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關(guān)于太陽能電池陣模擬器的設(shè)計
關(guān)于太陽能電池陣模擬器的設(shè)計 1 引言 太陽能(Solar Energy),一般是指太陽光的輻射能量,在現(xiàn)代一般用作發(fā)電。自地球形成生物就主要以太陽提供的熱和光生存,而自古人類
1 引言
太陽能(Solar Energy),一般是指太陽光的輻射能量,在現(xiàn)代一般用作發(fā)電。自地球形成生物就主要以太陽提供的熱和光生存,而自古人類也懂得以陽光曬干物件,并作為保存食物的方法,如制鹽和曬咸魚等。但在化石燃料減少下,才有意把太陽能進一步發(fā)展。太陽能的利用有被動式利用(光熱轉(zhuǎn)換)和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。太陽能發(fā)電一種新興的可再生能源。目前,在航天電源領(lǐng)域內(nèi),絕大多數(shù)衛(wèi)星電源均使用太陽能電池作為其動力核心。衛(wèi)星電源的性能直接影響到衛(wèi)星的性能和工作壽命,對衛(wèi)星的正常運行和使用也有重大的影響。因此,為了提高電源系統(tǒng)的性能和可靠性,對衛(wèi)星電源系統(tǒng)進行仿真和測試評估具有十分重要的意義。
衛(wèi)星的空間工作條件惡劣且復(fù)雜,溫度范圍大,日照條件變化迅速,且太陽能電池方陣處于高能粒子輻射下,在地面上無法采用實際的太陽能電池方陣來再現(xiàn)衛(wèi)星在空間軌道中的工作狀態(tài),因此需要采用太陽能電池模擬器(Solar Array Simulator,簡稱SAS)來模擬太陽能電池陣在空間的工作狀況。SAS是衛(wèi)星電源模擬器的重要組成部分,其主要任務(wù)是真實地遵循太陽能電池方陣在各種復(fù)雜空間條件下的實際輸出特性曲線,在衛(wèi)星的地面測試階段代替太陽能電池方陣為衛(wèi)星上的各分系統(tǒng)供電。
2 太陽能電池的數(shù)學(xué)模型
根據(jù)太陽能電池原理和圖1 所示的實際測量結(jié)果建立了多種模型,用于太陽能電池的測試和應(yīng)用研究。事實證明,這些模型具有足夠的工程精度。
2.1 單指數(shù)模型
圖2 示出太陽能電池的等效電路。
Iph 取決于太陽能電池各工作區(qū)的半導(dǎo)體材料性質(zhì)和電池幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)以及入射光強、表面反射率、前后表面復(fù)合速度、材料吸收系數(shù)等。由于器件的瞬時響應(yīng)時間相比于絕大多數(shù)光伏系統(tǒng)的時間常數(shù)顯得微不足道,因此分析中可忽略結(jié)電容。設(shè)定圖中所示的電壓、電流為正方向,由固體物理理論和全電路歐姆定律即可推出目前常用的單指數(shù)形式的太陽能電池模型:
式中
I0———二極管反向飽和電流
q———電子電荷
I———電池的輸出電流
K———波爾茲曼常數(shù)
T———絕對溫度
A———二極管品質(zhì)因子(曲線因子),一般A=1~2:
2.2 雙指數(shù)模型
在單指數(shù)模型中,在不同的電壓范圍內(nèi),決定IVD 的因素也不同。當(dāng)電壓較高時,IVD 主要由電中性區(qū)的注入電流決定;當(dāng)電壓較低時,IVD 主要由空間電荷區(qū)的復(fù)合電流決定。為了提高模型精度,可以綜合考慮這兩種情況,在等效電路中用兩個參數(shù)不同的二極管來產(chǎn)生這兩個電流,如圖3 所示。
兩個二極管產(chǎn)生的暗電流IVD1,IVD2 可分別表示成一個指數(shù)式的形式,這就是雙指數(shù)太陽能電池理論模型,其表達式為:
式中
I01,A1———電中性區(qū)的飽和電流及完整性因子
I02,A2———空間電荷區(qū)的飽和電流及完整性因子
該模型不僅考慮了Rs 和Rsh 對太陽能電池性能的影響,而且用指數(shù)的形式概括地表示了不同機制下產(chǎn)生的IVD,并將不同電壓范圍內(nèi)的IVD 決定因素也考慮在內(nèi),因而具有更高的精度。
2.3 工程應(yīng)用的模型
上述單指數(shù)和雙指數(shù)模型是基于物理原理的最基本的解析表達式,已被廣泛應(yīng)用于太陽能電池的理論分析中。但由于表達式中的參數(shù),包括Iph,I0(或I01,I02),Rs,Rsh 和A(或A1,A2)與電池溫度和日射強度都有關(guān),確定起來十分困難,因此不便于工程應(yīng)用,在太陽能電池供應(yīng)商向用戶提供的技術(shù)參數(shù)中也不包括這些參數(shù)。
工程用模型強調(diào)的是實用性與精確性的結(jié)合。
實際應(yīng)用中,在設(shè)計各種系統(tǒng)時,考慮到數(shù)字仿真和模擬時的動態(tài)反應(yīng)速度及計算工作量,必須盡可能在工程精度允許的條件下簡化模型。
工程用太陽電池的模型通常要求僅采用供應(yīng)商提供的幾個重要技術(shù)參數(shù),如短路電流Isc、開路電壓Uoc、最大功率點電流Im、最大功率點電壓Um、最大功率點功率Pm,就能在一定的精度下復(fù)現(xiàn)陣列的特性,并便于計算機分析。
鑒于單指數(shù)模型已足以精確描述太陽能電池的伏安特性,下面將在單指數(shù)模型的基礎(chǔ)上,通過忽略(U+IRs)/Rsh 項和設(shè)定Iph=Isc,得到工程實用的太陽能電池模型。忽略(U+IRs)/Rsh 項,是因為在通常情況下Rsh 較大,有幾百到幾千歐,該項遠小于光電流;設(shè)定Iph=Isc,是因為在通常情況下Rs 遠小于二極管正向?qū)娮琛?/FONT>
此外,定義:
?、匍_路狀態(tài)下,I=0,U=Uoc;
?、谧畲蠊β庶c時,U=Um,I=Im。
據(jù)此,太陽能電池的I-V 方程可簡化為:
在最大功率點時,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,解出:
注意到開路狀態(tài)下,當(dāng)I=0 時,U=Uoc,于是有:
可見,該模型只需輸入太陽電池通常的技術(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)出光照強度和電池溫度的變化。工程應(yīng)用中可通過實測曲線來設(shè)置這4 個參數(shù),亦可通過近似的函數(shù)來描述這組參數(shù)的變化。通??山普J為Isc,Uoc 分別隨溫度和光照強度呈線性變化。
3 太陽能電池陣模擬器的設(shè)計
3.1 總體結(jié)構(gòu)
太陽陣模擬器本質(zhì)上是一個電源,其輸出端的I-U 特性曲線能夠模擬太陽電池的I-U 曲線特性。模擬器帶有與計算機接口,可根據(jù)計算機給定的太陽電池陣特征參數(shù)進行設(shè)定。
為了較真實地模擬實際電源系統(tǒng),并使仿真系統(tǒng)具備測試功能,太陽陣模擬器要以太陽能電池電路為基本單位,以多個模塊并聯(lián)的形式構(gòu)成。對于衛(wèi)星電源系統(tǒng),一般每個衛(wèi)星擁有兩個太陽翼,每個太陽翼有多個同種或不同種太陽能電池陣列并聯(lián)構(gòu)成,同時由于輸出調(diào)節(jié)的需要,每個支路模塊還分為上、下兩段。因此,模擬器的設(shè)計應(yīng)以每個分段為模塊,通過多個模塊的串并聯(lián)實現(xiàn)對衛(wèi)星電源陣的模擬。圖4示出太陽電池模擬器的系統(tǒng)框圖。
每個支路由兩個模擬器模塊組成,上段和下段之間接分流調(diào)節(jié)器,每個支路通過隔離二極管接到直流母線上。要求每個模塊的狀態(tài)可以單獨設(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)境變化時進行快速模擬。
3.2 I-U 特性曲線生成模塊
圖5示出設(shè)計每個模塊的結(jié)構(gòu)。
考慮到實際工作環(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實現(xiàn)曲線的生成電路,以加快響應(yīng)速度。通過高精度D/A將接收到的數(shù)字參數(shù)給定轉(zhuǎn)換為模擬值給定。
根據(jù)太陽能電池的數(shù)學(xué)模型,太陽能電池的輸出I-U 曲線是在一個恒定電壓下減去一個二極管的I-U 特性曲線,對此,可采用如圖6所示的太陽電池輸出I-U 曲線模擬電路進行模擬。
由圖可見,輸入包括開路電壓和短路電流的給定,由這兩個參數(shù)就能確定太陽能電池的工作狀態(tài)。
太陽能電池的非線性特性主要由模擬器件來實現(xiàn),不同的曲線對應(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)太陽能電池的工程模型,短路電流近似等于太陽能電池的光電流,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線性函數(shù)。因此,光照條件和電池溫度就可以簡單地通過這兩個參數(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,二極管由于反偏截止,A2的輸出就只能由Isc 決定,整個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)系進行設(shè)計,使電流的減小量作為輸出電壓的函數(shù),并通過選擇合適特性的二極管,就能很好地模擬太陽電池陣的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,對前面產(chǎn)生的輸出特性進行放大,電路采用了電流負反饋的形式,通過簡單的調(diào)節(jié)來跟蹤模擬器的輸出電流。電路設(shè)計上采用了P 溝道的MOSFET,設(shè)計成輸入越大,輸出電流越小的形式,這樣整個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,可以采用一組該電路進行并聯(lián),由于MOSFET的負溫度系數(shù)特性,實現(xiàn)了輸出時的自然均流。同時在負載上并聯(lián)了電容Co,以模擬太陽能電池的節(jié)電容。為了保證每個MOSFET 支路不因短路而發(fā)生故障,需在每個MOSFET 支路上安裝一定容量的保險絲,以確保整個模擬器的安全。太陽電池陣模擬器的每個主陣支路模塊擁有支路輸出、抽頭點輸出和功率地3 個對外功率接口端子。
4 實驗結(jié)果
根據(jù)上述太陽能電池單體模型仿真電路,進行了I-U 特性曲線的Pspice 仿真及實際電路測試。在測試中,每組實驗采樣60 個點,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電池的I-U 特性曲線波形。
?。?)光照條件變化時的電池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 對應(yīng)不同的光照條件。
由圖8a 可見,UT 固定不變,隨著UE在實驗中,對兩臺逆變器的連線阻抗設(shè)置了一定差值,圖5 示出兩臺逆變器并聯(lián),接入交流母線時輸出電流io 的實驗波形。實驗結(jié)果顯示,在逆變器進入并聯(lián)系統(tǒng)時,瞬時均流性能較好,動態(tài)響應(yīng)很快,并很快進入穩(wěn)態(tài),并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流非常小。兩臺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,并聯(lián)逆變器能迅速實現(xiàn)均流。
5 結(jié)論
現(xiàn)在,太陽能的利用還不是很普及,利用太陽能發(fā)電還存在成本高、轉(zhuǎn)換效率低的問題,但是太陽能電池在為人造衛(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載特性和輸出特性,并且在并聯(lián)中具有較強的參數(shù)適應(yīng)性、良好的動態(tài)響應(yīng)性能和均流性能。
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