關(guān)于太陽(yáng)能電池陣模擬器的設(shè)計(jì)

　　此外，定義：

　?、匍_路狀態(tài)下，I=0，U=Uoc；

　　②最大功率點(diǎn)時(shí)，U=Um，I=Im。[!--empirenews.page--]

　　據(jù)此，太陽(yáng)能電池的I-V 方程可簡(jiǎn)化為：

　　在最大功率點(diǎn)時(shí)，U=Um，I=Im，可得：

　　由于在常溫條件下exp[Um/（C2Uoc）]）1，因此可忽略式中的“- 1”項(xiàng)，解出：

　　注意到開路狀態(tài)下，當(dāng)I=0 時(shí)，U=Uoc，于是有：

　　可見，該模型只需輸入太陽(yáng)電池通常的技術(shù)參數(shù)Isc，Uoc，Im，Um，即可求出C1 和C2。從Isc，Uoc，Im，Um的變化中可體現(xiàn)出光照強(qiáng)度和電池溫度的變化。工程應(yīng)用中可通過(guò)實(shí)測(cè)曲線來(lái)設(shè)置這4 個(gè)參數(shù)，亦可通過(guò)近似的函數(shù)來(lái)描述這組參數(shù)的變化。通?？山普J(rèn)為Isc，Uoc 分別隨溫度和光照強(qiáng)度呈線性變化。

　　3 太陽(yáng)能電池陣模擬器的設(shè)計(jì)

　　3.1 總體結(jié)構(gòu)

　　太陽(yáng)陣模擬器本質(zhì)上是一個(gè)電源，其輸出端的I-U 特性曲線能夠模擬太陽(yáng)電池的I-U 曲線特性。模擬器帶有與計(jì)算機(jī)接口，可根據(jù)計(jì)算機(jī)給定的太陽(yáng)電池陣特征參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

　　為了較真實(shí)地模擬實(shí)際電源系統(tǒng)，并使仿真系統(tǒng)具備測(cè)試功能，太陽(yáng)陣模擬器要以太陽(yáng)能電池電路為基本單位，以多個(gè)模塊并聯(lián)的形式構(gòu)成。對(duì)于衛(wèi)星電源系統(tǒng)，一般每個(gè)衛(wèi)星擁有兩個(gè)太陽(yáng)翼，每個(gè)太陽(yáng)翼有多個(gè)同種或不同種太陽(yáng)能電池陣列并聯(lián)構(gòu)成，同時(shí)由于輸出調(diào)節(jié)的需要，每個(gè)支路模塊還分為上、下兩段。因此，模擬器的設(shè)計(jì)應(yīng)以每個(gè)分段為模塊，通過(guò)多個(gè)模塊的串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星電源陣的模擬。圖4示出太陽(yáng)電池模擬器的系統(tǒng)框圖。

　　每個(gè)支路由兩個(gè)模擬器模塊組成，上段和下段之間接分流調(diào)節(jié)器，每個(gè)支路通過(guò)隔離二極管接到直流母線上。要求每個(gè)模塊的狀態(tài)可以單獨(dú)設(shè)置，以模擬電池陣光照不均勻的狀態(tài)以及某些支路出現(xiàn)故障的狀態(tài)；同時(shí)還可以快速更新所有支路的工作條件，以便在環(huán)境變化時(shí)進(jìn)行快速模擬。

　　3.2 I-U 特性曲線生成模塊

　　圖5示出設(shè)計(jì)每個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)。

　　考慮到實(shí)際工作環(huán)境可能比較惡劣，且溫度和日照條件均變化較快，因此采用模擬器件來(lái)實(shí)現(xiàn)曲線的生成電路，以加快響應(yīng)速度。通過(guò)高精度D/A將接收到的數(shù)字參數(shù)給定轉(zhuǎn)換為模擬值給定。[!--empirenews.page--]

　　根據(jù)太陽(yáng)能電池的數(shù)學(xué)模型，太陽(yáng)能電池的輸出I-U 曲線是在一個(gè)恒定電壓下減去一個(gè)二極管的I-U 特性曲線，對(duì)此，可采用如圖6所示的太陽(yáng)電池輸出I-U 曲線模擬電路進(jìn)行模擬。

　　由圖可見，輸入包括開路電壓和短路電流的給定，由這兩個(gè)參數(shù)就能確定太陽(yáng)能電池的工作狀態(tài)。

　　太陽(yáng)能電池的非線性特性主要由模擬器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，不同的曲線對(duì)應(yīng)著不同特性的二極管和其他電阻電容參數(shù)的選擇。

　　開路電壓和短路電流由外界環(huán)境條件所決定。

　　根據(jù)太陽(yáng)能電池的工程模型，短路電流近似等于太陽(yáng)能電池的光電流，主要由光照條件所決定，而開路電壓則近似為電池溫度的一個(gè)線性函數(shù)。因此，光照條件和電池溫度就可以簡(jiǎn)單地通過(guò)這兩個(gè)參數(shù)的設(shè)置得到反映。

　　可以看出，當(dāng)反饋電壓小于給定的Uoc 的參考值，放大器A1 輸出為負(fù)，二極管由于反偏截止，A2的輸出就只能由Isc 決定，整個(gè)電路輸出電流就為短路電流。當(dāng)反饋電壓增大，能使A1 的輸出為正，二極管正偏導(dǎo)通，A2 的輸入則隨二極管電流的增大而增大，輸出則隨之減小。由于二極管的電壓電流是指數(shù)關(guān)系，利用這一關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)，使電流的減小量作為輸出電壓的函數(shù)，并通過(guò)選擇合適特性的二極管，就能很好地模擬太陽(yáng)電池陣的I-U 曲線。

　　3.3 功率輸出部分

　　采用圖7所示的功率放大電路，對(duì)前面產(chǎn)生的輸出特性進(jìn)行放大，電路采用了電流負(fù)反饋的形式，通過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)來(lái)跟蹤模擬器的輸出電流。電路設(shè)計(jì)上采用了P 溝道的MOSFET，設(shè)計(jì)成輸入越大，輸出電流越小的形式，這樣整個(gè)電路的輸出電流將隨二極管壓降的增大而減小。當(dāng)所需的輸出功率較大時(shí)，可以采用一組該電路進(jìn)行并聯(lián)，由于MOSFET的負(fù)溫度系數(shù)特性，實(shí)現(xiàn)了輸出時(shí)的自然均流。同時(shí)在負(fù)載上并聯(lián)了電容Co，以模擬太陽(yáng)能電池的節(jié)電容。為了保證每個(gè)MOSFET 支路不因短路而發(fā)生故障，需在每個(gè)MOSFET 支路上安裝一定容量的保險(xiǎn)絲，以確保整個(gè)模擬器的安全。太陽(yáng)電池陣模擬器的每個(gè)主陣支路模塊擁有支路輸出、抽頭點(diǎn)輸出和功率地3 個(gè)對(duì)外功率接口端子。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　根據(jù)上述太陽(yáng)能電池單體模型仿真電路，進(jìn)行了I-U 特性曲線的Pspice 仿真及實(shí)際電路測(cè)試。在測(cè)試中，每組實(shí)驗(yàn)采樣60 個(gè)點(diǎn)，然后擬合作出曲線圖。圖8 示出光照條件和溫度條件變化時(shí)電池的I-U 特性曲線波形。

　?。?）光照條件變化時(shí)的電池I-U 特性參數(shù)設(shè)定：溫度參考電壓UT=- 5.11V；光照參考電壓UE1=3.54V，UE2=2.06V，UE3=1.08V。不同UE 對(duì)應(yīng)不同的光照條件。

　　由圖8a 可見，UT 固定不變，隨著UE在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)兩臺(tái)逆變器的連線阻抗設(shè)置了一定差值，圖5 示出兩臺(tái)逆變器并聯(lián)，接入交流母線時(shí)輸出電流io 的實(shí)驗(yàn)波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在逆變器進(jìn)入并聯(lián)系統(tǒng)時(shí)，瞬時(shí)均流性能較好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快，并很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流非常小。兩臺(tái)逆變器在輸出阻抗不均的條件下，仍能保持較好的均流特性，并聯(lián)時(shí)逆變器的輸出電壓保持了很好的正弦度，在逆變器接入交流母線時(shí)，并聯(lián)逆變器能迅速實(shí)現(xiàn)均流。

　　5 結(jié)論

　　現(xiàn)在，太陽(yáng)能的利用還不是很普及，利用太陽(yáng)能發(fā)電還存在成本高、轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題，但是太陽(yáng)能電池在為人造衛(wèi)星提供能源方面得到了應(yīng)用。

　　本文所提出的控制器不僅具有良好的負(fù)載特性和輸出特性，并且在并聯(lián)中具有較強(qiáng)的參數(shù)適應(yīng)性、良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和均流性能。