太阳能光伏电池模拟器的研究

１ 太阳 能光伏 发 电简介
随着经济的增长 ，人们对能源的需求逐渐扩大 。目前 常规能源中的 石油 、天然气 、煤炭等已经不能满 足人们 日益增长 的能源需要 ，因此必 须利用和开发再生能源，太 阳能作 为一种不会枯竭 的清洁能源得到很多 国家 的重 视 。 对太 阳能的利用主要通过光 电转换 、光热转换和光化学转换三种途 径 ，其中光电转换是太阳能利用中最重要的方向。并且光电转换 中的光 伏发 电是太阳能发电的主流 ，光伏发 电就是将太阳能直接转变成 电能。 光伏 阵列作为光伏系统 的主要组成 部分 ，是将太 阳能转换 成电能的装 置 。目前光伏阵列 由于制造成本高 、 效率低 ，占地面积较大不适合科研 机构 购买开展光伏 系统的研究 ，因此 ， 设计一个能够模拟光伏 阵列在各 种环境下工作的模拟器就非常必要 。 太阳能光伏阵列模拟器可以模 拟太 阳能电池在各种光照 、 温度下的 负载能力和系统性能 ，实现在线调试的完全逼真的模拟 。同时利用太阳 能电池阵列模拟器还可以检验 出系统的配置是否合理，通过改变太阳能 电磁 的连接方式 、连接数量从而实现最优 的配置方案。总之 ，太 阳能光 伏阵列模拟器可以缩短研究周期 ，降低研发成本 ，提高研究效率。
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理 论研 究 苑
２宰６ 科２ 霸 Ｌ ０年 期 第 １
太阳能光伏 电池模拟器 的研究
张 广 宇
（ 河南理１ 大学 ，河南永城 ４ ６ ０ ７ ６ ０）
摘 要 太阳能作为一种不会 枯竭 的清 洁能源得到很多 闰家的重视 。光伏阵列作 为光伏 系统的 主要组 成部分 ，是将 太阳能转换成 电能的装
３ 光 伏 阵列模拟 器 的硬件设 计及 控 制 电路 设计
光伏阵列模拟器在困内外都有研究 ， 国的合肥工业大学 、西安交 我 通大学 、 浙江大学 、中科院电工所等单 位都开发 了基于不同工作原理的 模拟器 ， 这些模拟器实现了对光伏阵列的很好模拟。通过研究发现，这 些模拟器有的制造成本较高，有的模拟效率较差 ，不能实现成本和效果 的完美结合。本文在数字式模拟器跟踪负载工作点的基础上 ，提出一种 使用模拟电路跟踪负载工作点的设计思路。
光伏 阵列模拟器主要就是能够跟随负载的＿作点 ．使模拟器在不同 『 的负载下能够输 出满足光伏阵列特性的输 ｍ特征。对于不同的负载 ，Ｔ 作 点和阵列的输 出功率不 同，即使是同一个负载 ，在不 同的 日照强度 、 不同的温度等环境条件下 ， 静态Ｔ作点也各不相同。因此 ， 确定光伏阵 列模拟器的静态工作点是开展光伏阵列模拟器研究的关键环节 。本文结 合传统 的光伏阵列模拟器的确定负载～作点 的方法 ， ｒ 采用硬件搭建的方 式实现太阳能电池输 出电压和输出电流曲线 。
即 可
用 电脑故 障诊断仪检测 ， 障代码 为Ｂ ３６ 故 １４ 。主气囊 回路电阻过高； 由故障代码发生在Ｅ Ｕ Ｏ Ｃ Ｉ 、１脚至驾驶员气囊 的回路 中。检修方法 ： ｌ 断 电３ 秒钟后 ，拆卸安全气囊时发现 ， ０ 螺旋 电缆上部的小黄插头没有捕到 位 ， 重新插接 ，对气囊控制单元Ｅ Ｕ 经 Ｃ 清除故障码 ， 故障排除。气囊模 块的判定正确做法 ：用一阻值２ 欧的电阻模拟气囊模块，查看系统能否正 常 ＝ ｒ 作来断定气囊模块的好坏 ，切记不 能用＝用表去测气囊模块。 ｉ 用电脑故障诊断仪检测 ，故 障代码为Ｂ１２ ，Ｅ Ｕ ６ ０ Ｃ 内部故 障。检修 ： ＳＳ Ｒ 控制器内有故障代码Ｂ ６０ １２ ，需更换新件 。 诊断仪无 法通讯 ：首 先诊断仪必须 升级 ，不能使用 限次版的诊断 仪 ，必须使用ＷＵ ４ 专用诊 断插头 。其次查找Ｅ Ｕ 脚至１ 头Ｉ脚 一３ Ｃ 第９ Ｔ插 开 ２ 是 否通路 ，特 别要查看Ｔ 形插头 ｌ ２ 脚插 接件 的好坏 ，是 否脱落 、 生锈 、 氧化 、接触不 良，最终造成无法通讯。
３２ 光伏阵列模拟器控制电路的设计 ． 根据传输信号种类 的和大信号模型 。其 中小信号模型是设计Ｄ ／Ｃ ＣＤ 变换器 的有 力模 型，主要用来分析低频交流小信号分量在变换器 中的传递。本文通过对 半桥变换器进行建模 ，忽略开关管的导通电阻 ，忽略滤波电感和变压器 的漏感等影响 ， 得到交流小信号 的状态方程与输 出方程。 理想的开关电源系统在低频段 的稳态误差 为零 ，在中频段 ，系统的 相应速度和穿越频率相关 ，但是频率较 大时超调量也越大 ，为了抑 制 高频分量 ，确保系统的稳定工作 ， 需要在中频段附加一个斜率下降的频 段 ，这样既能限制较高的穿越频率，又能降低中频段的增益 。为了避免 附加的频段带来相位滞后 ，附加的频段通常不能太长 ，理想 的附加频段 的数值是—Ｊｄ ／ ｅ ４ ｄ 。 ０Ｂ ｅ
５ 结 束语 本 文基于安全气囊 的丁作原理和结构 原理 ，对猎豹Ｃ Ａ ４ ０ Ｆ ６ ７ 系列车 型安全气囊系统 常见的故障做出了详细的归纳和总结 ，并提 了常见故 障的系统性检测及维修方法 ，可 以很好 的指导检查和维修 。
参 考文 献 ｆＪ ｌ 潘承炜 ， 汽车安 全气囊检 测［ ． 京： Ｍ１ 北 人民交通 版社 ， ０ ． ２ ７ ０ ［】 ２陈国庆 ， 汽车安全 气囊 系统 维修技 术［】 京： 京理 工大学 出版社， ０． Ｍ北 北 ２ ９ ０ ［］ ３赵福堂 ． 汽车电器 与电子设 备（ 版）Ｍ］ 第２ ［ ． 北京： 理 １ 北京 大学 出版社，０５ ２０
３１ 光伏 阵列模拟器的硬件设计 ． 本文从以下几个方面详细阐述光伏阵列模拟器的硬件设计。 ３１１功率电路的设计。 ．． 动 率 电路的设计是实现光伏阵列模拟器的基础 ，功率 电路设计的结 果将关系到模拟器的稳定性 、 可靠性 ，由于太 阳能电池 是一个非线性 的 特殊的直流电源 ，因此功率电路的设计要满足以下几个方面的要求 ： １ 电路稳定安全 ，并且要具有完善的保护电路 ，例如过乐保护 、 ） 过流保护等 。 ２）电路要具有很好的动态性能 ，能够根据不同的负载变化 ，尽快 地达到最佳工作点。 ３）主电路 的输 出能够在一定的范围内连续 、稳定的变化。 由于本 文设计的光伏阵列模拟器输入 电压是２ ０Ｖ，工作频率是３ ，输 出电压 ２ ８ｋ 范 围是 １０ ２０Ｖ ０ Ｖ～ ０ ，输出电流范 围是０ ７ 。在功率电路 的设计 中采 ～ Ａ 用半桥式的电路高频变换器，Ｅ 型铁氧体材料的变压器 ， Ｏ 管采用 Ｅ Ｍ Ｓ 菱公 司的２Ｋ ８芯片 ， Ｓ １３ 选择２０ ５ 的滤波电容 ，驱动 电路采用安森美 ２／ ０ ４ Ｖ 公 司的Ｎ Ｐ １１ Ｃ ５ ８的半桥驱动芯片。 ３１ ．． ２太阳能电池特 ｌ产生电路 的设计 。 生 太阳能 电池杼 ｌ 生电路的设计主要考虑 以下几个方面。 １ 开关管开关 时间的选择和优化 。为 了使光伏阵列模拟器能够很 ） 快地跟随负载 的改变转换到新 的工 作点 ，则需要控制关 开关 的导通时 间 ，整个周期时问不能太长 。 ２ 控制驱动电路 的设计 。本文采用 门极驱动光耦Ｔ Ｐ ５ 直接驱动 ） Ｌ ２０ Ｍ Ｓ Ｅ ，为了满足本文设计 中太阳能电池样品的技术参数 ，Ｍ Ｓ Ｅ 选 Ｏ ＦＴ ＯＦＴ 用 ＳＰ ５ Ｆ 芯 片 。 Ｔ ７Ｎ ＇ ７ ３ 采样滤波及逻辑控制电路 的设计 。采样 比较模块 的ｌ ） Ｔ作原理 是 把模拟器 的输出电压和特性 电路的输出电压进行 比 ，比较器的下降沿 较 产生控制信号 ， 模拟器的输出电压和特性 电路的输出电压相等时的输 出 电流作 为模拟器跟随电路的参考值 。 逻辑控制模块 的设计 是把采样得到的电压和电流作 为模拟器的参考 电压和电流，模拟器的实际输 出作为反馈的电 和电流 ，由逻辑控制单 元控制模拟开关。太阳能电池的开路电压和短路 电流采用峰值检波电路 进行检测。为了排除各种高频信号对模拟器造成的影响 ， 采用二阶低通 滤波器对输入电压采样 电路进行滤波。
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应用方法论
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３ 秒钟以上才能对安全气囊和相应部件进行拆解和维修 。 ０ ３ 拆卸注意事项 ：进行任何拆卸工作前 ， ） 应先进行 下列操作 ： ①先 接通点火开关 ， 检查仪表板上安伞气囊指示灯 Ｔ作是否正常；②关闭点 ｜ 火开关 ， 出钥匙 。断开蓄电池正极 ，等待２ ｉ 拔 ｎ ｍ 以上 ，如果安伞气囊指 示灯工作异常 ， 断开蓄电池正极后应该等待 １ ｍ ｎ 再进行操作 。 ０ ｉ， 拆卸转 向盘时 ，应使用专用 ｒ 具将转向柱锁定在 “ 向前”的位置 ，以保证控 直 制装置和螺旋线束在安装 中不会被损坏 ；⑧只能安装与原车零部件编 号 相 同的配件 ，点 火器是有失效期的 ，要遵守配件上注明的使用期限 ；④ 接通蓄电池后 ，打开点火 关时 ，维修人 员不要将身体放在安全气囊打 开的轨迹之内；⑤安装完毕后，检查安伞气囊指示灯运行是否正常。 ４）常见故 障代码见表１ 。 ５）猎豹Ｃ Ａ ４ ０ Ｆ ６ ７ 系列汽车Ｓ Ｓ Ｒ 安令气囊 系统Ｅ Ｕ Ｃ 接线 ，见 ２ 。 ６ 故障案例 ：安伞气囊故障灯常亮 ） 用 电脑故障诊 断仪柃测 ，故障代码 为Ｂ ５０ ｌ１ 。由故障代码分 ２０ 、Ｂ ｌ ｌ 析 、推断 ，可能是 由于电源电压过高 ，烧毁 了Ｓ 指示 灯 ，后 经修复。 ＲＳ 换新指示 ．‘ 上 ，电路 系统 回复 。但 没有对控制器 Ｅ Ｕ内的故障码清 除。 】 Ｃ 检修 ：用 电脑故障诊断仪ｗｕ ２０ ，专用插头ｗｕ ４ Ｘ 该车控器Ｅ Ｕ 一０ ２ 一 ３， ］ Ｃ 进行故障码 清除 ，气囊灯熄 灭 ，气囊 系统 回复正常 。如遇到故 障码 为 Ｂ ５０ １ １ 、 １ １ 、Ｂ ３ ７ １４ 、 １４ 的故障车 ，均不需要换 ２０ 、Ｂ １ １ Ｂ １２ １４ 、Ｂ ３ ８ Ｂ ３ ９ 件 ，只要对故障码所对应的部位做适 当的修复 ， 使该 回路能正常工作 ， 故障码清除 ，气囊灯熄灭 ，气囊系统 回复正常。针对Ｂ ３７ 障码的检 １４ 故 修 ，成回路 电阻低的原因是：捅入气囊发生器 内，无法将发生器捅孔 内 黄色环形圈 中的短路片打开 ．这时 ，只要将环形 圈内短路片做适当修 复
置。 日前光伏 阵列由于制造成 本高 、效率 低 ，占地面积较大不适 合科研机 构购买开展光伏 系统的研究 ，因此 ，设计一个 能够模拟光伏 阵列 在各种环境下 Ｉ 的模拟器 就非常必要 。本文在数字式模拟器 跟踪负载 作 点的基础 卜，提出一种使用模拟 电路跟踪负 载 Ｉ 作 作点的设计 思 路 ，并且重点 阐述了光伏阵 列模拟器 的硬 件设计及控制 电路设 计。 关键 词 光伏电池 ；模 拟器 ；硬件设计 ；控制 电路设计 中 图分类 号 Ｔ ６５ 文献 标识 码 Ａ 文 章编 号 １７—６ １（ １） ２ ０９ — １ Ｍ １ ６３９ ７一２ ２０ — １０ ０ ０ ３
２ 光 伏阵 列模 拟器 的系统 结构 及其 工作原 理
２１ 光伏 阵列模拟器的 系统结构 ． 光伏阵列模拟器为了完成对光伏阵列输 出特性的模拟 ，首先应具有 以下＿ １个方 面 的要 求 。 １ ）当外 电路负载一定时 ，光伏阵列模拟器在 作 点上保持可靠 、 稳定的输 出。 ２）当外 电路负载改变时 ，光伏阵列模拟器能够快速过渡到新 的Ｔ 作点并稳定。 ３ 。 的输 出电压和 电流在满足关系 的前提下 ，能够满足试验需 ） 系统 要的功率 。 光伏阵列模拟器一般又 两部分组成 ，即功率电路和控制 电路 。功 率 电路又可分为整流 电路 、 直流变换 电路和第二级的Ｄ ／Ｃ ＣＤ 直流变换 电 路 。控制电路由检测电路 、 采样电路 、 滤波电路 、 隔离电路 、 驱动电路 等组成。 ２２ 光伏阵列模拟器的工作原理 －