CN203232132U

CN203232132U - 基于查表法的数字式光伏阵列模拟器系统

Info

Publication number: CN203232132U
Application number: CN201320049185.6U
Authority: CN
Inventors: 袁振; 孙培德
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2023-01-29

Abstract

本实用新型提供了一种基于查表法的数字式光伏阵列模拟器系统，带有同步整流方法的降压斩波电路(BUCK电路)，BUCK电路通过信号调理模块连接控制器输入端，控制器输出端连接金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)驱动模块输入端，MOSFET驱动模块输出端连接BUCK电路；供电电源模块连接信号调理模块、控制器和MOSFET驱动模块，负载电阻连接信号调理模块。本实用新型提供的系统克服了现有技术的不足，可全天候地进行光伏发电系统研究，能量利用率高，可以在线更替光伏特性曲线，具有功率大、体积小且存储成本低的特点。

Description

基于查表法的数字式光伏阵列模拟器系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于查表法的数字式光伏阵列模拟器系统，属于光伏发电技术领域。

背景技术

光伏发电是当前利用太阳能的主要方式之一，也是研究的热点。光伏阵列是将太阳能转换为电能的装置，是光伏发电系统中极其重要的构成部件。光伏阵列的好坏直接影响到光伏发电系统发电量的大小。

光伏阵列在不同日照和环境温度下的工作特性具有很大差异性，即其输出功率随日照强度、环境温度等参数呈现明显的非线性特性。以开路电压40V，短路电流3.5A，最大功率点33V、3A的光伏电池为例，其光伏特性曲线如图1所示。因此，为了将光伏阵列电池的输出转换为稳定可靠的电能，光伏发电系统必须具有适应这种非线性的“全天候”能力。然而，在自然环境中，日照强度和温度等条件显然都会因为时间、季节、地理位置等因素而随时改变。所以在实验中若采用实际的光伏阵列，不仅成本高昂，更会因为安装地点、实验时间的限制而使得实验结果不准确，实验设备达不到所需额定功率，也满足不了进行“全天候”连续实验的要求。为了解决实验中光伏阵列受自然条件约束的问题，提出了光伏阵列模拟器的概念。

现有光伏阵列模拟器主要分为模拟式和数字式。模拟式光伏阵列模拟器主要是基于样品光伏电池的模拟器，它利用仿日照灯照射光伏阵列，样品光伏电池输出电压和电流随模拟光强而变化，电压和电流经放大后驱动功率器件，使其输出跟随样品光伏电池的电压、电流，代替实际光伏阵列进行试验。数字式光伏阵列模拟器主要是利用数字信号处理器(DSP)或者单片机等控制器的控制使输出电压、电流满足光伏特性曲线的非线性开关电源。

现有光伏阵列模拟器能量利用率较低，且现有光伏阵列模拟器是靠存储多条曲线数据的方法实现光伏特性曲线的改变，这种方法需要大量的存储空间，以至于要外扩存储器，增加存储成本。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种能量利用率高、可全天候地进行光伏发电系统研究且存储成本低的基于查表法的数字式光伏阵列模拟器系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供一种基于查表法的数字式光伏阵列模拟器系统，其特征在于：带有同步整流的降压斩波电路(BUCK电路)，BUCK电路通过信号调理模块连接控制器输入端，控制器输出端连接金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)驱动模块输入端，MOSFET驱动模块输出端连接BUCK电路；供电电源模块连接信号调理模块、控制器和MOSFET驱动模块，负载电阻连接信号调理模块。

优选地，所述带有同步整流的BUCK电路包括输入电源，输入电源的正极连接第一场效应管的漏极，输入电源的负极连接第二场效应管的源极、滤波电容的一端和所述信号调理模块，第一场效应管的源极连接第二场效应管的漏极和滤波电感的一端，滤波电感的另一端连接滤波电容的另一端和所述信号调理模块，第一场效应管的栅极和第二场效应管的栅极均连接所述MOSFET驱动模块。

优选地，所述信号调理模块包括霍尔传感器，霍尔传感器的第一引脚连接所述负载电阻一端，所述负载电阻另一端连接第二分压电阻一端和所述输入电源的负极，第二分压电阻另一端连接第一分压电阻一端和所述控制器的电压采样端，第一分压电阻另一端连接所述滤波电感的另一端和霍尔传感器的第三引脚，霍尔传感器的输出端连接所述控制器的电流采样端，霍尔传感器还连接所述供电电源模块。

本实用新型提供的一种基于查表法的数字式光伏阵列模拟器系统以嵌入式系统作为核心器件，主电路采用带有同步整流的BUCK变换电路，而关键的光伏特性曲线则是采用离线式计算机计算，即在电脑上计算好后将对应的离散的电压电流对应数值导入到控制器中，将主电路输出的电压、电流经过信号调理电路后，采样输入到控制器中，根据采样到的电压信号对应查表可以得到对应的电流参考信号，而该电流参考信号与采样的电流信号的误差信号用来控制输出，从而实现对光伏阵列电池的模拟。

相比现有技术，本实用新型提供的一种基于查表法的数字式光伏阵列模拟器系统的有益效果如下：

(1)由于应用了同步整流的方法，使该系统的能量利用率比一般的模拟器要高，可全天候地进行光伏发电系统研究，并且功率较大；

(2)采用在线更改曲线的方法，只需要存储两条曲线数据的容量即可，体积较光伏电池小很多，能量利用率高，可以在线地更替光伏特性曲线，同时系统存储成本较低。

本实用新型提供的系统克服了现有技术的不足，可全天候地进行光伏发电系统研究，能量利用率高，可以在线更替光伏特性曲线，具有功率大、体积小且存储成本低的特点。

附图说明

图1为光伏特性曲线示意图；

图2为本实用新型提供的一种基于查表法的数字式光伏阵列模拟器系统框图；

图3为本实用新型提供的一种基于查表法的数字式光伏阵列模拟器系统电路原理图。

具体实施方式

为使本实用新型更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

图2为本实用新型提供的一种基于查表法的数字式光伏阵列模拟器系统框图示意图，所述的一种基于查表法的数字式光伏阵列模拟器系统的主电路是采用带有同步整流的BUCK电路，BUCK电路通过信号调理模块连接控制器输入端，控制器输出端连接MOSFET驱动模块输入端，MOSFET驱动模块输出端连接BUCK电路；供电电源模块连接信号调理模块、控制器和MOSFET驱动模块，负载电阻R3连接信号调理模块。

结合图3，带有同步整流的BUCK电路包括输入电源E，输入电源E的正极连接第一场效应管Q1的漏极，输入电源E的负极连接第二场效应管Q2的源极、滤波电容C1的一端和所述信号调理模块，第一场效应管Q1的源极连接第二场效应管Q2的漏极和滤波电感L1的一端，滤波电感L1的另一端连接滤波电容C1的另一端和所述信号调理模块，第一场效应管Q1的栅极和第二场效应管Q2的栅极均连接所述MOSFET驱动模块。

第一场效应管Q1、第二场效应管Q2选用的是IR公司生产的IRF840。

从BUCK电路输出后接到信号调理模块，信号调理模块包括霍尔传感器P1，霍尔传感器P1的第一引脚连接负载电阻R3一端，负载电阻R3另一端连接第二分压电阻R2一端和所述输入电源E的负极，第二分压电阻R2另一端连接第一分压电阻R1一端和所述控制器的电压采样端，第一分压电阻R1另一端连接所述滤波电感L1的另一端和霍尔传感器P1的第三引脚，霍尔传感器P1的输出端连接所述控制器的电流采样端，霍尔传感器P1还连接所述供电电源模块。

霍尔传感器P1是Allegro公司生产的ACS712ELCTR-05B，可将电流信号转换为AD(模数转换)可接受0～3.3V，两个分压电阻R1、R2将电压值控制在0～3.3V，然后进行输出电压电流的AD采样。

控制器是采用天嵌公司生产的TQ2440开发板，微处理器的具体型号是三星公司的ARM9处理器S3C2440。该处理器共有8通道AD采样，分别将信号调理模块的电压和电流采样端与通道0和通道1相连接。通道0经过查光伏特性表得到电流给定信号，电流给定信号与通道1的误差信号连接PID调节器输入端，PID调节器输出端连接PWM发生器，PWM发生器产生的PWM波作为MOSFET驱动模块的控制信号，该信号接到MOSFET驱动电路中。

MOSFET驱动模块对应的驱动芯片选用的是IR公司生产的IR2117，驱动模块输出端连接BUCK电路，用经MOSFET驱动模块变换后的PWM信号来控制场效应管的开关进行闭环调节，使得光伏阵列模拟器输出的电压与电流满足光伏阵列电池的输出特性。

供电电源模块优选的是意法半导体公司生产的L4978芯片，供电电源模块连接着控制器模块、MOSFET驱动模块和信号调理模块。

使用时，光伏逆变器或负载电阻R3与BUCK电路连接。首先，在普通PC机上计算出所需要的光伏特性曲线，光伏特性曲线满足如下方程：

I_{L} = I_{sc} [1 - C_{1} (e^{V_{L} / (C_{2} V_{oc})} - 1)]

C_{1} = (1 - I_{m} / I_{sc}) e^{{- V}_{mp} / (C_{2} V_{oc})}

C₂＝(V_m/V_oc-1)[ln(1-I_m/I_sc)]^-1

其中，I_sc、V_oc、I_m、V_m、I_L、V_L分别表示短路电流、开路电压、最大功率点对应的电流、最大功率点对应的电压、输出电流和输出电压，C₁、C₂为中间过程参数。

在PC机上利用数值计算的方法，将电压均匀地离散化，按照上述方程，代入对应的技术参数，可求得电流的离散值，将得到的电压、电流离散值转换成10位精度的AD对应的整数值，将这两组AD值分别对应成2组数组的形式的光伏特性表存储在S3C2440控制器片内随机存储器(RAM)中，以便控制查找。

将采样得到的电压AD值查找对应存储在RAM中的电压AD数组，依据电压数值对应电流的AD参考值，将此电流AD参考值与实际的AD采样值之差作为误差信号进行PID调节，通过产生PWM波作为MOSFET驱动模块的控制信号，该信号接到MOSFET驱动电路中，经过IR2117将驱动电压变换为15V，用变换后的PWM信号来控制场效应管Q1、Q2的开关进行闭环调节，使得光伏阵列模拟器输出的电压与电流满足光伏阵列电池的输出特性。由于一般续流二极管选用管压降最小的肖特基二极管也至少有0.6V的通态管压降，而场效应管的通态阻抗一般为10毫欧左右，故用场效应管代替肖特基二极管可以减小开关损耗。若要实现光伏特性曲线的改变，则是将新的光伏特性曲线经过串口发送到开发板的RAM中，等完全接收后，再进行光伏曲线的更替，这样就不需要储存多条曲线数据，而是利用在线更替曲线的方法，实现光伏特性曲线的改变。

本实用新型提供的一种基于查表法的数字式光伏阵列模拟器系统以光伏电池模型为基础，通过控制器和电力电子变换装置，可全天候地进行光伏发电系统研究，并且功率较大，体积较光伏电池小很多，能量利用率高，可以在线地更替光伏特性曲线，其系统存储开销小。

Claims

1.一种基于查表法的数字式光伏阵列模拟器系统，其特征在于：包括带有同步整流的降压斩波电路，降压斩波电路通过信号调理模块连接控制器输入端，控制器输出端连接金属氧化物半导体场效应管驱动模块输入端，金属氧化物半导体场效应管驱动模块输出端连接降压斩波电路；供电电源模块连接信号调理模块、控制器和金属氧化物半导体场效应管驱动模块，负载电阻（R3）连接信号调理模块。

2.如权利要求1所述的一种基于查表法的数字式光伏阵列模拟器系统，其特征在于：所述带有同步整流的降压斩波电路包括输入电源（E），输入电源（E）的正极连接第一场效应管（Q1）的漏极，输入电源（E）的负极连接第二场效应管（Q2）的源极、滤波电容（C1）的一端和所述信号调理模块，第一场效应管（Q1）的源极连接第二场效应管（Q2）的漏极和滤波电感（L1）的一端，滤波电感（L1）的另一端连接滤波电容（C1）的另一端和所述信号调理模块，第一场效应管（Q1）的栅极和第二场效应管（Q2）的栅极均连接所述金属氧化物半导体场效应管驱动模块。

3.如权利要求2所述的一种基于查表法的数字式光伏阵列模拟器系统，其特征在于：所述信号调理模块包括霍尔传感器（P1），霍尔传感器（P1）的第一引脚连接所述负载电阻（R3）一端，所述负载电阻（R3）另一端连接第二分压电阻（R2）一端和所述输入电源（E）的负极，第二分压电阻（R2）另一端连接第一分压电阻（R1）一端和所述控制器的电压采样端，第一分压电阻（R1）另一端连接所述滤波电感（L1）的另一端和霍尔传感器（P1）的第三引脚，霍尔传感器（P1）的输出端连接所述控制器的电流采样端，霍尔传感器（P1）还连接所述供电电源模块。