一种应用于太阳能电池阵列模拟器的I-V外环控制方法与流程

本发明涉及太阳阵模拟器技术领域，尤其涉及一种应用于太阳能电池阵列模拟器的i-v外环控制方法。

背景技术：

现有技术中，已有的太阳能电池阵列模拟器内部i-v外环的实现方法，主要分为两大类：其一，是采用数字式i-v外环的实现方法，绝大多是的模拟器产品均是采用该数字i-v外环的实现方案。其二，则是采用信号级模拟硬件实现方法来完成模拟器的i-v外环控制。

采用数字式i-v外环的控制方法一般采用数字查表法或实时模型计算的方法等。数字查表法的实现方法为采样模拟器输出端电压或电流信息，通过查找对应的数据表格，从而输出对应的电流或电压指令信息，从而控制模拟器输出的功率电压或电流。查表的类型可以是ui数据表，iu数据表或是ri数据表。而数学模型实时计算的方法则是采样给定当前状态模拟器输出的电压或电流信息，通过数字控制器进行实时模型计算，得出当前控制周期的期望指令信号，从而控制模拟器的功率输出情况。采用数字式i-v外环的好处是可以方便灵活的设置不同的i-v功率曲线输出，也可以方便地实现任意形式的i-v功率曲线输出，从而实现太阳能帆板遮挡，空间状态太阳能电池帆板自旋等多种形式的功率输出，对被测设备的测试更加全面，更加符合实际应用的工况条件。

采用模拟硬件i-v外环的控制方式是指采用信号级硬件电路的方式实现等效二极管或太阳能电池单体的i-v信号曲线输出，功率硬件环节将对应的信号级i-v曲线进行功率放大，实现对应二极管或太阳能电池片特性曲线相对应的i-v功率曲线输出。采用该外环控制方法，只能模拟单一的硬件二极管或某一特定的太阳能电池单体对应的输出特性，但是实现成本相对较低，适用于对被测设备的曲线多样化要求不高且需要便携方便测试的工业应用场合。

电流输出型太阳阵模拟器为了保证模拟器在设定i-v曲线的恒压区域具备良好的电流控制线性度，将电压电流关系表格转化为阻抗电流数据表格，来获得良好的电流控制线性度。传统阻抗电流式查表外环控制方法主要包括传统ri查表法以及原点投影式rmi查表法。其中采用传统的ir查表法方式如下图1(a)所示，即提前生成所需设定曲线的ri数据表格。其i-v曲线与输出工作点的阻抗关系曲线如图1(a)所示。工作点a(ua，ia)在设定的i-v曲线上，所对应的阻抗即为ra。当ra往i-v曲线的恒流区域移动时，ra逐渐减小并趋于0欧；当ra往i-v曲线的恒压区移动时，ra逐渐趋于无穷大。而一般会在ri表格中设定一个rmax，故模拟器无法正常实现开路功能的输出。

而相应的原点投影式rmi查表法，即将设定的i-v曲线原点(0v，0a)移动到一个新的原点(-uoc，-isc)，如图1(b)所示，并且在该新原点的等效坐标系下，去进行等效rm的计算，得到一个高度线性化的rmi表。相比于传统ri查表法，原点投影式rmi查表法的优势可以通过一个具体的i-v曲线示例来说明，设定i-v曲线参数为uoc＝120v，isc＝20a，ump＝105v，imp＝15a，根据i-v曲线的指数模型可以计算出ui曲线数据如图2所示。由图2(b)可以看出，传统的ri查表法对应的曲线中，随着曲线工作点越接近开路工作点，r值逐渐趋于无穷大，且图2(b)限定了阻抗r的最大值为2000欧。而由原点投影式rmi查表法所对应的曲线，图2(c)可以看出，其中存在等效阻抗rm的最大值和最小值，其r’m_min＝3欧，r’m_max＝12欧，其余的所有i-v曲线上的等效工作点阻抗rm均在r’m_min和r’m_max之间，且数据单调下降。

对比两种传统式阻抗电流式查表法，可以得出原点投影式rmi查表法将设定的工作i-v曲线的非线性程度在整条i-v曲线上都大大降低，有利于模拟器i-v外环的稳定控制，故可以实现高填充因子的i-v曲线模拟。

但是原点投影式rmi查表法同样存在以下三个问题：

(1)原点投影式rmi查表法存在稳态i-v曲线输出在曲线斜率过大条件下，会出现明显的“滞回”曲线现象，如图3(a)所示；

(2)原点投影式rmi查表法不同斜率的i-v曲线模拟精度较差问题，如图3(b)所示；

(3)原点投影式rmi查表法在输出cv切载收敛目标工作点速度慢的问题，如图3(c)所示，使得未经过优化的原点投影式rmi查表法不适合应用于航天器电源测试环境下工作点切换的工况条件下。

技术实现要素：

针对以上技术问题，本发明公开了一种应用于太阳能电池阵列模拟器的i-v外环控制方法，简单有效，具有高线性化高速切换收敛特性，解决了一般的外环控制方式无法实现高填充因子以及高斜率的i-v曲线的模拟。或者是为了实现该高斜率曲线的模拟功能，添加了复杂的硬件电路结构，并且存在pcu切换测试条件下无法快速收敛到切换目标工作点的问题。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种应用于太阳能电池阵列模拟器的i-v外环控制方法，所述太阳能电池阵列模拟器包括数字i-v外环控制器，所述数字i-v外环控制器采用hlfc-rmi表作为i-v外环查表控制的目标表格进行外环控制，并且在实时i-v外环查表控制的过程中，将实时采样的模拟器输出端电压usas，实时进行rm线性化计算，在进行实时查表，得到目标工作点电流值进行模拟器的功率硬件单元的功率电流值的控制，从而实现对高斜率i-v曲线的模拟。

其中hlfc-rmi表采用方法得到：

将设定的i-v曲线原点(0v，0a)移动到一个新的原点(-uoc，-isc)，其中，uoc为用户设定的i-v曲线的开路电压值，isc为用户设定的i-v曲线的短路电流值；

在新原点的等效坐标系下，进行等效rm的计算，得到一个hlfc-rmi表，其中，rm满足式(1)的要求：

其中，rm为hlfc-rmi查表法的等效阻抗计算值；

k为hlfc-rmi查表法电压电流曲线转化为阻抗电流曲线的线性化系数；

usas为太阳能电池阵列模拟器实时输出端电压值；

isas为太阳能电池阵列模拟器实时输出端电流值。

采用此技术方案，不需要添加任何辅助硬件电路，就实现了对高斜率i-v曲线的模拟。该控制方法不仅解决了原点投影式rmi查表法的线性度不理想的问题，同时保证在工作点切换的工况条件下，具备快速收敛到目标工作点的特性，更适用于航天器电源测试的应用场合。

在航天器电源设备测试领域的工作点切换的过程中，只要模拟器i-v外环控制器的软件查表的周期时间尽可能短，在整体硬件功率电流控制的速度是相差不大的，可以近似得到ui查表法等效的高速收敛特性，继承了传统ui查表法的切换快速收敛的特性。

作为本发明的进一步改进，采用hlfc-rmi查表法的当前q周期实时等效电阻采用式(2)计算得到：

其中，q-1为上一个查表周期；q为当前查表周期；usas(q)为当前q周期的采样的电压值；isas_ref_da(q-1)为数字i-v外环控制器上一个查表周期送给线性硬件电流源单元的控制指令目标电流值。

作为本发明的进一步改进，rm的最大值rm_max满足式(3)的要求：

其中：rm_max为hlfc-rmi查表法等效最大阻抗值。

作为本发明的进一步改进，线性化系数k值满足式(4)的要求：

其中，ump为用户设定的i-v曲线的最大功率点电压值；imp为用户设定的i-v曲线的最大功率点电流值。

hlfc-rmi查表法的投影原点始终在纵轴上移动(0，-k.isc)。那么，该处存在一个最优的线性化系数k值，如式(4)计算得到，选取该最优线性化系数k值，最大功率点的等效阻抗rm大致占有一般的1/2rm_max值，即可保证电压usas也可保证电流isas对rm均具备一个较好的线性度。根据最优线性化系数k的参数表达式，每一次设置的特定i-v曲线，都存在对应的最优rm_max值，以及线性度都较高的isasvs.rm和usasvs.rm曲线，既可保证rm_max具最优值，且isasvs.rm和usasvs.rm曲线均具备良好的线性度，有利于i-v外环控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

采用本发明的技术方案的hlfc-rmi查表的外环控制方法，在无需添加额外复杂硬件电路的基础上，通过软件查表的方式，方便实现了高斜率i-v曲线的线性化过程，并且同时具备pcu测试环境下工作点切换的快速收敛特性。在相同的目标i-v曲线设定的条件下，对应的ui曲线与线性化后的rmi曲线后者具有明显的线性度，有利于功率硬件单元对的电流控制的稳定性。

附图说明

图1是现有技术传统阻抗电流式查表法的等效阻抗工作点与i-v曲线之间的关系示意图；其中(a)为原始ri查表法，(b)为原点投影式rmi查表法。

图2是现有技术在相同设定i-v曲线条件下两种传统阻抗电流式查表法对应的曲线形式；其中(a)为所设定的i-v曲线；(b)为传统ri查表法对应曲线，(c)为原点投影式rmi查表法对应曲线。

图3是现有技术的原点投影式rmi查表法所存在的问题的示意图；其中，(a)为稳态i-v曲线存在“滞回”曲线问题的示意图，(b)为不同i-v曲线的模拟精度低的问题的示意图，(c)为动态工作点切换存在目标工作点收敛速度慢的问题的示意图。

图4是本发明的不同外环控制方法在恒压负载工作点切换条件下的收敛过程示意图；其中，(a)为原点投影式rmi查表，(b)为本发明的hlfc-rmi查表法，(c)为ui查表法。

图5是本发明的不同查表方法对不同斜率的i-v设置曲线所对应的的查表曲线对比图；其中，(a)为不同斜率i-v曲线对应的rmi查表曲线对比，(b)为不同斜率i-v曲线对应的ui查表曲线对比，(c)为不同斜率i-v曲线对应的hlfc-rmi查表曲线对比。

图6是本发明的不断改变ump值的两种查表法稳态i-v曲线对比图，不变条件为uoc＝35v，isc＝10a，imp＝9.5a；其中，(a)hlfc-rmi查表法ump＝28v；(b)为原点投影式rmi查表法ump＝28v；(c)为hlfc-rmi查表法ump＝30v；(d)为原点投影式rmi查表法ump＝30v；(e)为hlfc-rmi查表法ump＝32v；(f)为原点投影式rmi查表法ump＝32v。

图7是本发明的在两条满功率i-v曲线设定条件下，hlfc-rmi查表法和ui查表法对不同切线斜率i-v曲线的模拟对比图；其中，(a)为hlfc-rmi查表法最大切线斜率为0.9a/v，(b)为ui查表法最大切线斜率为0.9a/v，(c)为hlfc-rmi查表法最大切线斜率为9.1a/v，(d)为ui查表法最大切线斜率为9.1a/v。

图8是本发明在设定满功率i-v曲线条件下，不同查表法对恒压负载工作点a(0v，10a)和b(95v，4a)之间切换收敛速度波形对比图；其中，(a)我hlfc-rmi查表法工作点切换波形图，(b)为rmi查表法工作点切换波形图，(c)为ui查表法工作点切换波形图。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

一种应用于太阳能电池阵列模拟器的i-v外环控制方法，所述太阳能电池阵列模拟器包括数字i-v外环控制器，所述数字i-v外环控制器采用hlfc-rmi表作为i-v外环查表控制的目标表格进行外环控制，并且在实时i-v外环查表控制的过程中，将实时采样的模拟器输出端电压usas，实时进行rm线性化计算，在进行实时查表，得到目标工作点电流值进行模拟器的功率硬件单元的功率电流值的控制，从而实现对高斜率i-v曲线的模拟。

其中hlfc-rmi表采用方法得到：

将设定的i-v曲线原点(0v，0a)移动到一个新的原点(-uoc，-isc)，其中，uoc为用户设定的i-v曲线的开路电压值，isc为用户设定的i-v曲线的短路电流值；

在新原点的等效坐标系下，进行等效rm的计算，得到一个hlfc-rmi表，其中，rm满足式(1)的要求：

其中，rm为hlfc-rmi查表法的等效阻抗计算值；

k为hlfc-rmi查表法电压电流曲线转化为阻抗电流曲线的线性化系数；

usas为太阳能电池阵列模拟器实时输出端电压值；

isas为太阳能电池阵列模拟器实时输出端电流值。

其中rm计算公式的分子值尽可能小，同时分母的isas变化更加明显。

进一步的，且rm的最大值rm_max满足式(3)的要求：

其中：rm_max为hlfc-rmi查表法等效最大阻抗值。

hlfc-rmi查表法的投影原点始终在纵轴上移动(0，-k.isc)。那么，该处存在一个最优的线性化系数k值，既可保证rm_max具最优值，且isasvs.rm和usasvs.rm曲线均具备良好的线性度，有利于i-v外环控制。

对于最优线性化系数k值的选取，最大功率点的等效阻抗rm大致占有一般的1/2rm_max值，即可保证电压usas也可保证电流isas对rm均具备一个较好的线性度，即所求得的k值即为最优解，可解出最优解线性化系数k的参数表达式，如下式：

其中，ump为用户设定的i-v曲线的最大功率点电压值；imp为用户设定的i-v曲线的最大功率点电流值。

根据最优线性化系数k的参数表达式，每一次设置的特定i-v曲线，都存在对应的最优rm_max值，以及线性度都较高的isasvs.rm和usasvs.rm曲线。

下面针对hlfc-rmi查表法的收敛特性进行分析：

hlfc-rmi查表法相比于原点投影式rmi查表法另外一个优化性能，便是工作点切换的快速收敛特性。原点投影式rmi查表法，实时采样模拟器输出端电压usas和电流isas的值，并且实时计算该查表周期的等效阻抗用于进行查找已知的rmi表格。且结合上小节所提出的最优线性化系数，则优化型原点投影式rmi查表法的实时等效阻抗rm_pre的计算公式如下：

其中：q——为数字i-v外环的当前查表周期；

usas(q)——为字i-v外环的当前q周期，采样的电压值；

isas(q)——为字i-v外环的当前q周期，采样的电流值；

k——为设定i-v曲线的最优线性化系数；

rm_pre(q)——为当前q周期，添加最优线性化系数k的原点投影式rmi查表法所计算的等效阻抗。

在该等效阻抗计算公式条件下，可以大致推算出工作点切换过程中，收敛到目标工作点的具体收敛过程，从而可以推算收敛到切换目标工作点的收敛速度。其中原点投影式rmi查表法在恒压负载切换条件下，从短路工作点a(0v，isc)切换到i-v曲线上的额定工作点b(ub，ib)，其收敛过程示意图如图4(a)所示。

原点投影式rmi查表法在恒压负载工作点切换条件下的收敛过程，需要实时根据模拟器输出端电压usas和电流isas信息，去逐渐收敛到切换目标工作点，并且由于硬件功率电流的建立时间相对于控制的查表周期是十分缓慢的，进一步减慢了收敛到切换目标工作点的速度。

而本发明所提出的hlfc-rmi查表法，将实时等效电阻的计算公式进行改进，其时实等效阻抗的计算公式如下：

其中，q-1为上一个查表周期；q为当前查表周期；usas(q)为当前q周期的采样的电压值；isas_ref_da(q-1)为数字i-v外环控制器上一个查表周期送给线性硬件电流源单元的控制指令目标电流值。

即所提出的hlfc-rmi查表法，将等效电阻的计算所需要的电流值，采用上个查表周期送出去的控制目标电流值进行运算，恒压负载工作点切换的收敛过程如图4(b)所示。由于只需要实时采样输出端电压usas，而不需要实时采样模拟器实际输出端的电流值来计算等效阻抗，而是拿上一个查表周期送出去的控制目标电流进行等效阻抗的计算，故恒压负载切换收敛的过程为理论rmi查表收敛过程。整个切换工作点收敛过程，只需要控制器完成大致十几个查表周期时间，便可收敛给出最终目标恒压负载工作点对应的最终目标电流值。

由于航天器电源的分流架构切换工况，可等效为恒压负载工作点的切换，故收敛速度最快的为ui查表法，其切换收敛过程如图4(c)所示。当工作点由短路工作点a(0v，isc)切换到i-v曲线上的额定工作点b(ub，ib)，按照ui查表工作逻辑，直接送出工作点b对应的目标电流值ib便保持不变。模拟器输出端切换目标工作点电流建立过程属于硬件电流稳态建立时间。

hlfc-rmi查表法优越性能实验验证如下：

所提出的hlfc-rmi查表法相比于原点投影式rmi查表法和传统ui查表法，既保留了原点投影式rmi查表法对任意高切线i-v曲线的模拟，同时又解决了rmi查表法稳态i-v曲线模拟时i-v曲线恒压区域的“滞环”曲线问题，以及恒压负载工作点切换收敛于目标工作点速度过慢的问题。并且所提出的hlfc-rmi查表法具备了与ui查表法切换工作点收敛速度相近，接近于理想工作点收敛速度。

(1)hlfc-rmi查表法稳态i-v曲线模拟

hlfc-rmi查表法通过选取最优线性化系数k值，使得在设置每一条i-v曲线都具备一个最优的线性化程度，有利于控制器的i-v外环对目标曲线的稳定输出。通过选取该最优线性化系数，可以保证hlfc-rmi查表法解决原点投影式rmi查表法的对i-v曲线模拟精度不高的问题，和在i-v曲线的恒压区域存在“滞环”曲线的问题。hlfc-rmi查表法所生成的查表曲线是由uoc，isc，ump，imp四个参数决定，故理论上会具备更高的曲线模拟精度，得到不同查表法所对应使用的目标查表曲线对比如图5所示。

由图5可以看出，采用hlfc-rmi查表法得到的uoc＝35v，isc＝10a，imp＝9.5a不变条件下，不断改变ump值，从而改变不同斜率的i-v设定曲线，其中hlfc-rmi查表法对应的不同斜率的i-v曲线均具有良好的线性度。然而原点投影式rmi查表法，在不同斜率的i-v曲线，其工作的目标查找表格几乎一致，很难具备良好的不同斜率曲线的模拟精度。同时不同斜率的i-v曲线所对应的ui目标查找表格，不同曲线的分辨率也相对较优，但是ui由于目标表格的非线性特性，无法模拟高切线斜率的i-v设定曲线。

针对hlfc-rmi查表法对原点投影式rmi查表法的在i-v曲线的恒压区域存在“滞环”曲线的问题的解决，其实验验证波形如图6所示。实验设定的i-v工作曲线在保持uoc＝35v，isc＝10a，imp＝9.5a不变条件下，不断改变ump值为28v，30v，32v，从而让模拟器模拟不同斜率的i-v设定曲线。

由图6可以看出，hlfc-rmi查表法仍具备模拟任意高填充因子i-v曲线的能力，并且明显解决了原点投影式rmi查表法存在i-v曲线在恒压区域所出现的“滞环”曲线问题现象。

同时需要对比hlfc-rmi查表法与ui查表法对设定i-v曲线的稳态模拟情况。故设定两条满功率i-v曲线的uoc＝100v，isc＝10a，ump＝90v，imp＝8a，其最大切线斜率(di/du)max为0.9a/v，以及超高斜率曲线uoc＝100v，isc＝10a，ump＝99v，imp＝9a，其最大切线斜率(di/du)max为9.1a/v，其hlfc-rmi查表法和ui查表法的i-v外环控制方法，实验得到的对应稳态i-v曲线如图7所示。

由图7可以看出，对于较低最大切线斜率0.9a/v的uoc＝100v，isc＝10a，ump＝90v，imp＝8a的i-v设定曲线，hlfc-rmi查表法与ui查表法均可稳定模拟设定i-v曲线输出，且输出的i-v曲线精度几乎无差异。对于高最大切线斜率9.1a/v的uoc＝100v，isc＝10a，ump＝99v，imp＝9a的i-v设定曲线，ui查表法无法稳定模拟高斜率设定的i-v曲线输出，在切线斜率过大的工作点出现振荡现象，而hlfc-rmi查表法，仍旧可稳定输出设定的高斜率i-v设定曲线。

该实验结论证明了所提出的hlfc-rmi查表法不仅具备良好的曲线模拟精度，同时可模拟任意高切线斜率的i-v设定曲线，可以实现航天使用的三结砷化镓太阳能帆板输出的i-v曲线模拟输出，可以更可靠地测试航天器电源系统。

(2)hlfc-rmi查表法分流切换收敛速度测试实验

为了证明所提出的hlfc-rmi查表法理论上解决了原点投影式rmi查表法收敛目标工作点速度过慢的问题，并且具备了与ui查表法切换工作点收敛速度相近，接近于理想工作点收敛速度。设定已知曲线uoc＝100v，isc＝10a，ump＝90v，imp＝8a，输出端在短路工作点a(0v，10a)和切换目标工作点b(95v，4a)以恒压负载的形式进行1.25khz的频率进行切换。即模拟器输出端由短路电压0v与恒压负载95v之间切换，理想情况下需要模拟器快建立两个恒压负载所分别对应的目标工作点电流值，该切换测试工况即等效模拟航天器电源的分流调节器的工作过程。所得到的hlfc-rmi查表法，原点投影式rmi查表法，以及ui查表法切换实验对比波形如图8所示。

由图8可以看出，hlfc-rmi查表法可以快速切换收敛至目标工作点，在工作点a往工作点b切换过程中，hlfc-rmi查表法的收敛时间为80us，同等条件下原rmi查表法无法建立稳定目标工作点，而具备理想收敛速度的ui查表法所需要的收敛时间为70us。在工作点b往工作点a切换过程中，hlfc-rmi查表法的收敛时间为9.5us，同等条件下原rmi查表法则需要14us，而具备理想收敛速度的ui查表法所需要的收敛时间为8us。故由实验波形数据分析可以看出，hlfc-rmi查表法确实具备了与ui查表法切换工作点收敛速度相近，接近于理想工作点收敛速度。

针对太阳能电池阵列模拟器i-v外环的非线性特性，一般的外环控制方式无法实现高填充因子以及高斜率的i-v曲线的模拟；或者是为了实现该高斜率曲线的模拟功能，添加了复杂的硬件电路结构，并且存在pcu切换测试条件下无法快速收敛到切换目标工作点的问题。

本具体实施方式所提出的hlfc-rmi查表的外环控制方法在无需添加额外复杂硬件电路的基础上，通过软件查表的方式，方便实现了高斜率i-v曲线的线性化过程，并且同时具备pcu测试环境下工作点切换的快速收敛特性。所提出的hlfc-rmi外环控制方法，从理论分析的角度，在相同的目标i-v曲线设定的条件下，对应的ui曲线与线性化后的rmi曲线后者具有明显的线性度，有利于功率硬件单元对的电流控制的稳定性。同时在pcu工作点切换的过程中，只要软件查表的周期时间尽可能短，在整体硬件功率电流控制的速度是相差不大的，可以近似得到ui查表法等效的高速收敛特性。目前该研究点的内容已经完成了模拟器硬件平台的功能验证，可直接应用到高速太阳阵模拟器设备中去。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。