太阳能光伏电池模拟器基于BUCK电路提高性能试验

　　尽管技术日趋发达，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。但是，由于太阳能电池的研究成本较高，因此诞生了太阳能电池模拟器。

　　今天我们是设计太阳能电池模拟器基于BUCK电路，采用ARM控制，并增加了当前的PI控制方法，以提高系统的动态性能和稳态精度。另外，在本文中，我们使用四折线法将光伏电池阵列的特性曲线进行分段拟合，并进行仿真验证。

　　一、太阳能电池板伏安特性曲线

　　图1显示了太阳能电池板的输出I-U特性曲线随日光和温度的变化。太阳能电池板模拟器需要能够在不同的温度和不同的光线下模拟不同的曲线。换句话说，模拟器最终应该能够模拟许多曲线。但是，在某些时候，日照强度和温度是恒定的，此时只有一条输出曲线可以满足要求。可以根据设计时设定的日照强度和温度通过计算来确定要输出的曲线。实际的方法是将曲线分散在不同的阳光和不同的温度下，并将其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。

　　二、太阳能电池板工程数学模型

　　电池板出厂时具有四个参数(ISC，VOC，Im和Vm)：短路电流，开路电压，最大功率点电流和电压，并且这四个参数符合以下公式。

　　这样，可以将太阳能电池板的I-U特性曲线转换为方便的形式，以进行工程计算。

　　公式(1)表示标准照度(Sref = 1000W/m2)和标准温度(Tref = 25°C)时的I-U曲线。在正常情况下(照度S，温度T)，可以通过以下方式计算I-U方程。

　　三、控制系统输出的电压和电流

　　在某些环境条件下，电池面板输出电压-电流特性曲线只有一条特定曲线，因此您可以通过收集系统输出电压和电流来获得输出负载大小。负载线和输出I-U曲线之间有一个交点。该点是工作点，即图3中的点B。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，可以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。

　　如果在特定调整期间对应于所收集的电压和电流的负载工作点位于(点A)，则当占空比D超出曲线时，可以减小占空比D。此时，点B是所需的工作点，因此输出电压降低，并且工作点沿负载线移至点B。如果与收集的电压和电流相对应的负载工作点为(点A)，则曲线内占空比D的增加将增加输出电压，并且工作点将沿着负载线移动到点B。移动由于负载是电阻性的，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整方法。

　　如果外部环境没有变化，即太阳能电池板的输出曲线没有变化，或者负载发生了变化，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，可以沿着负载设定负载工作点，将线的方向移动到所需的曲线。

　　实际上，即使负载没有变化并且环境发生了变化(即曲线发生了变化)，也会根据预先保存的曲线数据调用新曲线，与负载相比会获取新的工作点，并且可以按照该方法。调整占空比，使负载工作点沿负载线移动到所需曲线。

　　四、程序算法实现流程

　　使用数据表查找方法时，接近程序操作点的过程通常会花费一些时间，因为算法本身需要步长，步长选择的大小也是一个问题，并且该方法很复杂。但是，使用四线法实时计算工作点的优点是计算量少，执行时间短。

　　从太阳能电池板输出的螺栓安培特性曲线可以看出，开路点和短路点的曲线比较平滑，可以用四个虚线模拟。在这四个虚线方程曲线中，特定的负载电阻RL必须与这四个虚线之一相交。这样，可以直接构造负载电阻RL与输出电流之间的关系表达式，然后可以得到负载电阻RL与所需占空比D之间的关系表达式。因此，通过编程仅计算一个除法和一个加法就可以得到所需的占空比D，这很容易实现。同样，如果需要多组曲线，创建多组折线方程式并将其预先保存到ARM。图4显示了程序执行流程图。

　　五、SIMULINK仿真结果分析

　　此设计的电流反馈中使用了PI控制，以提高系统的响应速度并减少稳态误差。控制框图如图5所示。根据本文的控制策略，可以从测得的输出电压和电流，然后从参考电流Iref获得输出负载RL。从实际输出电流中减去电流，然后将其发送到PI控制器。然后使用PI输出控制来调整占空比，以使实际输出电流与Iref相匹配。

　　图6是使用SIMUUNK工具构建的仿真模型。该系统模拟的太阳能电池板的最大输出为120W。输入来自150VDC电源，并在BUCK降压电路之后添加到负载RL。然后将负载两端测得的电压除以电流即可得出输出负载RL的值。输出面板的I-U曲线可以适应RL-Iref关系曲线，从而避免了繁琐的计算并提高了系统响应速度。接下来，创建一个LookupTable数据表。这样，通过检查表格可以容易地获得参考电流Iref。如果要在不同的日照温度下拟合太阳能电池板的I-U曲线，只需更改查找表值即可。

　　在本文中，我们将使用试错法来设置PI控制器的参数。首先，将积分时间常数Ti设置为零。也就是说，它取消了积分运算并采用了纯比例控制。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，直到系统响应速度足够快以超过特定范围为止。此后，积分时间常数Ti增加，然后逐渐减小，以逐渐增加积分操作。以这种方式观察输出，您可以看到它逐渐减小，直到系统的静态错误消失为止。您可以重复操作几次，直到它足够快以消除静态错误为止。在这种设计中，P = 200和Ti = 2是最终选择。
 

　　根据系统电压要求和BUCK电路的特性，可以得出电感L为2mH，电容C为100μF，ARM中存储的I-U曲线的开路电压为40V，短路电流为3A。如果RL =24Ω，则系统应根据光伏电池的I-U曲线输出36.54V的电压和1.524A的输出电流。仿真后，负载两端的电压波形如图7所示。

　　从图7中可以看到，获取的电压和电流值是要获取的I-V曲线上的点。从启动到稳定值的动态响应时间约为10ms，响应速度相对较快。由于PI过冲的影响，起初会有一个清晰的峰值电压和电流，但是在实际实验中，有必要在负载两端并联具有高耐压的小型电容器来吸收峰值电压。

　　通过更改负载电阻的大小，每个电阻可以对应于作为负载工作点的一对电压和电流值。图8由符号“ *”表示。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接近光伏电池的IU曲线，多点仿真结果如图8所示。