一種基於查表法的數字式光伏陣列模擬器系統的製作方法
2024-03-23 11:06:05
專利名稱：一種基於查表法的數字式光伏陣列模擬器系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於查表法的數字式光伏陣列模擬器系統，屬於光伏發電技術領域。
背景技術：
光伏發電是當前利用太陽能的主要方式之一，也是研究的熱點。光伏陣列是將太陽能轉換為電能的裝置，是光伏發電系統中極其重要的構成部件。光伏陣列的好壞直接影響到光伏發電系統發電量的大小。光伏陣列在不同日照和環境溫度下的工作特性具有很大差異性，即其輸出功率隨日照強度、環境溫度等參數呈現明顯的非線性特性。以開路電壓40V，短路電流3.5A，最大功率點33V、3A的光伏電池為例，其光伏特性曲線如圖1所示。因此，為了將光伏陣列電池的輸出轉換為穩定可靠的電能，光伏發電系統必須具有適應這種非線性的「全天候」能力。然而，在自然環境中，日照強度和溫度等條件顯然都會因為時間、季節、地理位置等因素而隨時改變。所以在實驗中若採用實際的光伏陣列，不僅成本高昂，更會因為安裝地點、實驗時間的限制而使得實驗結果不準確，實驗設備達不到所需額定功率，也滿足不了進行「全天候」連續實驗的要求。為了解決實驗中光伏陣列受自然條件約束的問題，提出了光伏陣列模擬器的概念。現有光伏陣列模擬器主要分為模擬式和數字式。模擬式光伏陣列模擬器主要是基於樣品光伏電池的模擬器，它利用仿日照燈照射光伏陣列，樣品光伏電池輸出電壓和電流隨模擬光強而變化，電壓和電流經放大後驅動功率器件，使其輸出跟隨樣品光伏電池的電壓、電流，代替實際光伏陣列進行試驗。數字式光伏陣列模擬器主要是利用數位訊號處理器(DSP)或者單片機等控制器的控制使輸出電壓、電流滿足光伏特性曲線的非線性開關電源。現有光伏陣列模擬器能量利用率較低，且現有光伏陣列模擬器是靠存儲多條曲線數據的方法實現光伏特性曲線的改變，這種方法需要大量的存儲空間，以至於要外擴存儲器，增加存儲成本。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種能量利用率高、可全天候地進行光伏發電系統研究且存儲成本低的基於查表法的數字式光伏陣列模擬器系統。為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是提供一種基於查表法的數字式光伏陣列模擬器系統，其特徵在於:帶有同步整流的降壓斬波電路(BUCK電路)，BUCK電路通過信號調理模塊連接控制器輸入端，控制器輸出端連接金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)驅動模塊輸入端，MOSFET驅動模塊輸出端連接BUCK電路；供電電源模塊連接信號調理模塊、控制器和MOSFET驅動模塊，負載電阻連接信號調理模塊。優選地，所述帶有同步整流的BUCK電路包括輸入電源，輸入電源的正極連接第一場效應管的漏極，輸入電源的負極連接第二場效應管的源極、濾波電容的一端和所述信號調理模塊，第一場效應管的源極連接第二場效應管的漏極和濾波電感的一端，濾波電感的另一端連接濾波電容的另一端和所述信號調理模塊，第一場效應管的柵極和第二場效應管的柵極均連接所述MOSFET驅動模塊。優選地，所述信號調理模塊包括霍爾傳感器，霍爾傳感器的第一引腳連接所述負載電阻一端，所述負載電阻另一端連接第二分壓電阻一端和所述輸入電源的負極，第二分壓電阻另一端連接第一分壓電阻一端和所述控制器的電壓採樣端，第一分壓電阻另一端連接所述濾波電感的另一端和霍爾傳感器的第三引腳，霍爾傳感器的輸出端連接所述控制器的電流採樣端，霍爾傳感器還連接所述供電電源模塊。優選地，所述控制器包括比例積分微分(PID)調節器，利用電壓採樣端得到的電壓採樣值查光伏特性表所得的電流給定值與所述電流採樣端得到的電流採樣值的誤差信號連接到PID調節器輸入端，PID調節器輸出端連接脈寬(PWM)發生器輸入端，PWM發生器輸出端連接所述MOSFET驅動模塊輸入端。本發明提供的一種基於查表法的數字式光伏陣列模擬器系統以嵌入式系統作為核心器件，主電路採用帶有同步整流的BUCK變換電路，而關鍵的光伏特性曲線則是採用離線式計算機計算，即在電腦上計算好後將對應的離散的電壓電流對應數值導入到控制器中，將主電路輸出的電壓、電流經過信號調理電路後，採樣輸入到控制器中，根據採樣到的電壓信號對應查表可以得到對應的電流參考信號，而該電流參考信號與採樣的電流信號的誤差信號用來控制輸出，從而實現對光伏陣列電池的模擬。相比現有技術，本發明提供的一種基於查表法的數字式光伏陣列模擬器系統的有益效果如下:(I)由於應用了同步整流的方法，使該系統的能量利用率比一般的模擬器要高，可全天候地進行光伏發電系統研究，並且功率較大；(2)採用在線更改曲線的方法，只需要存儲兩條曲線數據的容量即可，體積較光伏電池小很多，能量利用率高，可以在線地更替光伏特性曲線，同時系統存儲成本較低。本發明提供的系統克服了現有技術的不足，可全天候地進行光伏發電系統研究，能量利用率高，可以在線更替光伏特性曲線，具有功率大、體積小且存儲成本低的特點。
圖1為光伏特性曲線示意圖；圖2為本發明提供的一種基於查表法的數字式光伏陣列模擬器系統框圖；圖3為本發明提供的一種基於查表法的數字式光伏陣列模擬器系統電路原理圖。
具體實施例方式為使本發明更明顯易懂，茲以一優選實施例，並配合附圖作詳細說明如下。圖2為本發明提供的一種基於查表法的數字式光伏陣列模擬器系統框圖示意圖，所述的一種基於查表法的數字式光伏陣列模擬器系統的主電路是採用帶有同步整流的BUCK電路，BUCK電路通過信號調理模塊連接控制器輸入端，控制器輸出端連接MOSFET驅動模塊輸入端，MOSFET驅動模塊輸出端連接BUCK電路；供電電源模塊連接信號調理模塊、控制器和MOSFET驅動模塊，負載電阻R3連接信號調理模塊。
結合圖3，帶有同步整流的BUCK電路包括輸入電源E，輸入電源E的正極連接第一場效應管Ql的漏扱，輸入電源E的負極連接第二場效應管Q2的源極、濾波電容Cl的一端和所述信號調理模塊，第一場效應管Ql的源極連接第二場效應管Q2的漏極和濾波電感LI的一端，濾波電感LI的另一端連接濾波電容Cl的另一端和所述信號調理模塊，第一場效應管Ql的柵極和第二場效應管Q2的柵極均連接所述MOSFET驅動模塊。第一場效應管Q1、第二場效應管Q2選用的是IR公司生產的IRF840。從BUCK電路輸出後接到信號調理模塊，信號調理模塊包括霍爾傳感器Pl，霍爾傳感器Pl的第一引腳連接負載電阻R3 —端，負載電阻R3另一端連接第二分壓電阻R2 —端和所述輸入電源E的負極，第二分壓電阻R2另一端連接第一分壓電阻Rl —端和所述控制器的電壓採樣端，第一分壓電阻Rl另一端連接所述濾波電感LI的另一端和霍爾傳感器Pl的第三引腳，霍爾傳感器Pl的輸出端連接所述控制器的電流採樣端，霍爾傳感器Pl還連接所述供電電源模塊。霍爾傳感器Pl是Allegro公司生產的ACS712ELCTR-05B，可將電流信號轉換為AD (模數轉換)可接受0 3.3V，兩個分壓電阻Rl、R2將電壓值控制在0 3.3V，然後進行輸出電壓電流的AD米樣。控制器是採用天嵌公司生產的TQ2440開發板，微處理器的具體型號是三星公司的ARM9處理器S3C2440。該處理器共有8通道AD採樣，分別將信號調理模塊的電壓和電流採樣端與通道0和通道I相連接。通道0經過查光伏特性表得到電流給定信號，電流給定信號與通道I的誤差信號連接PID調節器輸入端，PID調節器輸出端連接PWM發生器，PWM發生器產生的PWM波作為MOSFET驅動模塊的控制信號，該信號接到MOSFET驅動電路中。MOSFET驅動模塊對應的驅動晶片選用的是IR公司生產的IR2117，驅動模塊輸出端連接BUCK電路，用經MOSFET驅動模塊變換後的PWM信號來控制場效應管的開關進行閉環調節，使得光伏陣列模擬器輸出的電壓與電流滿足光伏陣列電池的輸出特性。供電電源模塊優選的是意法半導體公司生產的L4978晶片，供電電源模塊連接著控制器模塊、MOSFET驅動模塊和信號調理模塊。使用時，光伏逆變器或負載電阻R3與BUCK電路連接。首先，在普通PC機上計算出所需要的光伏特性曲線，光伏特性曲線滿足如下方程:c, =(1-4/4)ハ/(cy.ょC2= (Vffl/Voc-l) [In (1-1ffl/Isc) J-1其中，Is。、V。。、Im、Vm、IL, Vl分別表示短路電流、開路電壓、最大功率點對應的電流、最大功率點對應的電壓、輸出電流和輸出電壓，CpC2為中間過程參數。在PC機上利用數值計算的方法，將電壓均勻地離散化，按照上述方程，代入對應的技術參數，可求得電流的離散值，將得到的電壓、電流離散值轉換成10位精度的AD對應的整數值，將這兩組AD值分別對應成2組數組的形式的光伏特性表存儲在S3C2440控制器片內隨機存儲器(RAM)中，以便控制查找。將採樣得到的電壓AD值查找對應存儲在RAM中的電壓AD數組，依據電壓數值對應電流的AD參考值,將此電流AD參考值與實際的AD採樣值之差作為誤差信號進行PID調節，通過產生PWM波作為MOSFET驅動模塊的控制信號，該信號接到MOSFET驅動電路中，經過IR2117將驅動電壓變換為15V，用變換後的PWM信號來控制場效應管Q1、Q2的開關進行閉環調節，使得光伏陣列模擬器輸出的電壓與電流滿足光伏陣列電池的輸出特性。由於ー般續流ニ極管選用管壓降最小的肖特基ニ極管也至少有0.6V的通態管壓降，而場效應管的通態阻抗一般為10毫歐左右，故用場效應管代替肖特基ニ極管可以減小開關損耗。若要實現光伏特性曲線的改變，則是將新的光伏特性曲線經過串ロ發送到開發板的RAM中，等完全接收後，再進行光伏曲線的更替，這樣就不需要儲存多條曲線數據，而是利用在線更替曲線的方法，實現光伏特性曲線的改變。本發明提供的ー種基於查表法的數字式光伏陣列模擬器系統以光伏電池模型為基礎，通過控制器和電カ電子變換裝置，可全天候地進行光伏發電系統研究，並且功率較大，體積較光伏電池小很多，能量利用率高，可以在線地更替光伏特性曲線，其系統存儲開銷小。
權利要求
1.一種基於查表法的數字式光伏陣列模擬器系統，其特徵在於:包括帶有同步整流的降壓斬波電路(BUCK電路)，BUCK電路通過信號調理模塊連接控制器輸入端，控制器輸出端連接金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)驅動模塊輸入端，MOSFET驅動模塊輸出端連接BUCK電路；供電電源模塊連接信號調理模塊、控制器和MOSFET驅動模塊，負載電阻(R3)連接信號調理模塊。
2.如權利要求1所述的一種基於查表法的數字式光伏陣列模擬器系統，其特徵在於:所述帶有同步整流的BUCK電路包括輸入電源(E)，輸入電源(E)的正極連接第一場效應管(Ql)的漏極，輸入電源(E)的負極連接第二場效應管(Q2)的源極、濾波電容(Cl)的一端和所述信號調理模塊，第一場效應管(Ql)的源極連接第二場效應管(Q2)的漏極和濾波電感(LI)的一端，濾波電感(LI)的另一端連接濾波電容(Cl)的另一端和所述信號調理模塊，第一場效應管(Ql)的柵極和第二場效應管(Q2)的柵極均連接所述MOSFET驅動模塊。
3.如權利要求2所述的一種基於查表法的數字式光伏陣列模擬器系統,其特徵在於:所述信號調理模塊包括霍爾傳感器(P1)，霍爾傳感器(PD的第一引腳連接所述負載電阻(R3) —端，所述負載電阻(R3)另一端連接第二分壓電阻(R2) —端和所述輸入電源(E)的負極，第二分壓電阻(R2)另一端連接第一分壓電阻(Rl) —端和所述控制器的電壓採樣端，第一分壓電阻(Rl)另一端連接所述濾波電感(LI)的另一端和霍爾傳感器(Pl)的第三引腳，霍爾傳感器(PD的輸出端連接所述控制器的電流採樣端，霍爾傳感器(PD還連接所述供電電源模塊。
4.如權利要求3所述的一種基於查表法的數字式光伏陣列模擬器系統,其特徵在於:所述控制器包括比例積分微分(PID)調節器，利用電壓採樣端得到的電壓採樣值查光伏特性表所得的電流給定值與所述電流採樣端得到的電流採樣值的誤差信號連接到PID調節器輸入端，PID調節器輸出端連接脈寬(PWM)發生器輸入端，PWM發生器輸出端連接所述MOSFET驅動模塊輸入端。
全文摘要
本發明提供了一種基於查表法的數字式光伏陣列模擬器系統，帶有同步整流方法的降壓斬波電路(BUCK電路)，BUCK電路通過信號調理模塊連接控制器輸入端，控制器輸出端連接金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)驅動模塊輸入端，MOSFET驅動模塊輸出端連接BUCK電路；供電電源模塊連接信號調理模塊、控制器和MOSFET驅動模塊，負載電阻連接信號調理模塊。本發明提供的系統克服了現有技術的不足，可全天候地進行光伏發電系統研究，能量利用率高，可以在線更替光伏特性曲線，具有功率大、體積小且存儲成本低的特點。
文檔編號G01R31/26GK103116118SQ201310033700
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月29日 優先權日2013年1月29日
發明者袁振, 孫培德 申請人:東華大學