一種人機(jī)交互式光伏陣列模擬器的設(shè)計(jì)

王萬(wàn)樂(lè)，宋 健，謝云興，公茂法，魏景禹

(1.山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島266590；2.國(guó)網(wǎng)山東電力東營(yíng)供電公司，山東東營(yíng)257091)

一種人機(jī)交互式光伏陣列模擬器的設(shè)計(jì)

王萬(wàn)樂(lè)1，宋 健2，謝云興2，公茂法1，魏景禹1

(1.山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島266590；2.國(guó)網(wǎng)山東電力東營(yíng)供電公司，山東東營(yíng)257091)

為解決真實(shí)光伏陣列給研究造成的諸多限制，提出一種人機(jī)交互“雙工作模式”的數(shù)字式光伏陣列模擬器。介紹了整個(gè)模擬器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬光伏陣列任意條件下的輸出特性，增加了操作的多樣化和可視化。實(shí)驗(yàn)表明，該模擬器可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下較為精確地模擬任意條件下的光伏陣列輸出特性，可以取代真實(shí)的光伏陣列進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

光伏電池；模擬器；仿真；人機(jī)交互界面；雙工作模式

Abstract:To solve the limitations of the actual photovoltaic array to the research,a digital photovoltaic array simulator based on the"double working mode"of human computer interaction was proposed.The design methods of the simulator system were introduced.The static and dynamic simulation output characteristics of photovoltaic array under any conditions could be realized by human-computer interaction interface.And the diversity of the operation and visualization could be increased.The experimental results show that the simulator in laboratory environment can accurately simulate the output characteristics of the photovoltaic array under different conditions,and can replace the real photovoltaic array for experimental research.

Key words:photovoltaic cells;simulator;simulation;human-computer interaction interface;double working mode

近年來(lái)，作為新能源的太陽(yáng)能已經(jīng)成為各國(guó)緩解能源危機(jī)，促進(jìn)節(jié)能減排的有效方式?，F(xiàn)今對(duì)太陽(yáng)能的利用主要集中在光伏發(fā)電領(lǐng)域，在光伏發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程中不可避免地要利用光伏陣列作為原材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但真實(shí)的光伏陣列不僅成本高、控制難、占用體積大，而且其輸出特性受天氣、溫度、光照等一系列外部因素影響較大，很難達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)與測(cè)量效果[1-3]。光伏陣列模擬器可以模擬真實(shí)光伏陣列在任意溫度、光照強(qiáng)度下的輸出特性從而可以取代真實(shí)光伏陣列進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅可以降低成本、方便調(diào)試，而且提供“全天候”條件下的光伏陣列模型，有效地促進(jìn)了系統(tǒng)的研發(fā)效率，縮短了研發(fā)周期。本文介紹了一種“雙工作模式”人機(jī)交互的數(shù)字式光伏陣列模擬器的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 光伏電池的工程數(shù)學(xué)模型

光伏電池是一種基于半導(dǎo)體材料光生伏特效應(yīng)，具有將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能輸出的半導(dǎo)體器件。當(dāng)沒(méi)有陽(yáng)光照射時(shí)光伏電池的輸出幾乎為0，所以可以近似地把它看成P-N結(jié)型二極管，當(dāng)有陽(yáng)光照射時(shí)導(dǎo)通產(chǎn)生電流，其等效電路如圖1所示[4-5]。

圖1 光伏電池等效電路

然而在實(shí)際的工程應(yīng)用中為了便于分析計(jì)算，光伏電池輸出特性的數(shù)學(xué)模型通常由標(biāo)準(zhǔn)條件(光照強(qiáng)度Sref=1000 W/m2，環(huán)境溫度Tref=25℃)下的開(kāi)路電壓Voc，短路電流Isc，最大功率點(diǎn)電壓Vm及最大功率點(diǎn)電流Im來(lái)確定。其I-V輸出特性曲線表達(dá)式[6]：

式(1)描述了在標(biāo)準(zhǔn)條件下的I-V輸出特性。根據(jù)修正后的Voc，Isc，Im可以得到任意溫度和光照強(qiáng)度下的輸出特性，具體表達(dá)式為：

式中：ΔS為實(shí)際光照強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度差，ΔS=S/Sref－1；ΔT為實(shí)際溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度差，ΔT=T－Tref；系數(shù)α、β、γ的典型值為：α=0.0025，β=0.5、γ=0.0028。

2 光伏陣列模擬器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字式光伏陣列模擬器由STM32F103ZET6為核心的控制電路和DC/DC半橋變換的主功率電路及上位機(jī)LabVIEW人機(jī)交互界面共同組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 光伏陣列模擬器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖2可見(jiàn)，工頻交流市電經(jīng)過(guò)整流、濾波后得到穩(wěn)定的直流電，用來(lái)滿足DC/DC變換電路工作的需要。DC/DC變換采用半橋變換，高頻變壓器采用非晶鐵心材料，通過(guò)輸出濾波向負(fù)載供電。首先通過(guò)LabVIEW上位機(jī)人機(jī)交互界面設(shè)置光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和工作模式等參數(shù)，根據(jù)己有的光伏電池工程數(shù)學(xué)模型，得到所需要的任意條件下光伏電池輸出I-V特性曲線。采樣電路采集負(fù)載兩端的電壓和電流經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊將信號(hào)反饋給STM32F103ZET6控制器?？刂破魍ㄟ^(guò)RS232接受上位機(jī)發(fā)送的指令，根據(jù)采集到的電壓、電流值產(chǎn)生合適的占空比信號(hào)通過(guò)PWM驅(qū)動(dòng)電路控制半橋電路的兩個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)，使模擬器的輸出穩(wěn)定于光伏電池預(yù)設(shè)的輸出特性曲線上該負(fù)載對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)光伏電池的模擬輸出。

2.2 光伏陣列模擬器的控制方案

光伏陣列模擬器控制原理框圖如圖3所示。

圖3 光伏陣列模擬器控制原理框圖

本文所設(shè)計(jì)的模擬器采用的是電流控制型雙閉環(huán)控制方案[7]。系統(tǒng)在正常工作時(shí)電壓環(huán)處于開(kāi)環(huán)的狀態(tài)，電壓的變化不會(huì)使電壓環(huán)動(dòng)作。當(dāng)負(fù)載輸出的電壓Uout大于給定電壓Uref時(shí)，電壓環(huán)動(dòng)作通過(guò)鎖存PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出實(shí)現(xiàn)將負(fù)載輸出電壓Uout限制在給定電壓Uref之下。

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，首先，通過(guò)設(shè)置上位機(jī)條件參數(shù)得到所需要模擬的光伏陣列輸出特性曲線。然后通過(guò)STM32F103ZET6的模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)地采樣負(fù)載輸出的電壓和電流。采樣得到的電壓值根據(jù)所需模擬的光伏陣列輸出特性曲線實(shí)時(shí)計(jì)算得到所對(duì)應(yīng)的電流值，將該電流值作為電流環(huán)的給定電流Iref。它與實(shí)際采樣所得的負(fù)載電流值進(jìn)行比較，并將誤差傳送到電流PI調(diào)節(jié)器。誤差信號(hào)經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)器處理后產(chǎn)生PWM信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的動(dòng)作，從而負(fù)載電流可以跟蹤指令給定電流Iref。從而在負(fù)載一定的情況下，可以實(shí)現(xiàn)模擬器的電壓、電流符合所需模擬的光伏陣列輸出特性。

3 上位機(jī)LabVIEW人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

目前光伏模擬器普遍存在的問(wèn)題就是人機(jī)交互界面不夠完善，可視性比較差，給研究和開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)不便。本次設(shè)計(jì)采用LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)人機(jī)交互界面編程，一定程度上優(yōu)化和完善了人機(jī)交互界面[8]。

3.1 人機(jī)交互界面的功能介紹

本文所設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面可以實(shí)現(xiàn)的功能包括模擬器輸出電壓電流和功率的實(shí)時(shí)顯示、光伏陣列模擬特性參數(shù)的設(shè)置及工作模式選擇、上位機(jī)和下位機(jī)串口通信設(shè)置、輸出特性波形顯示。極大地提高了系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)、分析結(jié)果、監(jiān)視過(guò)程的靈活性，增加了系統(tǒng)控制的可視化、多樣化，實(shí)現(xiàn)了模擬器實(shí)時(shí)監(jiān)控、采集并顯示I-V、P-V曲線，并且具有存儲(chǔ)功能，方便進(jìn)行回看數(shù)據(jù)，具體界面如圖4所示。

圖4 LabVIEW人機(jī)交互界面

3.2 人機(jī)交互界面“雙工作模式”的功能實(shí)現(xiàn)

光伏陣列模擬器上位機(jī)的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)顯示工作狀態(tài)數(shù)據(jù)和負(fù)載工作點(diǎn)曲線。本文模擬器上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)“雙工作模式”，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

(1)靜態(tài)工作模式

該模式主要用來(lái)模擬給定溫度和光照強(qiáng)度不變的光伏陣列I-V輸出特性。通過(guò)在上位機(jī)人機(jī)交互界面設(shè)置需要模擬的光照強(qiáng)度和溫度，上位機(jī)根據(jù)已知的光伏陣列特性，結(jié)合式(1)，式(2)產(chǎn)生需要模擬的特定環(huán)境下的光伏陣列輸出特性曲線。通過(guò)上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信把上位機(jī)產(chǎn)生的光伏陣列輸出特性曲線下載到下位機(jī)控制系統(tǒng)中，同時(shí)上位機(jī)接受下位機(jī)發(fā)送的電壓電流及功率數(shù)據(jù)，并在人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)地顯示，便于直接觀察。

(2)動(dòng)態(tài)工作模式

該模式主要用來(lái)模擬一天或者一段日期的動(dòng)態(tài)光伏陣列I-V輸出特性曲面。該模式與靜態(tài)工作模式的實(shí)現(xiàn)方式類似，主要區(qū)別在于光照強(qiáng)度和溫度隨著時(shí)間不斷發(fā)生變化，故通常選取比較有代表性的一段時(shí)間的平均光照強(qiáng)度與溫度，通過(guò)最小二乘法擬合出光照強(qiáng)度與溫度隨時(shí)間變化的公式，借此求出任意時(shí)間點(diǎn)的光照強(qiáng)度與溫度，從而建立光伏陣列輸出特性與時(shí)間的關(guān)系，軟件配有動(dòng)態(tài)的圖像和數(shù)據(jù)顯示功能，能夠直觀的反映出光伏陣列的輸出I-V曲面。動(dòng)態(tài)工作模式可以方便于研究和開(kāi)發(fā)人員觀察一段時(shí)間下光伏陣列輸出特性的動(dòng)態(tài)變化，可以作為設(shè)計(jì)的參考，并進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

4 光伏陣列模擬器系統(tǒng)的Matlab仿真分析

為了更加直觀地驗(yàn)證上述光伏陣列模擬器設(shè)計(jì)的合理性，在Matlab的Simulink環(huán)境下，依據(jù)設(shè)計(jì)方案建立模擬器系統(tǒng)仿真模型[9]，如圖5所示。系統(tǒng)輸入的直流電壓設(shè)定為180 V，半橋式DC/DC拓?fù)潆娐返木唧w參數(shù)如下：L=300 μH，C=450 μF，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz，R=20 Ω。

圖5 基于Simulink的系統(tǒng)仿真模型

在標(biāo)準(zhǔn)狀況下(S=1000 W/m2，T=25℃)，可得到如圖6負(fù)載R的電流曲線。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)條件下負(fù)載電流仿真曲線

由圖6可知，系統(tǒng)軟啟動(dòng)期間負(fù)載電流由零平滑上升，在0.12 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。由此可得模擬器系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)追蹤并穩(wěn)定在該負(fù)載對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)，很好地復(fù)現(xiàn)了光伏陣列的輸出特性。

圖7為負(fù)載輸出電流跟隨環(huán)境參數(shù)變化的情況。在t=0.7 s時(shí)，環(huán)境參數(shù)發(fā)生突變(S=800 W/m2，T=20℃)，負(fù)載輸出電流也從8.7 A降至7.1 A，系統(tǒng)從穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)快速過(guò)渡到新的工作點(diǎn)，并保持平穩(wěn)，穩(wěn)態(tài)后波動(dòng)較小，展現(xiàn)了良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

圖7 環(huán)境條件變化時(shí)的負(fù)載電流仿真曲線

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的模擬器可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)“雙工作模式輸出，可以在LabVIEW人機(jī)交互界面選擇工作模式及設(shè)定需要模擬的參數(shù)，通過(guò)改變負(fù)載大小來(lái)模擬光伏陣列的I-V輸出特性。通過(guò)上位機(jī)LabVIEW與下位機(jī)STM32F103ZET6通信(通信設(shè)置波特率為9600 bps，并且每隔1 ms進(jìn)行數(shù)據(jù)交換)，記錄系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)負(fù)載工作點(diǎn)的電壓、電流數(shù)據(jù)。在動(dòng)態(tài)工作模式下模擬一天內(nèi)的I-V輸出特性曲面如圖8所示，從圖8中可以清晰地看出一天內(nèi)光伏陣列輸出特性的變化，便于選擇具體時(shí)間段進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)；在靜態(tài)工作模式設(shè)置光照強(qiáng)度為S=1000 W/m2，環(huán)境溫度為T(mén)=25℃繪制I-V特性曲線，如圖9所示，圖9中實(shí)線為設(shè)定的環(huán)境條件下對(duì)應(yīng)的I-V輸出特性曲線，記錄系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的負(fù)載電流電壓，以散點(diǎn)標(biāo)記在圖中。分析圖9中實(shí)線與散點(diǎn)的分布可得，在靜態(tài)工作模式下模擬器比較精確地實(shí)現(xiàn)了模擬光伏陣列的I-V輸出特性，可以取代真實(shí)的光伏陣列用于發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和研發(fā)中。

圖8 動(dòng)態(tài)模擬一天內(nèi)的I-V特性輸出曲面

圖9 靜態(tài)模擬I-V特性曲線擬合圖

6 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種以STM32F103ZET6作為主控制器，LabVIEW搭建上位機(jī)人機(jī)交互界面的數(shù)字式光伏陣列模擬器。通過(guò)人機(jī)交互界面與下位機(jī)操作系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，較為精確地實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)“雙模式”模擬光伏陣列輸出特性，很好地解決了傳統(tǒng)模擬器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢、人機(jī)交互界面不夠完善、可視程度不足的缺點(diǎn)。極大地方便了光伏發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員的研發(fā)工作，實(shí)用性較強(qiáng)。

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Design of human-computer interactive photovoltaic array simulator

WANG Wan-le1,SONG Jian2,XIE Yun-xing2,GONG Mao-fa1,WEI Jing-yu1
(1.College of Electrical Engineering and Automation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao Shandong 266590,China;2.Shandong Power Supply Company of Dongying,Dongying Shandong 257091,China)

TM 914

A

1002-087X(2017)09-1322-03

2017-02-12

王萬(wàn)樂(lè)(1993—），男，山東省人，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。