光伏模拟器设计概述

　　光伏模拟器是一种可编程电源，旨在模拟太阳能电池板的特性。

　　光伏模拟器模拟不同环境条件下的电流-电压曲线。这是在不使用实际光伏 (PV) 面板或用于数据监控和数据采集的外部设置的情况下完成的。

　　用户可以输入所需的规格来模拟太阳能电池板的特性并使用实际的电力输出。这可以模拟多种环境条件，包括部分阴影条件。当无法使用实际的光伏面板时，这些模拟器还可以作为研发 (R&D) 活动的重要工具。

　　光伏模拟器概述

　　不同形式的能源需求不断增长，尤其是风能、太阳能和地热等可再生能源。自 1860 年以来，太阳能的利用一直是一个活跃的研究课题。由于分布式发电和智能电网的重要性日益增加，太阳能系统越来越受到关注。多项研究和开发工作基于光伏能源的有效利用。太阳能电池阵列产生具有非线性特性的直流输出，该特性随温度和辐照度的变化而变化。对于太阳能系统的高效设计，模拟实际光伏特性的光伏模拟器是必不可少的。

　　即使在太阳能光伏系统安装并投入使用后，仍然需要调查和解决几个持续存在的问题，例如光伏系统的可靠性、发电分析以及由于部分遮蔽导致的电网效率。为了克服这些问题，验证需要可重复、可扩展且稳定的 PV 源。这凸显了实施 PV 仿真器的必要性，该仿真器可在各种​​气候条件下模拟功能性 PV 模块的电流-电压 (IV) 输出特性。

　　由于光伏系统技术的不断发展和价格的降低，太阳能已经占据了很大一部分市场。光伏模拟器是一种有用的工具，可用于估算由于日光时段而造成的电力损失，而光伏板具有固定位置。有多种方法可用于实现太阳能 PV 仿真器，包括各种电源转换器拓扑，例如 DC-DC 降压转换器和 DC-DC 升压转换器。其他方法基于修改可编程直流电源，使直流电源的内阻随输出电流呈指数变化。

　　光伏模拟器的工作原理

　　在过去的几十年里，人们对太阳能光伏模拟器的各种方法进行了广泛的研究。这包括三十多年来与光伏电池、模块和阵列仿真器相关的研究。第一个光伏仿真器原型是基于模拟电路开发的。在接下来的几年里，许多研究都围绕与电场相关的技术展开，但对太阳能光伏模拟器的研究也在不断发展。通常，太阳能 PV 仿真器包括三个部分，即 PV 模型、控制策略和功率级，如图 1 所示。

　　图 1. 太阳能光伏模拟器的组件

　　这些太阳能光伏模拟器根据其功率范围和光伏模型表示进行分类。很明显，光伏电池及其建模是任何光伏仿真结构的关键方面。无论模型有多复杂，其目的都是从 PV 仿真器获取所有操作条件下的数据，该仿真器基本上非常接近地模拟真实太阳能电池的行为。

　　多年来，建模已经从基本的 ISDM 模型发展到基于电阻和基于两个或三个二极管的模型。一般来说，随着模型复杂度的增加，需要更多的参数来模拟必要的系统行为，因此需要更多的计算时间和复杂的算法来生成所需的输出。

　　类似地，已经研究了几种控制策略，从采用比例积分 (PI) 调节器和功率转换器动态特性来确定工作点的直接参考方法开始。尽管这种常用的方法很简单，但外部因素的大小不正确会导致仿真器输出出现显着振荡。为了克服这个问题，选择了固定步长占空比方法。

　　此外，还探索了混合控制模式以提高太阳能光伏模拟器的动态性能。这导致减少的振荡和改进的性能，但增加了与控制算法相关的费用和复杂性。其他方法包括电阻比较法、基于模拟的方法和基于曲线拟合的方法。另一方面，功率级可以与开关或线性组件连接。然而，一般而言，太阳能光伏仿真器设计选择的快速性、效率、稳健性和复杂性之间总是存在折衷。