太阳能光伏电池模拟器的研究
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随着经济的增长，人们对能源的需求逐渐扩大。目前常规能源中的石油、天然气、煤炭等已经不能满足人们日益增长的能源需要，因此必须利用和开发再生能源，太阳能作为一种不会枯竭的清洁能源得到很多国家的重视。
对太阳能的利用主要通过光电转换、光热转换和光化学转换三种途径，其中光电转换是太阳能利用中最重要的方向。并且光电转换中的光伏发电是太阳能发电的主流，光伏发电就是将太阳能直接转变成电能。光伏阵列作为光伏系统的主要组成部分，是将太阳能转换成电能的装置。目前光伏阵列由于制造成本高、效率低，占地面积较大不适合科研机构购买开展光伏系统的研究，因此，设计一个能够模拟光伏阵列在各种环境下工作的模拟器就非常必要。
太阳能光伏阵列模拟器可以模拟太阳能电池在各种光照、温度下的负载能力和系统性能，实现在线调试的完全逼真的模拟。同时利用太阳能电池阵列模拟器还可以检验出系统的配置是否合理，通过改变太阳能电磁的连接方式、连接数量从而实现最优的配置方案。总之，太阳能光伏阵列模拟器可以缩短研究周期，降低研发成本，提高研究效率。
2光伏阵列模拟器的系统结构及其工作原理
2.1光伏阵列模拟器的系统结构
光伏阵列模拟器为了完成对光伏阵列输出特性的模拟，首先应具有以下三个方面的要求。
1）当外电路负载一定时，光伏阵列模拟器在工作点上保持可靠、稳定的输出。
2）当外电路负载改变时，光伏阵列模拟器能够快速过渡到新的工作点并稳定。
3）系统的输出电压和电流在满足关系的前提下，能够满足试验需要的功率。
光伏阵列模拟器一般又两部分组成，即功率电路和控制电路。功率电路又可分为整流电路、直流变换电路和第二级的DC/DC直流变换电路。控制电路由检测电路、采样电路、滤波电路、隔离电路、驱动电路等组成。
2.2光伏阵列模拟器的工作原理
光伏阵列模拟器主要就是能够跟随负载的工作点，使模拟器在不同的负载下能够输出满足光伏阵列特性的输出特征。对于不同的负载，工作点和阵列的输出功率不同，即使是同一个负载，在不同的日照强度、不同的温度等环境条件下，静态工作点也各不相同。因此，确定光伏阵列模拟器的静态工作点是开展光伏阵列模拟器研究的关键环节。本文结合传统的光伏阵列模拟器的确定负载工作点的方法，采用硬件搭建的方式实现太阳能电池输出电压和输出电流曲线。
3光伏阵列模拟器的硬件设计及控制电路设计
光伏阵列模拟器在国内外都有研究，我国的合肥工业大学、西安交通大学、浙江大学、中科院电工所等单位都开发了基于不同工作原理的模拟器，这些模拟器实现了对光伏阵列的很好模拟。通过研究发现，这些模拟器有的制造成本较高，有的模拟效率较差，不能实现成本和效果的完美结合。本文在数字式模拟器跟踪负载工作点的基础上，提出一种使用模拟电路跟踪负载工作点的设计思路。
3.1光伏阵列模拟器的硬件设计
本文从以下几个方面详细阐述光伏阵列模拟器的硬件设计。
3.1.1功率电路的设计。
功率电路的设计是实现光伏阵列模拟器的基础，功率电路设计的结果将关系到模拟器的稳定性、可靠性，由于太阳能电池是一个非线性的特殊的直流电源，因此功率电路的设计要满足以下几个方面的要求：
1）电路稳定安全，并且要具有完善的保护电路，例如过压保护、过流保护等。
2）电路要具有很好的动态性能，能够根据不同的负载变化，尽快地达到最佳工作点。
3）主电路的输出能够在一定的范围内连续、稳定的变化。由于本文设计的光伏阵列模拟器输入电压是220 V，工作频率是38 k，输出电压范围是100 V～200 V，输出电流范围是0～7 A。在功率电路的设计中采用半桥式的电路高频变换器，EE型铁氧体材料的变压器，MOS管采用三菱公司的2SK183芯片，选择220/450 V的滤波电容，驱动电路采用安森美公司的NCP5181的半桥驱动芯片。
3.1.2太阳能电池特性产生电路的设计。
太阳能电池特性电路的设计主要考虑以下几个方面。
1）开关管开关时间的选择和优化。为了使光伏阵列模拟器能够很快地跟随负载的改变转换到新的工作点，则需要控制关开关的导通时间，整个周期时间不能太长。
2）控制驱动电路的设计。本文采用门极驱动光耦TLP250直接驱动MOSFET，为了满足本文设计中太阳能电池样品的技术参数，MOSFET选用STP75NF7芯片。
3）采样滤波及逻辑控制电路的设计。采样比较模块的工作原理是把模拟器的输出电压和特性电路的输出电压进行比较，比较器的下降沿产生控制信号，模拟器的输出电压和特性电路的输出电压相等时的输出电流作为模拟器跟随电路的参考值。
逻辑控制模块的设计是把采样得到的电压和电流作为模拟器的参考电压和电流，模拟器的实际输出作为反馈的电压和电流，由逻辑控制单元控制模拟开关。太阳能电池的开路电压和短路电流采用峰值检波电路进行检测。为了排除各种高频信号对模拟器造成的影响，采用二阶低通滤波器对输入电压采样电路进行滤波。
3.2光伏阵列模拟器控制电路的设计
根据传输信号种类的不同，DC/DC变换器可以分为稳态模型、小信号模型和大信号模型。其中小信号模型是设计DC/DC变换器的有力模型，主要用来分析低频交流小信号分量在变换器中的传递。本文通过对半桥变换器进行建模，忽略开关管的导通电阻，忽略滤波电感和变压器的漏感等影响，得到交流小信号的状态方程与输出方程。
理想的开关电源系统在低频段的稳态误差为零，在中频段，系统的相应速度和穿越频率相关，但是频率较大时超调量也越大，为了抑制高频分量，确保系统的稳定工作，需要在中频段附加一个斜率下降的频段，这样既能限制较高的穿越频率，又能降低中频段的增益。为了避免附加的频段带来相位滞后，附加的频段通常不能太长，理想的附加频段的数值是-40 dB/dec。
4结束语
随着常规能源的匮乏，目前很多国家都开始重视和开发太阳能。由于太阳能电池昂贵，再加上构成光伏阵列后体积庞大，使得科研机构开展光伏系统的研究十分困难。本文设计的光伏阵列模拟器输出功率可达1 KW，能够在一定的范围内有效模拟光伏阵列的输出特性，并且输出电压和电流稳定。因此，本文提出的方法不仅制造成本低、开发简单、使用可靠，而且模拟效果较好，做到了模拟效果和制造成本的兼顾。
参考文献
[1]董博,李永东,王奎,高志刚,孙敏.光伏电池模拟器的设计与研究[J].电源技术,2010(05).
[2]宫鑫,宋稳力.基于TMS320F28335的光伏电池模拟器设计[J].电子元器件应用,2008(03).
作者简介
张广宇（1981―），男，河南永城人，学历：本科，职称：助教，专业：电气工程。