1、1基于 TMS320F2812 和 BUCK 电路的光伏阵列模拟器摘要：采用 TMS320F2812 DSP 为控制器，BUCK 电路为主电路，研究与设计了一种新型光伏阵列模拟器.模拟算法利用模拟器负载电流与阵列特性电流的差值控制 BUCK 电路开关的占空比，调节模拟器输出电压，使模拟器的工作点逐步逼近光伏阵列 IV 特性的工作点，实现对光伏阵列输出特性的模拟.阵列的特性电流值由存贮于 DSP 中的工程数学模型，根据选定的不同光照量和环境温度条件计算得到.MATLAB 仿真和模拟器样机的实验结果表明，本文模拟器的逼近与稳定时间约为 80 ms，仅为传统逐点逼近法的 25%，且超调小于 4%，稳
2、态误差小于 1%，均优于传统逼近法，且能够实现光伏阵列不同 IV 特性曲线的完整模拟. 关键词：光伏阵列模拟器；数字信号处理器（DSP） ；BUCK 电路；电流差值控制；IV 特性；模拟 中图分类号：TM615 文献标识码：A 光伏阵列模拟器可以代替实际光伏阵列装置用于实验室研究光伏系统负载能力与性能，因此，光伏模拟器的研究已成为近十年国内外的研究热点1-3. 光伏阵列模拟器的研究内容主要集中在 3 个方面：1）研究模拟算法，主要算法包括弦截法、数值迭代法和逐点逼近法等4-5.其中，弦截法需要求解复杂的超越方程，运算量大.数值迭代法与逐点逼近法的性能与逼近步长的大小密切相关，大步长的算法收敛速
3、度快，但精度差、超调2大；小步长的算法稳定性较好，但动态响应速度慢.2）研究模拟器的实现技术，大多用 DSP 和 FPGA 等数字控制器作为模拟器的控制器，采用现代电力电子电路作为模拟器的主电路6-8.3）建立光伏阵列的仿真模型，通过仿真验证模拟器的效能8. 本文采用 TMS320F2812 DSP 作为控制器，使用 IGBT 作为 BUCK 电路的主开关，研究与设计了一台能实现最大短路电流 5 A，最大开路电压50 V，最大光伏输出功率 150 W 的光伏阵列模拟器样机，并提出了一种新的模拟算法.该模拟算法实时采集模拟器负载电流和电压，将负载电压值代入光伏特性工程数学模型，根据选定的光伏环境
4、条件计算参考电流，用负载电流与参考电流的差值产生控制电压，生成 BUCK 开关占空比 d，调节模拟器输出电压，使模拟器工作点逐点逼近光伏阵列 IV 特性的参考工作点，实现对光伏阵列输出特性的模拟.MATLAB 仿真和实验结果表明，模拟器能准确跟踪参考工作点，并且超调小于 4%，稳态误差小于 1%，逼近过程的振荡小，能实现光伏阵列在多条件下完整的 IV 特性曲线模拟. 1 光伏阵列的特性与工程数学模型 光伏阵列的特性与工程数学模型是研究与设计光伏模拟器的理论基础.模拟器的基本工作原理就是通过控制 BUCK 电路主开关的占空比，调节其输出电压与电流尽可能接近于光伏阵列输出 IV 特性曲线上对应点的
5、电压与电流，从而实现对不同光照量 S 和环境温度 T 条件下的不同光伏阵列输出 IV 特性曲线的模拟. 3.2 仿真与模拟实验结果 条件的仿真和模拟实验波形分别如图 7 和图 8 所示，负载由 20 3 突变为 40 . 条件的仿真和模拟实验波形分别如图 9 和图 10 所示，负载由 25 突变为 12 . 由图 7图 10 可知，模拟器实际运行特性与仿真结果非常吻合，模拟器算法能够快速、精确地模拟各种不同条件的光伏阵列输出 IV 特性，能够在不到 80 ms 的时间内实现跟踪，且系统稳定性好. 3.3 算法对比实验结果 为了验证本文算法的有效性，在模拟器样机上进行了传统逐点逼近法与本文算法的
6、对比实验.对比实验的条件为：S=800 W/m2 ，T=32 ，电阻从 11 突变到 22 . 实验波形如图 11 所示.从图 11（a）可以看出，模拟跟踪的过渡过程时间为 300 ms，在达到稳态时还出现了小幅振荡.图 11（b）模拟跟踪的过渡过程时间约为 80 ms，约为传统逐点逼近法的 25%，且逼近过程振荡很小，超调小于 4%，稳态误差小于 1%. 4 结论 本文提出的模拟算法实时采集模拟器负载电流和电压，依据负载电压值计算光伏阵列特性对应的电流，与实际负载电流比较，差值电流生成控制模拟器 BUCK 开关的控制信号，使模拟器输出工作点逼近光伏阵列特性的对应工作点，实现光伏阵列输出特性的
7、模拟.采用 TMS320F2812 DSP 和 IGBT BUCK 研究与设计了一套光伏模拟器样机，并给出了模拟算法流程图.Simulink 仿真和实验结果验证了模拟器能够实现不同光照和环境温度下的光伏特性曲线完整模拟，具有动态响应速度块、模拟精度高和4工作点振荡小的特点，可以在光伏发电系统研究中代替实际的光伏阵列装置. 参考文献 1赵剑飞，姜建国.智能太阳能模拟系统的研究J.太阳能学报，2012，33（1）：18-23. 2张长征，陈乔夫，邹建章.大功率光伏电池阵列模拟器研究J.太阳能学报，2011，32（10）：1461-1465. 3张崇巍，朱丽.光伏阵列模拟器的设计及其跟踪策略J.仪器
8、仪表用户，2007，14（6）：83-84. 4KOUTROULIS E，KALAITZAKIS K，TZITZILONIS V. Development of an FPGAbased system for realtime simulation of photovoltaic modulesC/Rapid System Prototyping Conference. Chania Crete：IEEE，2006：200 -208. 5王付胜，文家燕，张兴，等.数字式光伏阵列模拟器J.太阳能学报，2012，33（3）：494-499. 6杜柯.基于 DSP 的光伏电池数字模拟系统研究D.武汉
9、：华中科技大学电气与电子工程学院，2006. 7HE Mingzhi，LIU Hongliang，YOU Xiaojie，et al. Research on photovoltaic array simulator based on the PWM rectifierC/Energy Conversion Congress and Exposition.San Jose CA：IEEE，2009：302-306. 8MARCELO G V，JONAS R G，ERNESTO R F.Modeling and 5circuitbased simulation of photovoltaic arraysC/Power Electronics Conference. BonitoMato Grosso：IEEE，2009：1244 -1254.
