【正文】 ent of actual to the solar cells in the laboratory condition, provide a good environment for experiment to cut down money and time. Key words:solar cells , characteristics curve , simulator , BUCK ,DSP 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得 的研究成果。 本文分析了太陽能光伏電池的輸出 IV 特性， 討論了光伏電池的數(shù)學(xué)模型， 并在此 模型基礎(chǔ)之上建立了簡單易用的工程數(shù)學(xué)模型。 華中科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于DSP的光伏電池數(shù)字模擬系統(tǒng)研究 姓名：杜柯 申請學(xué)位級別：碩士 專業(yè)：電力電子與電力傳動 指導(dǎo)教師：段善旭 20060429 摘 要 太陽能作為一種新型的可再生資源受到越來越廣泛的重視，光伏發(fā)電則是太陽能 利用中技術(shù)含量最高、最有發(fā)展前途的技術(shù)。 實驗結(jié)果證明本文中所設(shè)計的 光伏電池模擬器，能夠較好的完成設(shè)計的目的，模擬器的輸出特性符合所要模擬的光 伏電池的輸出 IV 特性，并且模擬器具有較好的動態(tài)響應(yīng)性能，負(fù)載突變時，模擬器 能夠自動跟蹤工作點的變化并在當(dāng)前工作點穩(wěn)定工作。 本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。只要應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，廣泛開 發(fā)利用新能源，大力提高能源利用效率，采取合理的能源政策，完全可以避免能源危 機的山現(xiàn)。從全國太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、 山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、 1 福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽輻射總量很大。 我國太陽能資源分布的主要特點有：太陽能的高值中心和低值中心都處在北緯 22。主要包括青藏高原、甘肅北部、寧夏北部和新疆南部 等地。 三類地區(qū) 全年日照時數(shù)為2200～3000小時， 輻射量在502～586104kJ／cm2主要包括四川、貴州兩省。光伏電池受到太陽光照時能產(chǎn)生光伏效應(yīng)，將太陽光能轉(zhuǎn)變 成直流電能。但隨著技術(shù)進步、產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴大，光伏發(fā) 電的成本將繼續(xù)不斷降低。歐洲和日本也有類似的計劃。市場發(fā)展將逐步由邊遠地區(qū)和農(nóng)村的補充能源向全社會的替代能源過渡。 1．2．2研究意義 光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究如果采用真實的光伏電池陣列，會產(chǎn)生試驗成本高、需要大 量空曠場地和對日照、自然氣候等依賴性強等一系列的問題，因此研究出低成本的按 照實際的光伏電池的IV特性輸出的，能夠代替實際光伏電池陣列在室內(nèi)進行各種光伏 實驗，使之不受場地和環(huán)境影響的模擬器成為必須。 常見的太陽能電池主要是硅太陽能電池，目前世界上有三種已經(jīng)商品化的太陽能 電池，即單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。蓄電池經(jīng)過過充電或過放電后會嚴(yán)重影響其性能和壽命，所以充放電控制器一 般是不可缺少的。獨立運行逆變器用于獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)，可為獨 立負(fù)載供電。獨立光 伏發(fā)電系統(tǒng)如圖 所示，它由太陽能電池陣列、儲能裝置、直流—交流逆變裝置、控 制裝置與連接裝置等組成。在交流光伏發(fā)電系統(tǒng)中，DC—AC 逆變 器將蓄電池組提供的直流電變成能滿足交流負(fù)載需要的交流電。 前者的特點是光伏系統(tǒng)發(fā)的電直接被分配到住宅內(nèi)的用電負(fù)載上，多余或不足的電力 通過連接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)；后者的特點是光伏系統(tǒng)發(fā)的電直接被輸送到電網(wǎng)上，由電網(wǎng)把 電力統(tǒng)一分配到各個用電單位。對于無倒流系統(tǒng)，即使光伏系統(tǒng)因某種原因產(chǎn)生剩余電力，也只能通過某種手 段放棄。自從它的優(yōu)良特點被確認(rèn)以來，用這種工藝制作的太陽電池已在實驗室和商用 兩個方面取得迅速進展。化合物半導(dǎo)體光伏電池有IIIV族、IIVI族等許多種 類，砷化鎵光伏電池是其中一種，其轉(zhuǎn)換效率很高，但存在資源缺乏、有公害等問題。由于 PN 結(jié)勢壘區(qū)存在著較強的內(nèi)建靜電場，因而 產(chǎn)生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產(chǎn)生在勢壘區(qū)外但擴散進勢壘區(qū)的非平衡 電子和空穴，在內(nèi)建靜電場的作用下，各向相反方向運動。 2．2．3 光伏電池的特性 2．2．3．1 光伏電池的輸出特性 太陽能電池具有獨特的 IV 特性，該特性由太陽能電池材料的物理特性所決定。不同的曲線代表不同的光強下的變化。 I 0 — 反向飽和電流(A)。如太陽能電池 的光生電流IL與電池片的表面反射、柵線的遮光面積和光譜響應(yīng)等相對應(yīng)。 以下將在基本解析表達式（2－1）的基礎(chǔ)上,通過兩點近似,即 1) 忽略(V+IRs)/Rsh項,這是因為在通常情況下該項遠小于光電流。C）； β :在參考日照下，電壓變化溫度系數(shù)（V/176。 為了模擬太陽光強, 采用一個白熾燈作為人造太陽, 通過調(diào)節(jié)白熾燈的電流強度, 控制其亮度, 達到模擬太陽輻照度的目的, 其控制原理如圖 所示。W1 和 W2 分別用作電壓和電流的控制, 當(dāng)模擬器輸出 短路時 W2 可調(diào)節(jié)短路電流大小, 當(dāng)輸出開路時 W1 可調(diào)節(jié)開路電壓大小。數(shù)字光伏電池模擬器多以功能強大的計算機、 單片機或DSP為控制器，基于第二章所述的光伏電池數(shù)學(xué)模型的控制算法，控制直流斬 波電路，達到控制光伏電池模擬器輸出符合光伏電池輸出IV及PV 特性的目的。 (2).當(dāng)外電路負(fù)載發(fā)生變化時，系統(tǒng)能夠盡快變化到新的工作點并穩(wěn)定在該點。LF2407內(nèi)部有豐富的資源，并能夠較為容易的 完成高頻采樣計算和PWM控制波的生成。DSP根據(jù)外電 路的電壓、電流計算出負(fù)載電阻值，光伏方陣特性曲線上每一點都 有對應(yīng)的負(fù)載電阻，DSP中事先存有光伏方陣特性曲線的數(shù)據(jù)或者計算公式。但是此時負(fù)載兩端的電壓和電流仍然滿足歐姆定 律。對開關(guān)管 T 進行周期性的通、斷控制，能將直流電源的輸入電壓 VS 變 換為電壓 VO 輸出給負(fù)載，圖 (a)是一種輸出電壓平均值 VO 可小于或等于輸入電壓 VS 的單開關(guān)管非隔離型的直流－直流（DC/DC）降壓變換器。本系統(tǒng) BUCK 電路設(shè)計 工作在連續(xù)狀態(tài)。取氣隙長度 lg = 3mm ，根據(jù)公式： N 2 Ae 10?8 L= lg （4－8） 式中， L 為電感量，單位亨； N 為繞組匝數(shù)，單位匝； Ae 為磁心有效截面積，單 位 cm 2 ； lg 為氣隙長度，單位 cm 。 （3） 輸出濾波電容 (1 ? D)V0 48 (1 ? ) = = 1629uF 2 6 V 8LV 0 f s 8 3110 48 (20 103 ) 2 C= （4－11） 取 4 只 470uF 的電解電容并聯(lián)可得 C=1880uF 26 4．2．3 并聯(lián) RCD 充放電型緩沖電路 半導(dǎo)體開關(guān)器件工作中有開通、通態(tài)、關(guān)斷、斷態(tài)四種工作狀態(tài)，斷態(tài)時可能承 受高電壓但漏電流小，同態(tài)時可能承受大電流但管壓降小，而開通和關(guān)斷過程中開關(guān) 器件可能同時承受過壓、過流、過大的 du/dt、di/dt 以及多大的瞬時功率 P=ui。設(shè)三倍時間常數(shù) 可以放電完畢，則 3RSCS=ton，即 RS=ton/(3CS)。緩沖電路中緩沖電容 CS 經(jīng)反電勢負(fù)載充電，反電勢回路中的 電流就是給緩沖電容 CS 充電的充電電流。 當(dāng) 主 電 路 電 流 I= 時 ， 計 算 得 到 緩 沖 電 容 的 充 電 時 間 為 t= VDCS/I= 100 106/=6μs。 由于緩沖電路只是為了限制過大的 du/dt， 防止關(guān)斷時產(chǎn)生的尖峰電壓損壞 開關(guān)管器件，因此當(dāng)選用的開關(guān)管器件的允許電壓遠大于實際外加電壓時，尖峰電壓 并非超出開關(guān)管器件的允許電壓很多，則可以只按照電路電流值較小時的狀況考慮， 選取較小的緩沖電容。 事件管理器模塊豐富的資源非常適用于控制各種電機、 逆變器 和電力電子裝置。 中斷屏蔽寄存器 IMR，各位分別屏蔽或使能對應(yīng)的 7 個中斷。同時，DSP 指令為之提供了靈活的尋址方式。而選擇 AR0～AR7 由狀態(tài)寄存器 STO 中的 3 位輔助寄存器指針 ARP 選擇。 每個外設(shè)中斷向量請求都會產(chǎn)生一個唯一的外設(shè)中斷向量，裝載在外設(shè)中斷向量 寄存器(PIVR)里面，供 CPU 辨認(rèn)不同的外設(shè)。響應(yīng)過程如前述中斷問題的介紹。通 用定時器可產(chǎn)生 2 個獨立的 PWM 輸出，基本原理同下面的比較單元。 如果死區(qū)被使能，則通過軟件將所需的死區(qū)值寫入到死區(qū)單元 DBTCONx 中，一個死區(qū) 值用于所有的 PWM 輸出通道。 總之， DSP 所產(chǎn)生的 PWM 波可以靈活自由的改變周 期、占空比和輸出方式，這一點使得 DSP2407 芯片特別適用于電力電子和電機系統(tǒng)的 控制中。 33 圖 非對稱 PWM 波產(chǎn)生原理 圖 對稱 PWM 波產(chǎn)生原理 定時器計數(shù)開始后， 成連續(xù)增模式計數(shù)， 當(dāng)比較單元中比較寄存器的值和計數(shù)器的 值發(fā)生匹配時，管腳上的電平發(fā)生跳變，這樣就生成了方波。比較單元包括比較寄存器 CMPRx，比較控制寄存器 COMCONx，比 較方式控制寄存器 ACTRx，和 PWM 三態(tài)輸出引腳。 5．4．2 通用定時器 通用定時器由輸入的時鐘計數(shù)，可以由相應(yīng)寄存器選擇控制不同的計數(shù)模式和計 數(shù)周期。 因此在中斷軟件結(jié)構(gòu)上就要設(shè)計兩級:通用中斷服務(wù)子程序 GISR 和特定中斷服務(wù) 子程序 SISR，在 GISR 和中保存上下文，從 PIVR 中讀取外設(shè)中斷向量，用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)移 到 SISR 的入口，在 SISR 中執(zhí)行對外設(shè)事件的響應(yīng)。 本系 統(tǒng)的控制軟件就必須利用其中斷資源完成相應(yīng)的功能。 直接尋址方式:最常用的尋址方式。 輸入數(shù)據(jù)定標(biāo)寄存器 ISCALE，它能將輸入的 16 位數(shù)據(jù)的 0 到 16 位在本周期內(nèi)向 左移位得到 32 位輸出，其操作不需要額外的周期。64K 數(shù)據(jù)存儲器。芯片系列具有靈活的指令集，高速的運算能力， 改進的并行結(jié)構(gòu)和有效的成本。 當(dāng) 主 電 路 電 流 I = 10 A 時 ， 計 算 得 到 緩 沖 電 容 的 充 電 時 間 等 于 t= VDCS/I= 100 106/10s=。緩沖電容 CS 兩端電壓 uC 在開關(guān) 管關(guān)斷時，從零上升至外加電壓 VD，那么電容的充電時間為 t=VDCS/I。電阻功 率的選擇 1 2 PRS = CSVCE f （415） 2 。 圖 RCD 緩沖電路 為了改善關(guān)斷特性，即延緩關(guān)斷過程中 uT 的上升速度和限制其數(shù)值，可在開關(guān)器 件兩端并接一個充放電緩沖電路如圖 ，緩沖電路引入緩沖電容 CS，關(guān)斷期開始后， 開關(guān)管等效電阻從零增大，電流 iT 逐漸下降時，緩沖電容 CS 中流過充電電流 iC（iC 流 經(jīng) CS 和二極管 DS） ，這時負(fù)載電流保持不變，負(fù)載電流逐漸從開關(guān)管轉(zhuǎn)移到電容 CS。 L lg Ae 10?8 = 31 10?6 = （匝） 10?8 （4－9） c) 核算磁心最高工作磁感應(yīng)強度。 24 R1 + 100/100W Q1 L + 31uH dsp控制 DC250V C1 C2 470uF 470uF C3 D1 C4 1880uF DC48V 圖 光伏電池模擬器主電路拓?fù)? 本設(shè)計中，輸入電壓不再變化，穩(wěn)定在固定值，考慮到要仿真的功率和輸出電壓 情況，將輸入電壓設(shè)定為 250V。電感電流連續(xù)是指圖 (a)中電感電流 iL 在整個開關(guān)周期 TS 中都不為零；電感 電流斷流是指在開關(guān)管 T 阻斷的 Toff 期間后期一段時間內(nèi)經(jīng)二極管續(xù)流的電感電流已降 為零。使主電路的輸出過渡到新 的工作點。該點 即為特定負(fù)載時光伏方陣的工作點，然后由工作點不難得到其對應(yīng)的電壓、電流。 (2)主電路，光伏電池陣列模擬器是從電源獲得三相交流電，經(jīng)過變壓、整流后，得到 直流電壓，再用直流斬波降壓變換電路來模擬電池特性，斬波采用技術(shù)成熟的單管非 20 隔離式獻BUCK電路，拓?fù)浜唵危刂戚^為方便。 由前面的介紹我們可以知道數(shù)字式光伏電池模擬器是目前研究的熱點和方向。 （1） 硬件結(jié)構(gòu) 該系統(tǒng)硬件主要由上位計算機、多功能數(shù)據(jù)采用控制卡和穩(wěn)壓穩(wěn)流高頻可控直流 開關(guān)電源組成,。給定值和反饋量的差值經(jīng) PI 控制 器處理后, 進入驅(qū)動電路放大, 推動主電路工作, 得到與樣品光伏電池相對應(yīng)的電壓 與電流裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖 所示。 穩(wěn)態(tài)時, 電阻 R 上的電壓 UR 必與 W 的動臂電壓相等, 這樣通過調(diào)節(jié) W 即可調(diào)節(jié)白熾燈照度的大小。 15 3 光伏電池模擬系統(tǒng)分析 3．1 光伏電池模擬器研究現(xiàn)狀 光伏電池模擬器在國內(nèi)外已有一定的研究，取得了不少成果，并已制成了一些樣 品機和實驗裝置。 ②最大功率點,V = Vm , I = Im 的條件下建立硅光伏電池的工程用數(shù)學(xué)模型。太陽能電池的串聯(lián)電阻Rs描述了包括基 13 體的電阻、擴散薄層的電阻和柵線與太陽能電池的接觸電阻等。 Rsh — 太陽能電池的并聯(lián)電阻。 I 恒流源區(qū)域 最大功率區(qū) 域 (VA,IA) A 工作點 M (VM,IM) (VB,IB) B 恒壓源區(qū)域 V 圖 太陽能光伏電池單體輸出特性曲線 2．2．3．2 光伏電池等效電路和數(shù)學(xué)模型[2426] 當(dāng)受光照射的太陽能光伏電池接上負(fù)載時，光生電流流經(jīng)負(fù)載，并在負(fù)載兩端建 立起端電壓，這時太陽能光伏電池的工作情況可用圖 所示等效電路來描述。 圖 太陽能光伏電池的 IV 特性曲線 光伏電池由于其受外界影響因素(溫度、光照等) 很多,且其輸出具有非線性特性, 的伏安(電壓電流) 特性。由于光照產(chǎn)生的非平衡載流子