡。让这种不平衡的波形驱动变压器，将会发生偏磁现象，致使铁 心饱和，从而降低了变换器的效率，甚至使开关管烧毁。 c 1 = s 1 j- 、广y 、 n ， l r i v v l c 2 =- - |s 2 t jd 1 l l 2s d 3丰c ，一、i 图3 1 4 半桥电路主电路图 半桥变换器的优点是：变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本 低。其缺点是：半桥变换器的开关管电压应力为输入电源电压，常规的半桥变换器在 开关开通时，变压器原边所加的电压只有输入电压的一半，因此限制了变换器的输出 功率，要提供输出功率必须增加开关的电流应力。且其有直通问题，可靠性低，需要 复杂的隔离驱动电路。 5 全桥变换器 2 5 2 9 1 全桥变换器如图3 1 5 所示。常规的桥式电路，对角线上的两个开关管作为一组， 每组同时接通或断开，两组开关轮流工作，在一周期中的短时间内，四个开关管将处 于断开状态，四个开关导通( 或关断) 占空比值均相同。这是全桥变换器最基本的工作 方式。在稳态条件下，功率管断开期间，滤波电感l 上有一确定的电流量，并经过续 流二极管d