关于太阳能电池阵模拟器的设计

温条件下exp[Um/（C2Uoc）]）1，因此可忽略式中的"- 1"项，解出：

　　注意到开路状态下，当I=0 时，U=Uoc，于是有：

　　可见，该模型只需输入太阳电池通常的技术参数Isc，Uoc，Im，Um，即可求出C1 和C2。从Isc，Uoc，Im，Um的变化中可体现出光照强度和电池温度的变化。工程应用中可通过实测曲线来设置这4 个参数，亦可通过近似的函数来描述这组参数的变化。通常可近似认为Isc，Uoc 分别随温度和光照强度呈线性变化。

　　3 太阳能电池阵模拟器的设计

　　3.1 总体结构

　　太阳阵模拟器本质上是一个电源，其输出端的I-U 特性曲线能够模拟太阳电池的I-U 曲线特性。模拟器带有与计算机接口，可根据计算机给定的太阳电池阵特征参数进行设定。

　　为了较真实地模拟实际电源系统，并使仿真系统具备测试功能，太阳阵模拟器要以太阳能电池电路为基本单位，以多个模块并联的形式构成。对于卫星电源系统，一般每个卫星拥有两个太阳翼，每个太阳翼有多个同种或不同种太阳能电池阵列并联构成，同时由于输出调节的需要，每个支路模块还分为上、下两段。因此，模拟器的设计应以每个分段为模块，通过多个模块的串并联实现对卫星电源阵的模拟。图4示出太阳电池模拟器的系统框图。

　　每个支路由两个模拟器模块组成，上段和下段之间接分流调节器，每个支路通过隔离二极管接到直流母线上。要求每个模块的状态可以单独设置，以模拟电池阵光照不均匀的状态以及某些支路出现故障的状态；同时还可以快速更新所有支路的工作条件，以便在环境变化时进行快速模拟。

　　3.2 I-U 特性曲线生成模块

　　图5示出设计每个模块的结构。

　　考虑到实际工作环境可能比较恶劣，且温度和日照条件均变化较快，因此采用模拟器件来实现曲线的生成电路，以加快响应速度。通过高精度D/A将接收到的数字参数给定转换为模拟值给定。

　　根据太阳能电池的数学模型，太阳能电池的输出I-U 曲线是在一个恒定电压下减去一个二极管的I-U 特性曲线，对此，可采用如图6所示的太阳电池输出I-U 曲线模拟电路进行模拟。

　　由图可见，输入包括开路电压和短路电流的给定，由这两个参数就能确定太阳能电池的工作状态。

　　太阳能电池的非线性特性主要由模拟器件来实现，不同的曲线对应着不同特性的二极管和其他电阻电容参数的选择。

　　开路电压和短路电流由外界环境条件所决定。

　　根据太阳能电池的工程模型，短路电流近似等于太阳能电池的光电流，主要由光照条件所决定，而开路电压则近似为电池温度的一个线性函数。因此，光照条件和电池温度就可以简单地通过这两个参数的设置得到反映。

　　可以看出，当反馈电压小于给定的Uoc 的参考值，放大器A1 输出为负，二极管由于反偏截止，A2的输出就只能由Isc 决定，整个电路输出电流就为短路电流。当反馈电压增大，能使A1 的输出为正，二极管正偏导通，A2 的输入则随二极管电流的增大而增大，输出则随之减小。由于二极管的电压电流是指数关系，利用这一关系进行设计，使电流的减小量作为输出电压的函数，并通过选择合适特性的二极管，就能很好地模拟太阳电池阵的I-U 曲线。

　　3.3 功率输出部分

　　采用图7所示的功率放大电路，对前面产生的输出特性进行放大，电路采用了电流负反馈的形式，通过简单的调节来跟踪模拟器的输出电流。电路设计上采用了P 沟道的MOSFET，设计成输入越大，输出电流越小的形式，这样整个电路的输出电流将随二极管压降的增大而减小。当所需的输出功率较大时，可以采用一组该电路进行并联，由于MOSFET的负温度系数特性，实现了输出时的自然均流。同时在负载上并联了电容Co，以模拟太阳能电池的节电容。为了保证每个MOSFET 支路不因短路而发生故障，需在每个MOSFET 支路上安装一定容量的保险丝，以确保整个模拟器的安全。太阳电池阵模拟器的每个主阵支路模块拥有支路输出、抽头点输出和功率地3 个对外功率接口端子。

　　4 实验结果

　　根据上述太阳能电池单体模型仿真电路，进行了I-U 特性曲线的Pspice 仿真及实际电路测试。在测试中，每组实验采样60 个点，然后拟合作出曲线图。图8 示出光照条件和温度条件变化时电池的I-U 特性曲线波形。

　　（1）光照条件变化时的电池I-U 特性参数设定：温度参考电压UT=- 5.11V；光照参考电压UE1=3.54V，UE2=2.06V，UE3=1.08V。不同UE 对应不同的光照条件。

由图8a 可见，UT 固定不变，随着UE在实验中，对两台逆变器的连线阻抗设置了一定差值，图5 示出两台逆变器并联，接入交流母线时输出电流io 的实验波形。实验结果显示，在逆变器进入并联系统时，瞬时均流性能较好，动态响应很快，并很