本發(fā)明屬于光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于計(jì)算法的隔離式光伏陣列模擬器系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電因其可再生、低污染、易傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)已成為太陽能利用的主要方式和研究熱點(diǎn)，而在對光伏并網(wǎng)發(fā)電的核心設(shè)備——光伏并網(wǎng)逆變器的調(diào)試過程中，如采用實(shí)物太陽能光伏陣列作為輸入，其光照強(qiáng)度、溫度等因素導(dǎo)致模擬調(diào)試周期長，諸多情況不易模擬等問題都限制了光伏并網(wǎng)逆變器的調(diào)試。由于光伏陣列模擬器可以在短時(shí)間內(nèi)模擬任意溫度和光照強(qiáng)度情況的太陽能特性曲線的輸出，所以它的研制解決了上述問題，大大縮短了光伏并網(wǎng)逆變器的研制周期并降低了其成本。

現(xiàn)有光伏整列模擬器的主電路主要采用BUCK電路，二象限斬波電路等非隔離電路，功率較小，升壓能力有限，且當(dāng)主電路發(fā)生故障時(shí)，由于沒有隔離變壓器，會造成后端設(shè)備，如光伏逆變器的損壞。

現(xiàn)有光伏陣列模擬器對光伏特性曲線的模擬主要采用查表法，查表法是將光伏特性曲線離散化形成電壓值與對應(yīng)電流值的數(shù)據(jù)表，通過查表比較來實(shí)現(xiàn)對光伏特性曲線的模擬。由于查表法中電壓電流數(shù)據(jù)均為離散值，若離散數(shù)據(jù)較少，不利于光伏特性曲線的精確模擬，特別是在最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)時(shí)，不能滿足對電壓細(xì)微變化時(shí)電流也隨之變化的要求；若離散數(shù)據(jù)較多以滿足MPPT要求，則需要大量的儲存空間。當(dāng)模擬不同光伏特性曲線時(shí)，使用查表法需要對不同曲線分別離散化并生成不同的對應(yīng)表儲存，所需儲存空間成倍增加。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于計(jì)算法的隔離式光伏陣列模擬器系統(tǒng)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的基于計(jì)算法的隔離式光伏陣列模擬器系統(tǒng)包括：整流模塊、隔離模塊、逆變器、采樣模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊和電源模塊；其中：整流模塊通過隔離模塊與逆變器的輸入端連接；采樣模塊的輸入端與隔離模塊的輸出端連接、采樣模塊的輸出端與控制模塊的輸入端連接，控制模塊的輸出端與驅(qū)動模塊的輸入端連接，驅(qū)動模塊的輸出端與隔離模塊相連接，電源模塊分別與驅(qū)動模塊和控制模塊相連接。

所述的整流模塊包括三相不控整流橋、第一濾波電容C1和第二濾波電容C2，三相不控整流橋的輸入端與三相交流電源連接，三相不控整流橋的輸出端與隔離模塊2的輸入端連接；第一濾波電容C1和第二濾波電容C2依次串聯(lián)在三相不控整流橋輸出端的正負(fù)極之間。

所述的三相不控整流橋?yàn)槿嗳ú豢卣鳂颍凰龅牡谝粸V波電容C1和第二濾波電容C2采用串聯(lián)方式的螺栓式鋁電解電容。

所述的隔離模塊為帶隔離的零電壓零電流移相全橋電路，包括IGBT單相全橋電路、隔離變壓器和單相不控整流橋；其中：IGBT單相全橋電路的輸入端與整流模塊輸出端連接，IGBT單相全橋電路的輸出端與隔離變壓器的原邊繞組連接，隔離變壓器的副邊繞組與單相不控整流橋的輸入端連接，單相不控整流橋的輸出端輸出直流電壓。

所述的單相不控整流橋包括單相整流橋、第一限流二極管D1、第二限流二極管D2、第五電容器C5和電感L1；單相整流橋的直流輸入端與隔離變壓器的次級繞組相連接，單相整流橋直流輸出端的正極分別連接電感L1和第五電容器C5，電感L1的另一端為單相不控整流橋的正輸出端，單相整流橋直流輸出端的負(fù)極為單相不控整流橋的負(fù)輸出端；第五電容器C5的另一端分別連接第一限流二極管D1的陽極和第二限流二極管D2的陰極，第一限流二極管D1的陰極和第六電容器C6的一端均與單相不控整流橋的正輸出端連接，第二限流二極管D2的陽極和第六電容器C6的另一端均與單相不控整流橋的負(fù)輸出端連接；

所述的隔離變壓器的磁芯原副邊匝數(shù)比為1.1；

所述的IGBT單相全橋電路為IGBT單相全橋逆變電路，包括第一IGBT管S1、第二IGBT管S2、第三IGBT管S3和第四IGBT管S4、第一吸收電容C3和第二吸收電容C4；第一IGBT管S1和第三IGBT管S3組成超前臂，其中：第一IGBT管S1的集電極與整流模塊1輸出端的正極連接，第三IGBT管S3的發(fā)射極與整流模塊輸出端的負(fù)極連接，第一IGBT管S1的發(fā)射極與第三IGBT管S3的集電極連接，此點(diǎn)為超前臂的中點(diǎn)，與隔離變壓器原邊繞組的一端連接；第二IGBT管S2和第四IGBT管S4組成滯后臂，其中：第二IGBT管S2的集電極與整流模塊輸出端的正極連接，第四IGBT管S4的發(fā)射極與整流模塊輸出端的負(fù)極連接，第二IGBT管S2的發(fā)射極與第四IGBT管S4的集電極連接，此點(diǎn)為滯后臂的中點(diǎn)，與隔離變壓器原邊繞組的另一端連接；第一吸收電容C3與第二吸收電容C4分別并聯(lián)在第一IGBT管S1與第三IGBT管S3的輸出兩端；所述的第一IGBT管S1、第二IGBT管S2、第三IGBT管S3和第四IGBT管S4的柵極分別與驅(qū)動模塊的四個(gè)輸出端連接。

所述的逆變器為負(fù)載，采用光伏陣列逆變器。

所述的信號采樣模塊包括電壓霍爾傳感器VT1和電流霍爾傳感器CT1，電壓霍爾傳感器VT1采樣端并聯(lián)在第六電容器C6兩端，電壓霍爾傳感器VT1的輸出端與控制模塊連接，電流霍爾傳感器CT1采樣端串聯(lián)在隔離模塊中單相不控整流橋的正輸出端上，電流霍爾傳感器CT1的輸出端與控制模塊連接。

所述的控制模塊包括計(jì)算單元、比較單元、PID調(diào)節(jié)器和脈寬發(fā)生器；計(jì)算單元輸入端與電壓霍爾傳感器VT1的輸出端連接，比較單元輸入端與計(jì)算單元輸出端和電流霍爾傳感器CT1輸出端連接，比較單元輸出端與PID調(diào)節(jié)器輸入端連接，PID調(diào)節(jié)器輸出端連接脈寬發(fā)生器輸入端，脈寬發(fā)生器輸出端連接所述驅(qū)動模塊的輸入端。

所述的驅(qū)動模塊為IGBT單相全橋電路的驅(qū)動電路，包括四路驅(qū)動電路，用于分別驅(qū)動第一IGBT管S1、第二IGBT管S2、第三IGBT管S3和第四IGBT管S4。

所述的電源模塊為控制模塊的工作電源。

本發(fā)明提供的基于計(jì)算法的隔離式光伏陣列模擬器系統(tǒng)是以帶隔離的ZVZCS全橋電路作為主電路，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)勢在于，可實(shí)現(xiàn)大功率運(yùn)行、較寬的電壓調(diào)節(jié)范圍，并實(shí)現(xiàn)了對逆變器的電氣隔離保護(hù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性能。同時(shí)，采用計(jì)算法作為光伏特性曲線模擬的方式，既提高了模擬光伏特性曲線的連續(xù)性與準(zhǔn)確性，又無需占用大量的儲存空間。

附圖說明

圖1為光伏特性曲線示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的基于計(jì)算法的隔離式光伏陣列模擬器系統(tǒng)組成框圖；

圖3為隔離模塊組成框圖；

圖4為本發(fā)明提供的基于計(jì)算法的隔離式光伏陣列模擬器系統(tǒng)電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明提供的基于計(jì)算法的隔離式光伏陣列模擬器系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖2所示，本發(fā)明提供的基于計(jì)算法的隔離式光伏陣列模擬器系統(tǒng)包括：

整流模塊1、隔離模塊2、逆變器3、采樣模塊4、控制模塊5、驅(qū)動模塊6和電源模塊7；其中：整流模塊1通過隔離模塊2與逆變器3的輸入端連接；采樣模塊4的輸入端與隔離模塊2的輸出端連接、采樣模塊4的輸出端與控制模塊5的輸入端連接，控制模塊5的輸出端與驅(qū)動模塊6的輸入端連接，驅(qū)動模塊6的輸出端與隔離模塊2相連接，電源模塊7分別與驅(qū)動模塊6和控制模塊5相連接。

所述的整流模塊1的輸入端與三相交流電源連接，整流模塊1將三相交流電整流并濾波，輸出電壓穩(wěn)定的直流電至隔離模塊2；同時(shí)，采樣模塊4對隔離模塊2輸出端的電壓、電流信號進(jìn)行采樣，控制模塊5將采樣模塊4輸出的電壓、電流采樣信號通過計(jì)算、比較、分析，生成PWM控制信號，并通過驅(qū)動模塊6來控制隔離模塊2中的IGBT單相全橋電路，以實(shí)現(xiàn)對光伏特性曲線的模擬。

如圖4所示，所述的整流模塊1包括三相不控整流橋、第一濾波電容C1和第二濾波電容C2，三相不控整流橋的輸入端與三相交流電源連接，三相不控整流橋的輸出端與隔離模塊2的輸入端連接；第一濾波電容C1和第二濾波電容C2依次串聯(lián)在三相不控整流橋輸出端的正負(fù)極之間。

所述的三相不控整流橋?yàn)槿嗳ú豢卣鳂?；所述的第一濾波電容C1和第二濾波電容C2因成本、單個(gè)容量以及穩(wěn)定性的限制，常采用串聯(lián)方式的螺栓式鋁電解電容。

如圖3所示，所述的隔離模塊2為帶隔離的零電壓零電流移相全橋電路(ZVZCS全橋電路)，其包括：IGBT單相全橋電路21、隔離變壓器22和單相不控整流橋23；其中：IGBT單相全橋電路21的輸入端與整流模塊1輸出端連接，IGBT單相全橋電路21的輸出端與隔離變壓器22的原邊繞組連接，隔離變壓器22的副邊繞組與單相不控整流橋23的輸入端連接，單相不控整流橋23的輸出端輸出直流電壓。

如圖4所示，所述的單相不控整流橋23包括單相整流橋、第一限流二極管D1、第二限流二極管D2、第五電容器C5和電感L1；單相整流橋的直流輸入端與隔離變壓器22的次級繞組相連接，單相整流橋直流輸出端的正極分別連接電感L1和第五電容器C5，電感L1的另一端為單相不控整流橋23的正輸出端，單相整流橋直流輸出端的負(fù)極為單相不控整流橋23的負(fù)輸出端；第五電容器C5的另一端分別連接第一限流二極管D1的陽極和第二限流二極管D2的陰極，第一限流二極管D1的陰極和第六電容器C6的一端均與單相不控整流橋23的正輸出端連接，第二限流二極管D2的陽極和第六電容器C6的另一端均與單相不控整流橋23的負(fù)輸出端連接。

所述的隔離變壓器22的磁芯原副邊匝數(shù)比為1.1。

所述的IGBT單相全橋電路21為IGBT單相全橋逆變電路，包括第一IGBT管S1、第二IGBT管S2、第三IGBT管S3和第四IGBT管S4、第一吸收電容C3和第二吸收電容C4；第一IGBT管S1和第三IGBT管S3組成超前臂，其中：第一IGBT管S1的集電極與整流模塊1輸出端的正極連接，第三IGBT管S3的發(fā)射極與整流模塊1輸出端的負(fù)極連接，第一IGBT管S1的發(fā)射極與第三IGBT管S3的集電極連接，此點(diǎn)為超前臂的中點(diǎn)，與隔離變壓器22原邊繞組的一端連接；第二IGBT管S2和第四IGBT管S4組成滯后臂，其中：第二IGBT管S2的集電極與整流模塊1輸出端的正極連接，第四IGBT管S4的發(fā)射極與整流模塊1輸出端的負(fù)極連接，第二IGBT管S2的發(fā)射極與第四IGBT管S4的集電極連接，此點(diǎn)為滯后臂的中點(diǎn)，與隔離變壓器22原邊繞組的另一端連接；第一吸收電容C3與第二吸收電容C4分別并聯(lián)在第一IGBT管S1與第三IGBT管S3的輸出兩端；所述的第一IGBT管S1、第二IGBT管S2、第三IGBT管S3和第四IGBT管S4的柵極分別與驅(qū)動模塊6的四個(gè)輸出端連接。

所述的第一IGBT管S1、第二IGBT管S2、第三IGBT管S3和第四IGBT管S4選用全橋模塊。

所述的逆變器3為負(fù)載，可以但不限于光伏陣列逆變器。本發(fā)明為光伏陣列模擬器，其作用就是為后端的光伏陣列逆變器做模擬輸入。

所述的信號采樣模塊4包括電壓霍爾傳感器VT1和電流霍爾傳感器CT1，電壓霍爾傳感器VT1采樣端并聯(lián)在第六電容器C6兩端，電壓霍爾傳感器VT1的輸出端與控制模塊5連接，電流霍爾傳感器CT1采樣端串聯(lián)在隔離模塊2中單相不控整流橋23的正輸出端上，電流霍爾傳感器CT1的輸出端與控制模塊5連接。

所述的電壓霍爾傳感器VT1和電流霍爾傳感器CT1均選用無源模塊。

所述的控制模塊5包括計(jì)算單元、比較單元、PID調(diào)節(jié)器和脈寬發(fā)生器；計(jì)算單元輸入端與電壓霍爾傳感器VT1的輸出端連接，比較單元輸入端與計(jì)算單元輸出端和電流霍爾傳感器CT1輸出端連接，比較單元輸出端與PID調(diào)節(jié)器輸入端連接，PID調(diào)節(jié)器輸出端連接脈寬發(fā)生器輸入端，脈寬發(fā)生器輸出端連接所述驅(qū)動模塊6的輸入端。

控制模塊5采用DSP芯片，DSP芯片支持計(jì)算、比較、PID調(diào)節(jié)、PWM發(fā)生等功能；當(dāng)其接收到采樣模塊4發(fā)送的電壓、電流采樣信號時(shí)，先對所述信號進(jìn)行濾波，并將電壓采樣信號輸入至計(jì)算單元。

所述的驅(qū)動模塊6為IGBT單相全橋電路21的驅(qū)動電路，包括四路驅(qū)動電路，用于分別驅(qū)動第一IGBT管S1、第二IGBT管S2、第三IGBT管S3和第四IGBT管S4。

所述的電源模塊7為控制模塊5的工作電源。

所述控制模塊在計(jì)算單元中通過迭代計(jì)算來實(shí)現(xiàn)對光伏特性曲線的模擬轉(zhuǎn)化。在太陽能光伏電池板的等效電路中，光電效應(yīng)的部分可以認(rèn)為是一個(gè)恒流源，其輸出的電流Iph基本保持不變，光伏特性曲線公式表達(dá)式為：

其中，I_d為圖1中所示的二極管反向飽和電流，其單位為A；

I_ph為太陽能光伏電池光生電流，其單位為A；

q為單位電荷，其單位為C；

K為玻耳茲曼常數(shù)，其單位為J/K；

T為太陽能光伏電池對應(yīng)的絕對溫度，其單位為K；

R和R_sh分別為串并聯(lián)電阻，單位為Ω；

N為二極管因子。

在控制模塊5中，要實(shí)現(xiàn)對光伏特性曲線的模擬，只需儲存所模擬的太陽能電池板額定參數(shù)、已知常數(shù)和光伏特性曲線公式，并將采樣電壓值代入上述公式，即可實(shí)現(xiàn)對光伏特性曲線的模擬，求得所述采樣電壓值對應(yīng)的理論電流值。比較單元將采樣電流值與理論電流值進(jìn)行比較，得到誤差電流值，并將誤差電流值通過PID調(diào)節(jié)器對誤差電流值進(jìn)行比例微分積分調(diào)節(jié)，脈寬發(fā)生器將調(diào)節(jié)后的信號生成PWM信號，并發(fā)送至驅(qū)動模塊6，進(jìn)一步來實(shí)現(xiàn)對主電路的控制，完成光伏特性曲線的模擬。

對不同太陽能電池板的光伏特性曲線進(jìn)行模擬時(shí)，只需更改控制模塊5中預(yù)存的所模擬的太陽能電池板的額定參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)光伏特性曲線的改變。