引言
太阳能是化石能源的主要替代能源之一，且清洁无污染、资源丰富。太阳能发电是直接将太阳的光能转变成电能，这是有效利用太阳能的方主要形式。太阳能发电系统分为离网发电系统、并网发电系统及分布式发电系统。其中并网和分布式发电功率都已经向大功率发展，一般都几百千瓦到几十兆瓦，甚至达到上百兆瓦。此系统使用的光伏阵列也经过多级串并联，同时所使用光伏逆变器功率等级也提高到了100kW~1MW。这就要求大功率的模拟光伏电源来模拟串并联后光伏阵列，达到所需要的功率等级。给光伏逆变器提供直流供电，同时具有光伏电池的特性，完成对光伏逆变器性能的测试。
本文介绍了一种大功率光伏模拟电源，来实现对光伏阵列MPPT功能的模拟。
1 光伏电池工作原理
光伏电池实际上就是一个大面积平面二极管，其等效的实际电路模型如图1。
图中RL为外接负载电阻，UL为负载电压(即光伏电池的输出电压)，IL为负载电流(即光伏电池输出电流)。
Isc代表光子在光伏电池中激发的电流，这个量取决于辐照度、电池的面积和本体的温度。
IVD(二极管电流)为通过P-N结的总扩散电流。
Rs和Rsh为光伏电池固有电阻，Rs为串联电阻，Rsh为旁路电阻。
根据图1，可以得出负载电流IL为
(1)
(2)
因为串联的R很小、并联的Rsh很大，所以进行理想电路计算时，可以忽略不计，因此理想的光伏电池特性为
(3)
由公式(3)可以得出光伏电池的U-I特性曲线，如图2所示。此曲线为光伏电池的外特性即输出特性，这是光伏发电系统设计的重要基础。
可以根据U-I特性曲线绘制出功率和电压P-U曲线，如图3所示，以便于精确的确定最大功率点。
2 系统功能设计
2.1 硬件电路设计
大功率光伏模拟电源由万能断路器Q1、变压器T1、整流电路和BUCK降压电路组成，如图4所示。
其中变压器为多抽头输入、3绕组输出800kVA干式裂解变压器，输入抽头可以选接三相420Vac、三相400Vac、三相380Vac;输出3个绕组第一个绕组与第二个绕组相序相差15°，第二个绕组与第三个绕组相序相差15°，3个绕组额定输出电压都为270Vac。采用该种变压器主要是为了减小整流电路对电网谐波的影响。
整流电路采取二极管半桥整流，本系统采用3个整流电路串联结构，用来将整流输出电压提高3倍。图4中的V1、V2、V3为整流电路。
每个整流电路由3个熔断器、3个整流模块和滤波电容组成，如图5所示。
本系统整流输出最大电压
(4)
其中K为变压器变比，Uin为变压器输入电压。
当变压器在额定电压工作时，URmax=1145Vdc。
BUCK降压斩波电路由3组IGBT模块(每个IGBT模块由2个IGBT和2个反向二极管组成上下管)和3个电抗器组成。IGBT功率模块G1和电抗器L1构成一组降压电路，同样IGBT功率模块G2和电抗器L2、IGBT功率模块G3和电抗器L3构成另外两组降压电路。3组降压电路最终并联到同一直流母排上，经过电容滤波后完成并联输出。
2.2 控制原理设计
如图4，使用采样电路分别采集输出直流电压Ud及每个降压电路电抗器上的输出电流i1、i2、i3，经过FPGA处理后，送入DSP进行运算。DSP按照公式(3)计算生成PV曲线，算出给定的输出电流id*，输出电流i1、i2、i3相加算出总电流id，id*与id经过PI运算，算出脉冲占空比给定到IGBT模块驱动电路，完成闭环控制。其中控制每个IGBT下管都不导通，上管每个控制周期内轮流导通。这样可以减小输出电压的纹波。
2.3 算法和软件实现
根据光伏电池的U-I特性和光伏模拟电源的自身参数，按照公式(3)，整理得电流给定Id*：
(5)
(6)
其中，
根据公式(5)和公式(6)绘出如图6所示，光伏特性模拟框图。powE为指数函数ex。
如图7所示，将算出给定电流Id*和Id(输出电流i1、i2和i3相加的总电流)，使输出电流Id按照给定电流Id*进行PI调节，生成脉冲调节所需的给定UDR。再经过软启动过程，对母线电容进行充电，完成输出直流电压的过程。
将经过DSP计算后的给定UDR输出到FPGA中的脉冲生成模块中。该脉冲生成模块，是采用三角载波与给定数值进行比较的方式实现的。三个三角载波的起始位置，分别在同一个控制周期的0时刻、1/3T时刻、2/3T时刻，这样就可以实现生成PWM脉冲轮流控制，如图8所示。
当给定数值小于三角载波时，该处脉冲即为高电平，三个三角载波分别和给定进行比较生成波形。IGBT功率模块G1上管的PWM脉冲波形，如图8中的曲线2所示; G2波形如图8中的曲线3所示; G3波形如图8中的曲线4所示。可以看出，G1，G2，G3为轮流导通，这样可以减小IGBT的开关损耗及输出电压的纹波。
3 试验验证
采用该设计原理研发的500kW光伏模拟电源由柜体、外置变压器、显示液晶屏等部分组成。如图9，左侧为光伏模拟电源柜体，右侧为光伏模拟电源运行时液晶屏显示主界面。柜体包括整流柜和调制柜，整流柜主要完成交流电压到直流电压的整流功能;调制柜主要实现直流输出电压按照光伏特性曲线变化。柜内关键元器件都采用国内外知名厂家产品，可靠耐用。该光伏模拟电源最大可模拟的光伏电池开路电压为1000VDC，最大功率为500kW。同时可以根据用户的要求修改光伏特性曲线的参数，模拟不同光照及温度变化等环境变化情况。并且该光伏模拟电源有电网过压、直流过压和欠压、电流过流、IGBT驱动故障等各种故障保护，可以保证电源的安全使用，也可以保证被测逆变器的安全。
通过调试测试，记录光伏模拟电源单个桥臂IGBT上管压降和电流的波形，如图10所示。绿色波形为IGBT模块上管压降，黄色为该桥臂电流波形。输出电压经过电容滤波后，通过一个保护二极管后接到被测光伏逆变器。
4 结论
基于该设计方法研发的光伏模拟电源可以按照光伏特性曲线运行，对500kW及以下功率等级的光伏逆变器完成MPPT功能测试，同时可以提供逆变器所需的直流供电，对逆变器进行功率测试。为大功率光伏逆变器的研发提供了试验平台，也为光伏逆变器产业化提供了出厂测试平台。
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