Development of an efficient and rapid computational solar photovoltaic emulator utilizing an explicit PV model
利用显式光伏模型开发高效、快速的太阳能光伏仿真计算器
Highlights 亮点
- •Numerical computation of intricate PV equation complicates the structure of Photovoltaic emulator.
复杂的光伏方程的数值计算使光伏仿真器的结构变得复杂。 - •A new emulator based on a straightforward explicit PV model is introduced.
介绍了一种基于直接显式光伏模型的新型仿真器。 - •Integration of the explicit model into the PV features high simplicity and accuracy.
将显式模型集成到光伏系统中,具有高度的简便性和准确性。 - • -Developed PVE requires just one iteration to compute the PV model.
开发的 PVE 只需一次迭代即可计算 PV 模型。 - •Proposed emulator is suitable for field PV testing.
拟议的仿真器适用于现场光伏测试。
Abstract 摘要
本文提出了一种新颖的简化、灵活的光伏模拟器(PVE),可有效模拟太阳能电池板的静态和动态特性。通过细致地生成整个系统的基准,所提出的 PVE 采用了原始的显式光伏模型(EPVM)。作为光伏隐式方程的近似值,EPVM 采用了泰勒级数解析法。与之前的框架相比,这种方法无需进行大量迭代计算,因此具有强大的计算能力。此外,EPVM 可以毫不费力地集成到 PVE 架构中,从而简化了程序,提高了整体灵活性和简便性。利用 MATLAB/Simulink 和 200 W 太阳能系统,对所开发的 PVE 进行了数值研究。通过应用(最大功率点跟踪)MPPT 等非线性过程,证实了 PVE 的可行性。本研究通过与当代 PVE 设计的比较分析,反复强调了所提出的 PVE 在以直接、精确和高效的方式模拟太阳能电池板方面的卓越品质。通过定量评估,一致认定所开发的 PVE 的效率超过 99%,最大误差率小于 0.7%。
Keywords 关键词
光伏 (PV)显式光伏模型 (EPVM)光伏模拟器 (PVE)太阳能系统
Nomenclature 术语
- Eg
- Bandgap energy 带隙能
- Eg-ref
- Bandgap energy at STC STC 时的带隙能
- PVE Error PVE 错误
- G
- Irradiance (W/m2)
辐照度(瓦/米 2 ) - Series resistance 串联电阻
- Is 我 s
- Reverse saturation current
反向饱和电流 - Reverse saturation current at STC
STC 时的反向饱和电流 - PV Voltage 光伏电压
- PV Current 光伏电流
- PVE buck converter switching frequency
PVE 降压转换器开关频率 - MPPT boost converter switching frequency
MPPT 升压转换器开关频率 - Maximum power voltage 最大功率电压
- Maximum power Current 最大功率 电流
- PVE current PVE 当前
- T
- Temperature 温度
- PVE voltage PVE 电压
- Iph 我 ph
- Reference PVE Current 参考 PVE 电流
- KB
- Boltzmann constant (1.38×10-23 J/K)
波尔兹曼常数(1.38×10 -23 J/K) - Ki
- Q
- Charge constant (1.602×10-19C)
电荷常数(1.602×10 -19 C) - Lpve, rL
- PVE Inductance, and parasitic Inductance
PVE 电感和寄生电感 - Cpve,rc
- PVE Capacitance, and parasitic Capacitance
PVE 电容和寄生电容 - Rpve
- PVE output resistance PVE 输出电阻
- Proportional and, integral gain of PI controller
PI 控制器的比例增益和积分增益 - ,
- Boost converter inductance and capacitance
升压转换器电感和电容 - PVE-MPPT coupling capacitance
PVE-MPPT 耦合电容 - Transfer function of boost
升压的传递函数 - E
- PVE DC Supply Voltage PVE 直流电源电压
- d, D
- PVE duty and MPPT control duty cycle
PVE 占空比和 MPPT 控制占空比 - Minimum and maximum PVE duty cycle
最低和最高 PVE 工作周期 - Minimum and maximum MPPT duty cycle
最小和最大 MPPT 占空比 - Open Circuit Voltage 开路电压
Symbols 符号
- ref 档号
- Reference 参考资料
- STC
- Standard test conditions 标准测试条件
Subscripts 下标
- PV
- Photovoltaic 光电
- PVE
- Photovoltaic Emulator 光伏模拟器
- WOA
- Whale Optimization algorithm
鲸鱼优化算法 - SDM
- Single Diode Model 单二极管型号
- EPVM
- Explicit PV model 显式光伏模型
- PI
- Proportional Integral controller
比例积分控制器 - MPPT
- Maximum power point tracking
最大功率点跟踪 - PWM
- ANN
- LUT
- I-V
- Current-voltage 电流-电压
- V-R
- Voltage resistor model 电压电阻器型号
- RCM
- Resistance comparison method
电阻比较法 - DRM
- Direct reference method 直接参照法
- FLC
- FSL
- Fifteen segment linearization
15 段线性化 - 2DR
- 2-diode circuit model 2 二极管电路模型
- PI
- Proportional Integral 比例积分
- MPPT
- Maximum power point tracking
最大功率点跟踪 - PVE
- Photovoltaic emulator 光伏模拟器
- BSC
- Binary search computation
二进制搜索计算 - I-R
- Current-resistor model 电流电阻模型
- SC
- Shift controller 换档控制器
- BSC-SC
- Binary search Computation-Shift controller PVE
二进制搜索 计算-移位控制器 PVE - RCM
- Resistance Comparison Method
电阻比较法 - BSC-PI
- Binary search Computation-PI controller PVE
二进制搜索 计算-PI 控制器 PVE - IAE
- Integral of Absolute Error
绝对误差积分 - MAPE
- Mean Absolute Percentage Error
平均绝对百分比误差 - CVR
- Constant Voltage Region 恒定电压区域
- CCR
- Constant Current Region 恒定电流区域
Abbreviations 缩略语
1. Introduction 1.导言
国际能源机构和可再生能源机构等权威机构普遍认为,可再生能源是解决全球变暖和气候变化等紧迫问题的可行战略。近年来,人们特别关注太阳能,太阳能光伏(PV)板的利用就是其中之一。太阳能光伏板的特性,包括适应性强、对移动部件的依赖性最小以及可靠性高,使其在各种情况下都非常适用。然而,尽管有这些优势,光伏系统的成功集成仍然面临着巨大的挑战。
在部署光伏系统之前,受控测试和验证是必不可少的先决条件。然而,众所周知的一个障碍是,光伏电池板本身会受到不可控环境因素的影响 [1],[2]。因此,测试这些系统的主要困难在于无法施加理想的测试条件。为应对这一挑战,光伏仿真的概念应运而生,成为光伏系统测试的有力替代方案。光伏仿真器是专门的电力电子系统,旨在复制太阳能电池板的静态和动态属性[3]。
为了有效复制太阳能电池板的行为,光伏模拟器(PVE)需要一个参考光伏模型来建立所需的静态响应,还需要一个功率级控制器来捕捉光伏电池板的预期动态特性。因此,许多当代 PVE 设计都围绕这两个关键组件展开。值得注意的是,为了创建一个简单明了的仿真测试装置,这些元件必须在本质上保持简洁。
正如各种科学文献所记载的那样,人们设计了多种方法来参考 PVE 并确保可靠的控制。例如,[4] 中的 PVE 开发采用线性化策略为 PVE 生成参考电流。这一过程包括将光伏模型的电流-电压(I-V)曲线分解为四个部分,然后实施比例-积分(PI)控制器,根据所需的参考值调节 PVE 的输出。不过,值得注意的是,虽然这种方法的特点是简单,但由于 I-V 曲线的四段划分有限,因此会影响 PVE 的精度和动态响应。
如文献[5]和[6]所示,为了提高 PVE 的精度,需要集成更多的 I-V 曲线段。然而,要达到更高的精度,就需要引入更高的复杂度。值得注意的是,[5]、[6] 在很大程度上依赖于离线训练的人工神经网络 (ANN),这给实时实施带来了挑战。将此类模型集成到 PVE 中会增加其结构的复杂性,可能会使计算处理器超载,并妨碍 PVE 的响应速度。
同样,为 PVE 提供参考电压/电流的另一种方法是利用查找表(LUT)[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。然而,这种方法虽然可行,却严重依赖于预先存储的数据,因此对计算处理器的内存需求很大。这限制了基于 LUT 的 PVE 的操作范围,以避免计算负担。此外,LUT 方法只适用于光伏面板,因此每当引入一个新的光伏面板时,都必须进行重建。此外,基于 LUT 的 PVE 还存在一个缺点,即计算 I-V 特性的方程依赖于表中连续点之间的线性插值,从而影响了 PVE 的整体精度[13]。
另一种方法是直接使用光伏板的 I-V 方程,与线性化和 LUT 方法相比,这是一种与众不同的方法。与前者相比,这种方法具有更高的参考精度。因此,现有的一些尝试已将 PV 模型直接纳入 PVE 框架 [15]、[16]、[17]。可以通过数值技术计算光伏板的 I-V 方程,为 PVE 生成参考电压/电流。在这些方法中,牛顿-拉夫逊法在求解 PV 方程方面受到了广泛关注。如文献 [18] 所示,光伏模型的电压-电阻 (V-R) 方程是通过牛顿-拉夫逊计算算法计算得出的。
虽然数值计算可能不会对处理器造成很大的压力,但却需要多次迭代才能精确模拟太阳能电池板。遗憾的是,这些迭代会对 PVE 的性能产生不利影响,导致动态响应迟缓。在许多测试场景中,PVE 需要在快速变化的动态条件下运行。因此,PVE 结构中的计算必须表现出灵活性,以忠实地复制太阳能电池板的动态和静态特性。因此,数值计算可能无法始终如一地提供 PVE 所期望的动态响应。
正如文献[14]中一致指出的那样,经验证据表明,使用光伏的电流电阻模型,牛顿-拉夫逊算法需要多达 200 次迭代才能收敛到稳定的 PVE 输出(见图 1)。这一观察结果凸显了将 PVE 从迭代计算中解放出来所面临的巨大挑战。尽管如此,完成这一壮举无疑将大大增强 PVE 的总体结构及其仿真性能。

Fig. 1. Plot of number of computation iterations against PVE resistance in the case of the of the Newton Raphson’s and BSC algorithm for the current-resistor PV model [14].
图 1.牛顿-拉斐尔森算法和 BSC 算法对电流电阻光伏模型 [14] 的计算迭代次数与 PVE 电阻的关系图。
在数值计算领域,[19] 提出了一种新方法,将电阻比较法 (RCM) 与二进制搜索计算 (BSC) 算法相结合。这种创新方法取得了两个显著成果。首先,基于电阻技术的应用提高了 PVE 的输出稳定性。其次,二进制搜索计算算法的使用大大降低了 PVE 的迭代要求。研究一致表明,通过采用这种方法,计算迭代次数可减少到 40 次,这是一个有意义的进步。不过,每次计算迭代 40 次只能部分缓解 PVE 面临的迭代困境。
文献[14]对这种方法进行了改进,利用 BSC 算法有效地计算了 PVE 的电流-电阻(I-R)模型。这种改进的方法有效地减轻了迭代计算的负担,使迭代次数减少到 20 次以下。正如文献所证实和图 1 所示,就简便性而言,BSC 算法是 PVE 实现中最成功的计算技术。不过,很明显,即使采用 BSC 算法,要获得准确的 PVE 输出,仍然需要一定数量的迭代。因此,为了提高 PVE 的综合性能,迭代挑战仍然是一个需要关注的相关研究空白。
在作为 PVE 重要组成部分的控制方面,比例-积分(PI)控制器作为 PVE 最广泛采用的控制策略占据了重要地位。如表 1 所示,许多现有的 PVE 架构都建立在 PI 方法的基础上。这种控制方案的吸引力在于其简单性和适应性,因此成为首选。表 2.
Table 1. A summary of some PVEs in the literature illustrating contemporary research gaps.
表 1.说明当代研究差距的一些 PVE 文献摘要。
Ref 参考文献 | PVE Computation method PVE 计算方法 | Power stage Control method 功率级 控制方法 | Key observation and remarks 主要意见和评论 |
---|---|---|---|
[4] | Four segment Linearization 四段线性化 | PI Controller and Buck converter PI 控制器和降压转换器 |
|
[5] | Four segment Linearization 四段线性化 | PI Controller and Synchronous Buck converter PI 控制器和同步降压转换器 |
|
[6] | Twelve segment Linearization 12 段线性化 | Backstepping controller and Buck converter 反步进控制器和降压转换器 |
|
[9] | LUT method LUT 方法 | Adaptive state feedback controller and Buck Converter 自适应状态反馈控制器和降压转换器 |
|
[15] | Direct PV model integration 直接光伏模型集成 | PI Controller PI 控制器 |
|
[18] | V-R and Newton-Raphson’s method V-R 法和牛顿-拉斐逊法 | Backstepping controller and Buck 反步进控制器和降压 |
|
[19] | RCM and BSC method RCM 和 BSC 方法 | PI Controller PI 控制器 |
|
[14] | I-R model and BSC method I-R 模型和 BSC 方法 | PI controller PI 控制器 |
|
[20] | I-R model and BSC method I-R 模型和 BSC 方法 | Shift Controller 轮班控制器 |
|
Table 2. Characteristics of the KC200GT solar panel at STC [24].
表 2.STC 的 KC200GT 太阳能电池板的特性 [24]。
Parameter 参数 | Value 价值 |
---|---|
Maximum, power 最大功率 | 200 W 200 W |
Open circuit voltage, 开路电压, | 32.9 V 32.9 V |
Short circuit current, 短路电流, | 8.21A |
Maximum power voltage, 最大电源电压, | 26.3 V |
Maximum power current, 最大功率电流, | 7.61A |
Temperature coefficient of 的温度系数 | −0.123 V/oC -0.123 V/ o C |
Temperature coefficient of 的温度系数 | 0.00318 A/oC |
Number of series cells 串联电池数量 | 54 |
文献还强调了先进控制方法的出现,如自适应状态反馈和非线性反步进控制器,作为 PVE 控制的潜在替代选择。然而,与这些控制器相关的复杂性仍然是其实际应用的一大障碍。值得注意的是,非线性反步进控制器要求完全访问系统状态,而这一要求并不总能满足精确测量的要求。因此,控制阶段的简单性对于增强 PVE 结构至关重要。
事实上,[14]、[19]、[21] 所做的研究一致肯定了 PI 控制器非常适合 PVE 应用,尤其是从迭代角度完善参考计算时。此外,[20] 提出的 Shift 控制器也被认为是 PVE 的有效控制策略。该控制器以其简单性和快速控制解决方案而著称。文献 [20] 中的研究结果表明,与基于二进制搜索计算 (BSC) 算法的 PI 替代方案相比,Shift 控制器的计算速度更快。
通过对现有文献的深入研究发现,利用数值方法将 PV 模型纳入 PVE 时,容易出现计算迭代。这种趋势对 PVE 的静态和动态性能都造成了限制。因此,PVE 中持续存在的迭代问题一直是一个值得注意的挑战,也是当前研究中的一个重大空白。为了有效解决这些差距,本文介绍了一种创新而高效的 PVE,它无缝集成了一种直接的引用方案。
鉴于管理光伏系统的方程是非线性且错综复杂的,采用数值计算将不可避免地在 PVE 系统中引入迭代,这是不理想的。为了避免多重迭代过程带来的负担,本研究建立了一个显式光伏模型(EPVM),并将其无缝集成到 PVE 架构中。严格的论证一致表明,将 EPVM 纳入 PVE 框架具有高度的简便性和灵活性。因此,所提出的 PVE 与现有的同类产品不同,无需进行多次计算迭代,大大减少了计算时间。
拟议 PVE 的综合设计与降压转换器和 PI 控制器协同配合,其功效通过在 200 W 太阳能系统上进行的基于 MATLAB/Simulink 的严格数值研究得到了验证。多次迭代测试以及在各种运行情况下进行的比较,牢固确立了拟议 PVE 的能力。本文的主要贡献可简明扼要地概括如下:
- • -Innovative incorporation of a clear and uncomplicated explicit PV model into the framework of the PVE.
在 PVE 框架中创新性地纳入一个清晰、简洁的明确 PV 模型。 - • -Distinguishing feature of the proposed PVE: absence of multiple computational iterations.
拟议 PVE 的显著特点:无需多次计算迭代。 - • -Noteworthy attributes of heightened flexibility and performance enhancement in the envisioned PVE architecture.
在设想的 PVE 架构中提高灵活性和性能的显著特征。 - • -Through comparison with PVEs based on the BSC algorithm-driven PI and shift controllers, the superiority of the proposed PVE is unmistakably established.
通过与基于 BSC 算法驱动的 PI 控制器和移位控制器的 PVE 进行比较,明确无误地确定了所提出的 PVE 的优越性。 - • -A prominent characteristic of the proposed PVE is its exceptional suitability for testing Maximum Power Point Tracking (MPPT) systems.
提议的 PVE 的一个突出特点是,它非常适合测试最大功率点跟踪 (MPPT) 系统。
本文后续章节的结构如下:第 2 节概述了拟议的 PVE 系统,第 3 节介绍了光伏面板的数学描述。第 4 节阐述了显式光伏板模型及其与 PVE 的无缝结合。第 5 节详细介绍了 PI 控制器和降压转换器的设计细节,第 6 节介绍了 MPPT 测试安排。第 7 节是对结果的介绍和讨论,第 8 节是本文的结论。
2. Synoptic description of the proposed PVE structure
2.拟议 PVE 结构的综合说明
如图 2 所示,设想中的 PVE 包括三个基本组件:由直流电源和降压转换器组成的功率级、明确的 PV 模型以及以 PI 控制器形式运行的功率级控制器。作为一个闭环系统,该装置通过显式光伏模型生成系统的参考信号,而 PVE 的输出电流和电压则作为闭环布置中的反馈测量值。通过 PI 控制器和降压转换器之间的协同作用,纠正参考测量和反馈测量之间的差异,直至成功实现所需的静态和动态响应。将显式光伏模型开发并集成到 PVE 结构中(见图 2),是本文的主要技术贡献,这将在第 4 节中全面阐述。

Fig. 2. Synoptic overview of the proposed PVE structure.
图 2.拟议 PVE 结构的综合概览。
3. Modelling of solar panel
3.太阳能电池板建模
光伏电池板的模型是 PVE 的重要元素。因此,在评估 PVE 之前,被模拟的电池板模型必须准确无误。文献[22]、[23]中已经建立了多个太阳能电池板模型。在本研究中,我们使用单二极管模型(SDM)。之所以选择该模型,是因为它能够在模型精度和复杂性之间取得平衡。该模型的电气结构如图 3 所示。它由一个光电流源 、一个模拟光伏电池非线性的二极管 、寄生并联电阻 和串联电阻 组成。在均匀工作状态下,光伏电池的电流 和电压 遵循公式 (1) 中的数学关系。 (1) 式中 。项 、 分别为二极管的光电流和饱和电流。此外, 是二极管理想系数, 是电池数量, 是波尔兹曼常数,其值为 , 是电荷常数 , 是电池温度(开尔文)。太阳能电池板的完整建模需要五个关键参数 [24],即 、 和 。前两个参数可通过下式求得: (2) (3) 其中,G 是以 为单位的入射太阳辐照度; 是标准测试条件 (STC) 即 100 W/m 2 和 25 °C 时的光电流;K 是短路电流的温度系数; 是带隙能,其参考值为硅材料的 。 此外,并联电阻随辐照度 G 变化的数学模型为 (4) 其中, 为 STC 时的分流电阻, 为给定辐照度下分流电阻的任意值。

Fig. 3. Electrical structure of the SDM.
图 3.SDM 的电气结构。
因此,如前所述,SDM 需要识别五个参数。关于太阳能模型的参数识别,现有文献中已有多种智能优化方法 [24]、[25]、[26]、[27]、[28]。在这项工作中,我们采用鲸鱼优化算法(WOA)来优化识别这些参数[29]。鲸鱼优化算法已被认为是一种成功的优化算法,尤其是在面对光伏性质的隐式方程时[30]、[31]。本文始终采用 KC200GT 型 200 W 太阳能电池板。
通过 WOA 获得的 KC200GT 太阳能电池板的五个参数为 。如图 4 所示,完整的模型曲线与太阳能电池板制造商提供的数据非常吻合。这证明了现有模型的适用性。因此,本文其余部分将始终采用该模型。

Fig. 4. I-Vmodel curve and actual manufacturer data for different irradiance levels.
图 4.不同辐照度下的 I-Vmodel 曲线和制造商的实际数据。
4. Explicit PV model based integration into the PVE structure
4.将基于 PV 模型的显式集成纳入 PVE 结构
式 (1) 中的方程表明,光伏模型的控制方程不仅是非线性的,而且性质复杂。因此,在计算过程中,对该方程进行数值求解必然会导致多次迭代。引入该方程的显式演绎是规避数值方法固有的迭代计算带来的挑战的具体解决方案。为了解决这一问题,本文引入了显式光伏模型(EPVM)。接下来的步骤将概述构建 EPVM 的过程。
仔细观察公式 (1) 可以发现,光伏方程固有的非线性和复杂性来自指数项 。本文提出的 EPVM 基于这样一个事实,即对该项进行三阶多项式近似会减弱方程的复杂性。因此,利用泰勒理论,可以得到如下近似值: (5) 因此,根据上述等式,式 (1) 的非线性错综复杂关系可简化为如下隐式和直接多项式形式: (6) (7) 其中,式 (6) 的多项式系数 和 是根据式 (7) 定义的。在这种情况下,很明显式 (6) 可以直接确定 x,然后将其插入关系式 中,得到 。如果满足条件 ,公式 (6) 中的三阶多项式将得到实解 [32],其中 。很明显,鉴于 总是实数定值,这个条件将始终得到满足。此外,由于其值总是唯一的,因此必须得到公式 (6) 的以下解: (8) (9) 其中,式 (8) 中的项 和 是通过式 (9) 计算得出的。利用公式 (9) 和 表达式,光伏电流的直接方程表示为 (10) 在这种情况下,式 (10) 构成了太阳能电池板的显式光伏模型 (EPVM)。因此,通过将该表达式直接纳入 PVE 框架,就可以完成对 EPVM 的整合。值得注意的是,EPVM 依赖于 SDM 的五个参数。 EPVM 的简易性进一步凸显,因为这些参数可以轻松地从可用的精确 SDM 中导出,并方便地输入 PVE 结构中的 EPVM 方程。因此,在 PVE 结构中,考虑到输入 T 和 G 的提供,以及 PVE 反馈电压的可用性,可通过后续表达式向控制器明确提供参考电流: (11) 其中 是作为输入反馈到系统中的 PVE 输出电压。为了模拟与 STC 不同的条件,显式模型始终使用公式 (2)、(3) 和 (4) 中的直接关系。由此可见,使用建议的 EPVM 参考 PVE 的过程简单明了,可简化其与 PVE 结构的整合。更具体地说,根据 EPVM 计算 PV 只需一次迭代。因此无需多次迭代
5. Buck converter and PI control design
5.降压转换器和 PI 控制设计
如图 1 的概要所示,功率级和控制器是 PVE 的另外两个关键要素。为确保准确捕捉实际太阳能电池板的静态和动态,必须对这些子系统进行适当设计。如前所述,本研究在功率级中使用了直流-直流降压转换器。本文特别选择了这种拓扑结构的转换器,因为它结构简单、用途广泛且元件数量较少。实用降压转换器的电气结构如图 5 所示。它由两个存储元件 和 组成,即 PVE 电感和电容。系统设计为连续导通模式,确保电流连续流动。转换器通过脉宽调制技术,利用开关 sw 以 的开关频率进行调节。此外,转换器由固定的直流电源 E 供电,二极管 完善了转换器的内部结构。此外,电感和电容中的寄生元件 和 使转换器变得实用。在这种情况下, 与转换器耦合的负载可能是电阻性的。降压转换器的小信号传递函数(T.F)可求得 [14]: (12)

Fig. 5. Electrical structure of a practical DC-DC Buck converter.
图 5.实用直流-直流降压转换器的电气结构。
为了调节转换器的输出,采用了一个简单的 PI 控制器。由于控制器本身是线性的,因此必须正确设计其增益 和 。图 6 显示了 PVE 作为闭环系统的运行情况。因此,为了准确设计控制器,可以对闭环系统的参考输入进行阶跃响应,并使用调整方法调节增益。

Fig. 6. Close loop regulation of the converter using the PI controller.
图 6.使用 PI 控制器对变流器进行闭环调节。
拟议的 PVE 结构如图 7 所示。可以清楚地看到,PVE 需要两个外部输入和另外两个内部输入。外部输入为 G 和 T,由 PVE 运算符设置。PVE 的反馈测量 和 代表 PVE 的内部输入。因此,从实用角度来看,拟议的 PVE 只需要两个测量传感器,即电流和电压。

Fig. 7. Structure of the proposed PVE.
图 7.拟议 PVE 的结构。
6. MPPT application of the proposed PVE
6.拟议 PVE 的 MPPT 应用
功率电压仿真器 (PVE) 的直接功能归功于电阻负载的线性特性。然而,当 PVE 连接到非线性负载时,这种简单性就会受到挑战。在面对这种非线性负载时,PVE 必须保持其动态和静态特性,才能有效地复制太阳能电池板的行为。在光伏(PV)连接装置中,运行期间会出现各种非线性过程。在这些过程中,最大功率点跟踪 (MPPT) 控制器是一个关键组件,负责优化从光伏到负载的功率传输 [1],[2]。
图 8 描述了将 PVE 与 MPPT 控制器耦合在一起的拟议系统配置。在这里,MPPT 控制器与非线性负载相互作用,非线性负载由 MPPT 算法驱动的直流-直流升压转换器表示。此外,本研究中使用的升压转换器的具体布置如图 9 所示。从图中可以看出,它具有有效实施 MPPT 所需的两个主要元素,即升压电感 和电容 。此外,输入 PVE-MPPT 耦合电容 用于将 PVE 与 MPPT 子系统有效耦合。在稳定运行时,升压转换器根据占空比对 PVE 看到的电阻进行如下修改: (13) 图 11 显示了不同输出电阻 值下 PVE 电阻 与 MPPT 占空比的关系图。可以看出,在 MPPT 配置中,PVE 看到的电阻是非线性的。与 PVE 与线性电阻负载耦合的情况相比,这种非线性带来了更多的仿真挑战

Fig. 8. Coupling of the PVE to a nonlinear load (MPPT).
图 8.PVE 与非线性负载的耦合(MPPT)。

Fig. 9. Electrical structure of the Boost Converter.
图 9.升压转换器的电气结构。
因此,PVE-MPPT 系统的运行完全取决于 (12) 等式,其中 MPPT 的占空比是通过一种合适的 MPPT 算法来控制的。在各种选择中,以其受欢迎程度而闻名的扰动和观测(P&O)算法是最合适的选择。P&O 算法的核心原理是根据公式 (13) 调整转换器的占空比,反复跟踪仿真器的最大功率点。为了高效实现这一目标,需要以最佳扰动间隔对 PVE 的电流和电压进行采样,使 MPPT 控制器能够分辨连续扰动。图 10 直观地展示了采用采样和保持功能的 P&O 算法的流程。

Fig. 10. Flowchart of the P&O Algorithm with sample and hold operation.
图 10.带有采样和保持操作的 P&O 算法流程图。

Fig. 11. Plot of the PVE resistance against the MPPT control duty cycle ratio for different values of load resistance.
图 11.不同负载电阻值下 PVE 电阻与 MPPT 控制占空比的关系图。
7. Results and discussions
7.结果和讨论
本文在 MATLAB/Simulink 环境中进行了一系列模拟和实验,以评估所提议的 PVE 的功效。所有的数值研究都是使用 200 W KC200GT 太阳能电池板进行的,其模型的准确性已在本文第二部分得到确认。PVE 的降压转换器是根据 [20]、[21]、[33] 设计的。转换器参数的设计允许输出纹波为 1 % [33]。该转换器的参数如表 3 所示。控制器则根据 PVE 闭合系统的阶跃响应进行设计,如图 6 所示。控制器 和 的增益在 MATLAB/Simulink 中使用控制器调节器应用程序进行调节。控制器设计为具有临界阻尼响应,无过冲,在 PVE 负载 时,稳定时间约为 2 毫秒。闭环 PVE 系统的时间(阶跃响应)和频率响应如图 12 和图 13 所示,显示出 2.2 毫秒的稳定时间、180 °C 的相位裕度和无限的增益裕度。因此,所设计的系统始终符合预期标准。值得注意的是,上述 PI 控制器在本研究的所有调查中都得到了一致使用。
Table 3. Parameters of the PVE and MPPT controller.
表 3.PVE 和 MPPT 控制器的参数。
PVE parameters PVE 参数 | MPPT controller parameters MPPT 控制器参数 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Parameter 参数 | Value 价值 | Parameter 参数 | Value 价值 | Parameter 参数 | Value 价值 | Parameter 参数 | Value 价值 |
48 V, 3.219mH 48 V,3.219mH | 0.1163 | 10mH | 0.01 | ||||
80uF | 32.15 | 150uF, 150uF、 | 15 ms 15 毫秒 | ||||
31 kHz 31 千赫 | 0.134 Ω 0.134 Ω | 100uF | 35 Ω 35 Ω | ||||
0.8631 Ω 0.8631 Ω | [0.05 0.9] | 20 kHz 20 千赫 | [0.05 0.9] |

Fig. 12. Step response of the closed loop PVE system.
图 12.闭环 PVE 系统的阶跃响应。

Fig. 13. Frequency response of the closed loop PVE system: Bode plot.
图 13.闭环 PVE 系统的频率响应:Bode plot.
因此,在获得理想的设计后,控制器的结果参数(如表 3 所示)将被纳入 PVE 的配置中,如图 7 所示。在此框架内,进行了两项主要实验:首先是稳态精度评估,其次是动态响应评估。这些实验将在随后的章节中详细阐述。
- 1.Steady-state response assessment of the PVE
PVE 的稳态响应评估
在稳态评估中,将根据实际太阳能电池板对 PVE 的仿真精度进行评估。为了量化这一评估,PVE 误差的计算方法如下: (14) 其中 是太阳能电池板原始光伏模型产生的电流。为了根据文献对 PVE 进行定位,我们将其与 [14] 中提出的基于二进制搜索计算 (BSC)-PI 控制器的 PVE 和 [20] 中开发的 BSC 移位控制器 (SC)-PVE 进行了比较。值得注意的是,在整个研究过程中,0.00007 的设计值始终被视为移位控制器参数。在稳态评估中,不同的 PVE 与从短路到开路的不同电阻负载耦合。
从图 14 中可以看出,所有 PVE 在再现光伏板的静态特性方面都有显著的表现。更具体地说,它们与光伏模型的一致性非常高。

Fig. 14. Steady state emulation data points of different emulators superimposed with the PV model I-V curve.
图 14.不同仿真器的稳态仿真数据点与光伏模型 I-V 曲线的叠加图。
然而,我们发现 PVE 并不能捕捉到光伏 I-V 曲线的全部静态特性。这是由于在 PVE 中引入了 占空比约束。该约束可保护降压转换器的开关在占空比极低的情况下免受开关应力的影响。因此,它限制了 PVE 的静态运行。因此,如果与 PVE 耦合的负载超出了 PVE 的工作范围,占空比约束将使 PVE 输出保持恒定。这就解释了为什么在极端负载条件下,PVE 无法准确模拟太阳能电池板。在 1000 W/m 2 和 200 W/m 2 条件下,PVE 无法准确模拟太阳能电池板的最小电阻分别约为 0.2 Ω 和 1 Ω。相反,在 1000 W/m 2 和 200 W/m 2 时,仿真器不能有效捕捉面板静态特性的最大电阻分别约为 50 Ω 和 70 Ω。值得注意的是,超过这个最大值时,PVE 可能会以极慢的响应速度再现太阳能电池板的静态特性。
此外,图 15 举例说明了光伏仿真器 (PVE) 的定量精度,展示了各种 PVE 令人印象深刻的性能,误差幅度小于 2%。此外,直观分析表明,在较低的仿真输出电阻下,建议的 PVE 比其他 PVE 误差更小。然而,在辐照度为 1000 W/m2 时,当输出电阻超过 22 Ω 时,拟议 PVE 的性能就会落后于其他 PVE。这一结果在意料之中,可归因于显式光伏模型(EPVM)在显式求解光伏方程时引入的近似值。

Fig. 15. PVE error and required number of iterations of the different PVEs. Top left: PVE error for G = 1000 W/m2, T = 25 °C. Top right: PVE error for G = 200 W/m2, T = 25 °C. Bottom left: Number of iteration for G = 1000 W/m2, T = 25 °C. Bottom right: Number of iteration for G = 200 W/m2, T = 25 °C.
图 15.不同 PVE 的 PVE 误差和所需迭代次数。左上角:G = 1000 W/m 2 , T = 25 °C 时的 PVE 误差。右上图:G = 200 W/m 2 , T = 25 °C 时的 PVE 误差。左下图:G = 1000 W/m 2 , T = 25 °C 时的迭代次数。右下图:G = 200 W/m 2 , T = 25 °C 时的迭代次数。
然而,在仔细观察不同的误差曲线后,可以明显看出,建议的 PVE 与基于数值计算的其他 PVE 具有相当的精度。通过观察图 15,可以得出结论:以相对误差函数衡量的 PVE 精度低于 0.7%。
替代 PVE 依赖于对 PV 模型进行数值评估,因此需要多次迭代才能收敛到稳定的 PVE 输出。这与 [14] 的研究结果一致,如图 14 所示,替代 PVE 需要多达 18 次迭代才能收敛。
相比之下,拟议的 PVE 最多需要一次迭代才能为 PVE 生成稳定的参考。这些迭代对 PVE 计算时间的影响将在本文后续章节中进行全面评估。
- 2.Dynamic response assessment of the PVE
PVE 的动态响应评估
为了评估 PVE 配置的动态响应能力,我们对它们进行了不同的动态测试。起初,PVE 连接到各种恒定负载设置,并在多个实验中与不同的环境测试条件保持一致。由于电流控制器自然会确保在 I-V 曲线的恒定电流区 (CCR) 内做出令人满意的响应 [14],[19],因此本研究中选择的 PVE 负载设置为在 I-V 曲线的恒定电压区 (CVR) 内运行。该区域对实现稳定高效的仿真提出了更大的挑战。因此,不同 PVE 在不同环境和负载条件下的动态行为如图 16、图 17 和图 18 所示。

Fig. 16. Dynamic response of the PVEs at different conditions. Top left:. Top right:. Bottom left: . Bottom right:
图 16.PVE 在不同条件下的动态响应。左上角 。右上图 。左下: : .右下方

Fig. 17. Dynamic response of the PVEs at different conditions. Top left:. Top right: . Bottom left: . Bottom right:
图 17.PVE 在不同条件下的动态响应。左上角 。右上图 。左下: : .右下方

Fig. 18. Dynamic response of the PVEs at different conditions. Top left:. Top right:. Bottom left: . Bottom right:
图 18.PVE 在不同条件下的动态响应。左上角 。右上图 。左下: : .右下方
直观分析清楚地表明,所有 PVE 都成功地捕捉到了 PVE 的动态特性。不过,BSC-PI-PVE 的响应时间是其中最慢的。如表 4 所示,记录了每个 PVE 变体在不同条件下的计算时间。需要注意的是,由于 PVE 是一个动态系统,本文中的计算时间指的是 PVE 的输出稳定时间,以 2% 的标准来衡量。很明显,拟议的 PVE 具有最快的计算速度,其最短的执行时间就是最好的证明。具体来说,拟议的 PVE 计算时间不到 22 毫秒,而 BSC 算法的计算时间较长,超过 100 毫秒。与 BSC-PI 配置相比,由于移位控制器(SC)固有的快速计算特性,BSC-SC 的计算能力更快。
Table 4. Settling time of PVEs at different operation condition.
表 4.不同运行条件下 PVE 的沉降时间。
Operation Conditions 运行条件 | Proposed PVE 拟议的 PVE | BSC-PI-PVE | BSC-SC-PVE |
---|---|---|---|
7.95 ms 7.95 毫秒 | 25.65 | 24.85 ms 24.85 毫秒 | |
8.85 ms 8.85 毫秒 | 79 ms 79 毫秒 | 26.35 ms 26.35 毫秒 | |
10.55 ms 10.55 毫秒 | 100 | 25.45 ms 25.45 毫秒 | |
10.80 ms 10.80 毫秒 | 100 ms 100 毫秒 | 26.3 ms 26.3 毫秒 | |
13 ms 13 毫秒 | 39.65 | 24 ms 24 毫秒 | |
10.40 ms 10.40 毫秒 | 79.75 ms 79.75 毫秒 | 26 ms 26 毫秒 | |
11.40 ms 11.40 毫秒 | >100 ms >100 毫秒 | 25 ms 25 毫秒 | |
11.45 ms 11.45 毫秒 | >100 ms >100 毫秒 | 26.10 ms 26.10 毫秒 | |
21.9 ms 21.9 毫秒 | 91.75 ms 91.75 毫秒 | 24.55 ms 24.55 毫秒 | |
19.45 ms 19.45 毫秒 | >100 ms >100 毫秒 | 24.20 ms 24.20 毫秒 | |
17.95 ms 17.95 毫秒 | >100 ms >100 毫秒 | 24.90 ms 24.90 毫秒 | |
17.85 ms 17.85 毫秒 | >100 ms >100 毫秒 | 24.85 ms 24.85 毫秒 |
拟议的 PVE 计算效率高,这要归功于其直接、无迭代的计算方法。这一特性进一步凸显了集成式 EPVM 的性能和计算效率。
因此,根据图 16、图 17 和图 18 所示的观察结果,可以明显看出迭代在限制 PVE 计算性能方面起着关键作用。采用显式光伏模型(EPVM)的明显优势是,PVE 的参考完全不受计算迭代的影响。
在实际操作场景中,真正的太阳能电池板可能会遇到电阻负载波动的情况。从仿真的角度来看,PVE 应具备在这种情况下复制太阳能电池板动态特性的能力。从本质上讲,负载的变化会引起 PVE 工作点的扰动。因此,控制器的鲁棒性和 PVE 的整体计算能力应使其能够迅速应对这种突发情况。