可编程电源及负载模拟装置

摘要

目前光伏系统得到广泛的应用,但在光伏系统的研发过程中,如果以真实的光伏电池阵列进行实验,将受到日照强度和环境温度的影响,导致实验成本过高,研发周期变长。为了开发出能适应在任何工况下均性能良好的光伏系统,必须在试验开发过程中提供一个能模拟太阳能电池在任何工况下输出特性的装置来代替实际的太阳能电池阵列。光伏电池阵列模拟装置便能较好地解决这一问题。
　　 电力电子级联系统是由不同类型电力电子变换器构成的复杂系统。这样的结构具有直流分布式电源系统的灵活性、扩展性和冗余性等广泛的优点,近年在工业控制、计算机系统、电讯工业和电动汽车动力系统等方面都得到了广泛应用。由于系统各部分设计都仅仅保证自身运行的稳定性,互联的系统稳定性是所要面对的一个重要问题。恒功率负载是导致电力电子变换器互联系统不稳定的主要原因。恒功率负载具有负阻抗特性,具有负阻抗特性的负载会影响电源的供电质量及系统的稳定性。恒功率负载也是本文要模拟的对象之一。
　　 首先阐述了光伏电池的工作原理,分析了其等效电路并建立了光伏电池的数学模型,在数学模型的基础上通过合理的近似计算推导出工程计算方法,为模拟光伏阵列的算法研究奠定了基础。
　　 介绍了可编程电源及负载模拟装置的系统结构及工作原理,并对光伏阵列模拟装置几种常用的拓扑结构从性能、成本、功率等级及应用范围等方面进行了详细的对比和分析。确定了移相全桥电路作为可编程电源及负载模拟装置主拓扑,简要分析了其工作原理并设计了主电路元件的参数。在Matlab/Simulink中建立了可编程电源及负载模拟装置的仿真模型,并给出仿真结果。对可编程电源及负载模拟装置的控制系统进行设计,根据自动控制原理的相关理论,得出系统的稳定裕度和动态特性指标,证明了本文设计的调节器具有较好的稳定性和动态性能。
　　 设计了以STM32F103VBT6的ARM控制器作为控制芯片的控制电路硬件及软件系统,并进行了硬件调试。最后给出了恒功率负载和光伏阵列模拟装置的不同静态工作点和动态响应的输出波形,证明了本文所阐述的模拟装置的设计方法是可行的。