阳能光伏阵列模拟器设计与实验研究 - 图文

第１期２０１０年１月文章编号：１００１—３９９７（２０１０）０１－００４１－０３机械设计与制造ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ４１太阳能光伏阵列模拟器设计与实验研究赵永强侯红玲（陕西理工学院机械工程学院，汉中７２３００３）Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙ（Ｓｃｈｏｏｌｏｎｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍｓｉｍｕｌａｔｏｒ７２３００３，Ｃｈｉｎａ）ＺＨＡＯＹｏｎｇ－ｑｉａｎｇ，ＨＯＵＨｏｎｇ－ｌｉｎｇｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａａｎＸｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｚｈｏｎｇ【摘要】针对分布式发电系统的特点和太阳能电池阵列的输出特性，设计了光伏阵列模拟器和最大功率点追踪控制器，并进行了实验研究，实验结果表明所设计的光伏阵列模拟器能够对给定参数的光伏阵列进行模拟，并具有较高精度。关键词：太阳能；光伏阵列；最大功率点跟踪【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｓｙｓｔｅｍａｎｄｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙｃｅｌｌａｒｒａｙ，ａｐｈｏｔｏ－ｅｘ—ｖｏｌｔａｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｏｒａｎｄＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ就坷噶ｃｏｎｄｕｃｔｅｄｐｕｔｐｏｗｅｒＴｒａｃｋｉｎｇ（ＭＰＰＴ）ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｅｒｅｃａｎｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｎｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｏｒ．Ｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓ。ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｏｒｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｏｔ时一ｏｆｔｈｅｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃａｒｒａｙｗｉｔｈｃｅｒｔａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄｈａｓｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ；Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃａｒｒａｙ；ＭＰＰＴ’中图分类号：ＴＨｌ２，ＴＫ５１４文献标识码：Ａ太阳能与煤炭、石油、天然气、核能等一次能源相比，具有分布广泛、清洁干净、取之不尽、用之不竭等优点，同时又有分散性、随机性、间歇性等缺点。我国的光伏发电技术始于２０世纪７０年代，２００２年光伏发电系统累计装机容量为４０ＭＷ，占世界总量的２％。并网发电占总的光伏应用比例超过５０％，占第—位聊。太阳能★来稿１３期：２００９－０３—１６电池是光伏发电的基础和核心，也是利用电池将光的能量直接转变成电能的装置。太阳能电池阵列采用最大功率点追踪控制，可以获得在任意日照条件下的最大功率输出。１光伏阵列数学模型为了模拟分布式发电系统，需要模拟风力发电机和光伏电池．??●?．．．．?●?．¨．?●?－…???…．?●－．．．．?●??¨??●?－Ⅲ?●?－¨．?●??¨．?●－．．．．－●?．．．．?●。¨．．?●?¨．．?●?．．．．?●?．．．．?●?¨．??●?¨．??●??．．?一?ｍ??●－?．．?－ｈ．．．??●‘～?●Ｉ．一．一¨．．＿●?…．．?＾＿一●ｗ●Ｗ●ｈ．．－●¨．－¨●。…?●?．＿一●－．．“●ｈ＿?＿．．－Ｈ?－～?—?一‘－．－●??．理完毕后由ＰＬｃ通信将其复位。监控程序如果没有缺陷信号的时候需要定时将信息传人ＰＬｃ，如果有缺陷信号就应该立即传送，在设计此通信程序时，采用ＶＣ自带的ｉＳＣｏｍｍ（ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ６结论项目是根据实际要求，可以满足多种管径的无缝钢管检测，—些角度不大的弯曲管件也可以测量。整个系统具备设计精巧，操作简便，精度高等特点。同时因为采用的是自主开发的应用软件进行数据分析和处理，所以对于缺陷的定义可以由用户设立，另外由于广泛采用了自动化设备模块，其使用寿命有了保证，对于以后的维修和更换都可以依照图纸进行，此项目经实际运用，完全达到了用户的要求。Ｃｏｎｔｒ０１）控件来实现。应用ＶＣ＋＋平台的ＭＳＣｏｍｍ控件进行串口编程的主要步骤：（１）在当前Ｐｒｏｊｅｃｔ中插入ＭＳＣｏｍｍ控件；（２）对串口进行初始化并打开通信端口：完成通信端口号、通信协议、传输速率参数等的设置；设置时要注意传输速率等参数要与ＰＬＣ的设置保持一致；（３）串Ｉ：１事件捕捉：说明使用控件的事件驱动机制和如何发送代码与接收代码；（４）读写串Ｅｌ：使用Ｇｅｔｌｎｐｕｔ（）和ＳｅｔＯｕｔｐｕｔ（）函数完成对串口的读写；（５）关闭端口：使用完控件后，应及时关闭串口，以释放串口资源。’参考文献１张晓春．超声波探伤和测厚．计量技术，９９２（１２）：８－０２汤光华，吴青．自由口模式下￥７２００ＰＩＥ与上位机的通信［Ｊ］．微计算机信息，２００８，２４（５）：６扛“３聂小武，陈同彩．ＴＭ２１０Ａ钢棒及锻件的超声波探伤［Ｊ］．无损探伤，２００８（１）：４５—１６４时蕾，张君霞基于ＰＩＥ的超声波自动探伤系统信息技术，２００８（５）：１４１５ＳＩＥＭＥＮＳ（中国）有限公司．ＳＩＭＡＴＩＣＳ７－２００可编程控制器系统手册，２００５６张扬，蔡春伟，孙明健￥７－２００ＰＩＥ原理与应用系统设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社。２００７７蔡行健．深入浅出西门子￥７－２００ＰＩＥ［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００５８国家技术监督局．无缝钢管超声波探伤检验方法（ＧＢ／Ｔ５７７７－１９９６），１９９６９陈糟｝饔厚壁管的水浸聚焦超声探伤．四川冶金，１９９５（４）：９１图５监控程序组成图ｌＯｉ橱比Ｐｃ机与ＰＩｃ串行通讯舶９霹现［Ｊ］．铹计算棚信息，２００２（４）：８－－９万方数据４２赵永强等：太阳能光伏阵列模拟器设计与实验研究第１期阵列的输出特性。对于光伏发电模拟系统的研究方案，如图Ｉ所示。其主要由光伏阵列模拟器以及最大功率点追踪控制器构成。图Ｉ光伏发电模拟系统方案光伏阵列模拟器主电路由稳压直流电源部分和ＢＵＣＫ变换器部分两部分组成。最大功率点追踪控制器主电路采用ＢＯＯＳＴ拓扑结构。系统输出端接分布式发电系统的直流母线，图中以蓄电池组代替。２最大功率追踪及其原理太阳能电池阵列的Ｐ＿ｙ特性曲线，如图２所示。由图可知当阵列工作电压小于最大功率点电压ｙ舭时，阵列输出功率随太阳能电池端电压ｙⅣ上升而增加；当阵列工作电压大于最大功率点电压ｙ撇时，阵列输出功率随ｙⅣ上升而减小。ＭＰＰＴ的实现实质是光伏系统的一个自寻优过程，即通过控制阵列端电压矿一，使阵列能在各种不同的Ｅｌ照和温度环境下智能化地输出最大功率。（ｒｗ．‰）／啊２五Ｄ如拍纶惦Ｍ器㈣＜～ｍ嘶¨仰ＯＤ５．２１０．４１５．６２０．８２６．０３１．２３６．４Ｕ（Ｖ）图２太阳能电池阵列的功率电压Ｐ叫特性根据太阳能电池阵列的内部等效电路，我们可以把光伏阵列简化为—个理想直流电源和—个可变电阻的串联，如图３所示。在不同辐照度、不同温度条件下，相当于光伏阵列的内部阻抗发生了变化。把图３虚线框里面部分即实际负载和最大功率追踪控制器整个看成光伏阵列的负载，则其等效阻抗是与ＤＣ／ＤＣ中开关器件占空比以及实际负载有关，根据阻抗匹配原则，当负载端阻抗与电源内阻相等时，负载端获取的功率达到最大值。即图３的ＲＩ＝ＲＬ’时，输出功率Ｗ２达到最大酗。———１ＤｃｌＤｃ甲２呐州ＲＬ．．．．．．．一］图３最大功率点追踪（ＭＰＰＴ）屠ｆ理图３系统硬件设计３．１系统主电路光伏模块设计的最大输出功率为９００Ｗ，目标阵列由国飞绿色能源有限公司生产的ＪＤＧ＿Ｍ４５型光伏阵列组成，先由两组并联，每组又由ｌＯ块电池串联而成，则该阵列标态下最大功率点电万方数据压电流分别为Ｖ＝＝１７１Ｖ，厶筇．２８Ａ。ＢＯＯＳＴ电路的发射极与电源地相连，驱动电路设计方便，其电压变比恒大于１，易于满足光伏阵列输出电压较低情况下，将电能送到直流母线，选用ＢＯＯＳＴ电路作为最大功率点追踪控制器主电路。光伏发电模拟系统主电路，如图４所示。直流电压源光伏阵列模拟器）Ｄ２ｒ１Ｄ３图４光伏发电模拟系统主电路图３．２直流电压源模块直流电压源选用ＶＩＳＨＡＹ公司的整流桥，型号为ＫＢＰＣ３５１０／Ｗ，可通过的平均电流为３５Ａ，可承受的浪涌电流高达４００Ａ。滤波电容ｃ，采用２２００ｔｔＦ／６３０Ｖ，限流电阻Ｒｌ＝２０１Ｉ。３．３各元器件参数选择主电路的设计主要是功率开关器件的选取，以及输入、输出ＬＣ参数设计。３．３．１功率开关器件选择选取型号为１ＭＢＨ６０Ｄ一１００的ＩＧＢＴ作为模拟器主电路的功率开关器件，其额定参数为１０００Ｖ／６０Ａ。续流二极管选用ＩＸＹＳ公司的ＤＥＳＬ３０—１０，即正向可承受电流为３０Ａ，反向可承受电压为１０００Ｖ。３．３．２滤波电感电容的设计为了使系统能够工作在电感电流连续状态，电感Ｌ和电容Ｃ的选取可依照式（１）和（２）：扛掣（１）ｑｓｉ“”瓦两ｃ－导熙磐（２）ｕ７输出电压最大为２００Ｖ，开关管占空比Ｄ在肌１之间变化，开关频率ｆ，＝２０ｋＨＺ，厶庐５．９Ａ，则其临界电感值为０．８５ｍＨ。电容Ｃ值为７４１乩Ｆ，考虑到一定的电压裕量，选则４７０Ｗ１００的电解电容ｑ。４系统软件设计４．１ＭＰＰＴ控制器软件结构光伏阵列模拟器结构框图，如图５所示。］加采样Ｉｌ激辐射度ＩＩ！三鳌錾冬！ＨＩ－＇Ｉ茎鲨睫，Ｉ（工程数学模型）电流输出ｆ：■：、标准测试条件下光伏阵列参数（Ｉ∞、ｒｏｅ、Ｉｒａ、Ｖｍ）图５模拟器结构框图光伏发电模拟系统经二极管给蓄电池充电，控制器输出电压被钳住蓄电池额定电压附近。在实际系统中，电池电压的变化速度相对温度和辐照度引起的光伏阵列电流变化，是—个渐变的过Ｎｏ．１Ｊａｎ．２０１０机械设计与制造４３程。经过获取新的占空比改变方向，改变ＢＯＯＳＴ变换器的输入电比，如图１０所示。示波器ｌ通道为充电电流，２通道为光伏阵列模拟器输出电压。压，即调节光伏阵列的输出电压，使之逼近最大功率点电压ｋ值。最大功率点追踪控制框图，如图６所示。．三蓄电池组罨苫嚣脚辜苫璐脚时间２５ｕｄｄｉｖ时间２５ｕｄｄｉｖ图６ＭＰＰＴ控制器框图（ａ）０－－ｏ．３恒定时，输出电流波形（ｂ）加最大功率点追踪（电流回馈法）图９ＢＯＯＳＴ变换器加ＭＰＰＴ算法前后比较４．２ＭＰＰＴ控制器软件流程用蓄电池组代替分布式发电系统的直流母线作为负载，可得到电流回馈法ＭＰＰＴ算法流程，如图７所示。当ＢＯＯＳＴ变换器占空比给定为０．６时，控制器输出电压为３６．８Ｖ，且基本不变；ＢＵＣＫ变换器的占空比处于动态调节中，光伏阵列模拟器的输出电压均值为１６．２Ｖ，如图１０（ａ）所示。在ＢＯＯＳＴ变换器加入ＭＰＰＴ算法后，光伏模拟器的输出电压被动态调整到均值为１７．２Ｖ，此时ＢＵＣＫ变换器和ＢＯＯＳＴ变换器的占空比都处于动态，蓄电池充电电流较恒占空比有明显的上升，如图ｌＯ（ｂ）所示。由于系统直流电源的交流纹波较大，光伏模拟器的工作点未能稳定在目标特性曲线上，致使系统的最大功率点追踪扰动较大，实验结果从原理匕证明了此光伏阵列模拟方法是可行的，并且对于负载为电池或直流母线的光伏系统，电流回馈法可以追踪到光伏阵列最大输出功率。‘图７电流回馈法ＭＰＦｒ算法流程ｉ：７≮：？“≮．．‘≮７≮：：７≮要罨壤瑗罾脚０肖ＵＵ５实验研究模拟器实验以上海交通大学国飞绿色能源有限公司生产的ＪＤＧ＿Ｍ＿４５型光伏电池为模拟对象。负载采用杭州思博泰克电子技术有限公司生产的ＳＴ－ＳＣ６００１型直流电子负载，该负载输入撤融√鼬灿唯电压电流范围分别为（１肌５０．０）Ｖ、（ｏ．１０一５０．０）Ａ。可以完全代替传统的变阻器，具有稳定性好、调节灵活、体积小、功率大，人机接口简洁，操作方便等特点。利用ＢＯＯＳＴ变换器做最大功率点追踪实验，如图８所示。负载为三节１２Ｖ的蓄电池串联，电流信号通过串联阻值为０．０５１）的电阻获取。‘㈣尹嚣ｊ～１．．ｒ－：Ｃｈｌ：时同２５ｕ８／ｄｉｖＣｈ２：时间１０ｕｄｄｉｖＣｈｌ：时Ｉ司２５ｕｓ／ｄｉｖＣｈ２：时间ｌＯｕｓ／ｄｉｖ（ａ）恒占空比（ｂ）加入电流回馈法图１０恒占空比与加ＭＰＰＴ算法比较６小结针对太阳能分布式发电系统的特点设计了太阳能光伏阵列模拟器和最大功率点追踪控制器。根据光伏发电的系统要求设计直流电源＿￣风，ＲｌＤｏＤＣ（ＢＯＯｓＴ了ＢＯＯＳＴ变换器、控制电路和ＭＰＰＴ控制器的控制软件。将光伏阵列模拟器的试验结果与实测太阳能板的结果进行对比，表明光伏模拟器具有一般光伏阵列相似的输出特性，ＭＰＰＴ算法简单实变换器）图８基于ＢＯＯＳＴ变换器ＭＰＰＴ实验原理在Ｒ，－－２５．６１＂Ｉ时，用ＭＰＰｒ算法和恒占空比工作分别获取的充电电流，如图９所示。其中恒定占空比时，／）＝－０．３，输出电流平均值为１１－－４０６ｘ１０－３／０．０５＝０．８１２Ａ，输出电压为３６．８Ｖ，输出功率为用，仿真结果的精度较高。参考文献１王常贵．新ｅ旨源发电技术［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００３：１—１６２朱腾．基于ＭＰＰＴ的光伏电池电力应用系统的研究与设计［Ｄ］．东华大学学报，２００５３ＣＨｕａ，Ｊ．Ｌｉｎ．Ａｎｏｎ－－ｌｉｎｅＭＰＰＴａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｒａｐｉｄｌｙ２９．８８Ｗ；加入电流回馈法的ＭＰＰＴ算法后，输出电流平均值为皓５１８ｘ１０－３／０．０５＝１．０３６Ａ，输出电压仍为３６．８Ｖ，输出功率为３８．１２Ｗ。对比发现该最大功率点追踪控制器可以动态调节输入阻抗，输出功率得到明显提高。ＢＯＯＳＴ工作于恒占空比和加入电流回馈ＭＰＶｒ算法后的对ｄｋｍｇｉＩｌｇｉＵｕｍｉｎａｔｉｏｎｓｏｆｓｏｌａｒａｒｒａｙｓ［Ｊ］．Ｒｅｎｅｗ８ｂｌｅＥｎｅｒｇｙ．２００３：１１２９－，，１１４２４杨玉岗．现代电力电子的磁技术［Ｍ］．北京：科学出版社，２００３：１６８－－１７２５卢景霄．甩解析模型拟合太阳电池Ｉ－Ｖ特性的试验数据［Ｊ］．太阳能学报，１９９叹１）：年０４９万方数据