基于TMS320F2812和BUCK电路的光伏阵列模拟器

　　摘要：采用TMS320F2812DSP为控制器，BUCK电路为主电路，研究与设计了一种新型光伏阵列模拟器.模拟算法利用模拟器负载电流与阵列特性电流的差值控制BUCK电路开关的占空比，调节模拟器输出电压，使模拟器的工作点逐步逼近光伏阵列IV特性的工作点，实现对光伏阵列输出特性的模拟.阵列的特性电流值由存贮于DSP中的工程数学模型，根据选定的不同光照量和环境温度条件计算得到.MATLAB仿真和模拟器样机的实验结果表明，本文模拟器的逼近与稳定时间约为80ms，仅为传统逐点逼近法的25%，且超调小于4%，稳态误差小于1%，均优于传统逼近法，且能够实现光伏阵列不同IV特性曲线的完整模拟.

　　关键词：光伏阵列模拟器；数字信号处理器（DSP）；BUCK电路；电流差值控制；IV特性；模拟

　　中图分类号：TM615文献标识码：A

　　光伏阵列模拟器可以代替实际光伏阵列装置用于实验室研究光伏系统负载能力与性能，因此，光伏模拟器的研究已成为近十年国内外的研究热点[1-3].

　　光伏阵列模拟器的研究内容主要集中在3个方面：1）研究模拟算法，主要算法包括弦截法、数值迭代法和逐点逼近法等[4-5].其中，弦截法需要求解复杂的超越方程，运算量大.数值迭代法与逐点逼近法的性能与逼近步长的大小密切相关，大步长的算法收敛速度快，但精度差、超调大；小步长的算法稳定性较好，但动态响应速度慢.2）研究模拟器的实现技术，大多用DSP和FPGA等数字控制器作为模拟器的控制器，采用现代电力电子电路作为模拟器的主电路[6-8].3）建立光伏阵列的仿真模型，通过仿真验证模拟器的效能[8].

　　本文采用TMS320F2812DSP作为控制器，使用IGBT作为BUCK电路的主开关，研究与设计了一台能实现最大短路电流5A，最大开路电压50V，最大光伏输出功率150W的光伏阵列模拟器样机，并提出了一种新的模拟算法.该模拟算法实时采集模拟器负载电流和电压，将负载电压值代入光伏特性工程数学模型，根据选定的光伏环境条件计算参考电流，用负载电流与参考电流的差值产生控制电压，生成BUCK开关占空比d，调节模拟器输出电压，使模拟器工作点逐点逼近光伏阵列IV特性的参考工作点，实现对光伏阵列输出特性的模拟.MATLAB仿真和实验结果表明，模拟器能准确跟踪参考工作点，并且超调小于4%，稳态误差小于1%，逼近过程的振荡小，能实现光伏阵列在多条件下完整的IV特性曲线模拟.

　　1光伏阵列的特性与工程数学模型

　　光伏阵列的特性与工程数学模型是研究与设计光伏模拟器的理论基础.模拟器的基本工作原理就是通过控制BUCK电路主开关的占空比，调节其输出电压与电流尽可能接近于光伏阵列输出IV特性曲线上对应点的电压与电流，从而实现对不同光照量S和环境温度T条件下的不同光伏阵列输出IV特性曲线的模拟.

　　3.2仿真与模拟实验结果

　　条件①的仿真和模拟实验波形分别如图7和图8所示，负载由20Ω突变为40Ω.

　　条件②的仿真和模拟实验波形分别如图9和图10所示，负载由25Ω突变为12Ω.

　　由图7～图10可知，模拟器实际运行特性与仿真结果非常吻合，模拟器算法能够快速、精确地模拟各种不同条件的光伏阵列输出IV特性，能够在不到80ms的时间内实现跟踪，且系统稳定性好.

　　3.3算法对比实验结果

　　为了验证本文算法的有效性，在模拟器样机上进行了传统逐点逼近法与本文算法的对比实验.对比实验的条件为：S=800W/m2，T=32℃，电阻从11Ω突变到22Ω.

　　实验波形如图11所示.从图11（a）可以看出，模拟跟踪的过渡过程时间为300ms，在达到稳态时还出现了小幅振荡.图11（b）模拟跟踪的过渡过程时间约为80ms，约为传统逐点逼近法的25%，且逼近过程振荡很小，超调小于4%，稳态误差小于1%.