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太阳能阵列模拟器的设计和实现

1.1太阳能阵列模拟器普及前景

对于电力系统的卫星，地球上的太阳能电池阵列，有太阳能阵列模拟器是必要的，以便测试太阳能的性能和可靠性。

基于太阳能电池的数学模型，本文设计了以实际的太阳能电池阵列模拟器，通过其可以生成太阳能电池的电流-电压特性。

由于太阳能电池阵列模拟器的实现是以相同结构和权力作为真正的系统，所以它可以模拟出实际操作中大部分程度上真正的太阳能电池阵列。

1.2太阳能阵列模拟器背景及目的

太阳能是一种可再生能源，在住宅，光伏系统，交通，及航空航天工业中广泛使用。

目前的空间力量领域，大多数卫星电源系统使用太阳能电池作为它们的权力核心。

卫星电源系统的性能直接影响卫星的性能和工作寿命。

所以，为提高卫星电源的性能和可靠性，进行系统实时仿真和测试具有重要意义。

太阳能电池阵列在太空工作中条件是非常重要的，因为阳光和温度变化迅速。

依据电流-电压特性，可以测出每一个太阳能电池随光照和温度的参数。

因此有必要模拟太阳能电池阵列的工作，在空间利用太阳能电池阵列模拟器（太阳能电池阵列模拟器，SAS）。

进行此情景应用程序的主要任务是为各种供电子系统的卫星提供保障，同时允许测试卫星对地面的实际的太阳能电池阵列。

2.1太阳能电池的数学模型

等效电路通常用于光伏太阳能电池图1所示。

这个电路由电流源、二极管串联电阻和并联电阻组成。

图1太阳能电池的等效电路

根据一般二极管模型，二极管电流被描述为：

I0是二极管饱和电流，VJ结电压，e是电子的电荷，n是二极管质量因素依赖于重组过程的结，通常在1和2之间的间隔，k是玻耳兹曼常数和T是温度。

然后是太阳能电池的电流-电压特性：

IPH光生成电流，我是输出电流，V是输出电压、串联电阻RS，RSh平行阻力。

2.2太阳能阵列模拟器硬件设计常见问题

根据数学模型和等效电路，太阳能电池的输出电流-电压曲线是一个指数曲线。

它可以与电流源减去模拟二极管的电流-电压曲线。

因此，太阳能电池可以模拟电路如图2所示：

图2一个太阳能字符串模块的示意图

在这个电路中有两种反馈循环：

电流反馈环和电压反馈循环。

在目前的反馈回路，IREF短路电流的参考，相当于照明，可以调整强度从0到100%。

电压反馈回路，不洁净的开路电压引用对应的环境温度太阳能电池。

当反馈电压小于不洁净的，放大器A1的输出是消极和二极管D1关闭。

A2的输出只是确定IREF和输出电流是一个持续的短路电流。

当反馈电压增加，A1的输出成为积极和二极管D1。

A2的输出是由D1的电流，它增加了输出电压增加。

因此，输出电压增加输出电流减少是根据二极管的电流-电压的特点。

电压反馈回路中，不洁净的开路电压引用对应的环境温度太阳能电池。

当反馈电压小于不洁净的时候，放大器A1的输出是消极和二极管D1关闭。

A2的输出只是确定IREF和输出电流是一个持续的短路电流。

当反馈电压增加，A1的输出成为积极和二极管D1。

A2的输出是由D1的电流，它增加了输出电压增加。

因此，输出电压增加输出电流减少根据二极管的电流-电压的特点。

图3太阳能电池阵列模拟器的框图

每个字符串模块包括两个部分：

上部和字符串较低的字符串，它们具有相同的电流-电压特性和串联连接。

中心的龙头都是连接到一个分流器监管机构已与SAS相同数量的分支。

的并联调节器是用来调节直流总线电压并使它稳定在一个预期的水平。

并联调整器检测到总线电压与参考电压相比较；区别是放大，给所有的分支机构。

每一个部门包括PI调节器和一个晶体管，分流术多余的太阳能字符串的当前模块。

如下示意图4中给出了并联调节器分支。

图4并联调节器分支示意图

在这条赛道中，Verror实际直流总线之间的区别电压和基准电压。

参考电压Vref每个分支逐渐增加了调节变量电阻VR1。

放大器A1和A2由PI调节器，和晶体管Q1的收藏家是连接到中心抽头。

当Verror小于Vref，PI调节器驱动Q1这个监管机构分支机构不工作；当Verror更大然后它开始分路电流。

3太阳能阵列模拟器控制系统

SAS由30字符串模块，但一个工业标准底盘只能持有4字符串模块。

所以4个模块及其相关控制电路安装在一个标准底盘和SAS包含8这样的单位。

在SAS单元控制电路中，信号隔离电路和数据采集电路。

基于高速单元控制电路ARM7处理器主要用于传输和转换数据。

使用的AT91SAM7S是Atmel的低的成员基于32位RISC引线数Flash微控制器处理器。

它有一个64k字节高速闪光灯和一个16k字节SRAM，大量的外围设备，包括两个普遍的同步异步接收机收发器，串行外围接口（SPI）等等。

使其方便与PC机的串行端口和SPI它很容易驾驶系列广告和DA芯片。

随着高速ARM7，单元控制电路接收从串行端口和解码数字控制命令很快，然后将它们转换成模拟信号。

这些信号由信号隔离电路隔离，然后每一个字符串模块。

字符串输出等模块状态电压、电流和温度也转移到单位控制电路由数据采集电路。

结构SAS的单位，情景应用程序，分别由图5，图6所示；

图5情景应用程序的结构单元

图6情景应用程序框图

4仿真和实验结果

4.1模拟设计

为了验证前面设计的太阳能字符串模块，需要模拟出来，为此PSPICE模型建立了模拟电流-电压曲线。

其仿真结果显示在图7和图8上，如下图7所示，短路电流随的强度照明Isc。

当保持Voc和Isc不变增加，电流-电压曲线垂直变化。

在图8中，开放电路电压随温度Voc。

当保持Isc不变和Voc增加，电流-电压曲线变化水平。

这些曲线对应的电流-电压特性

（2）。

图7与不同的照明模拟电流-电压曲线

图8模拟电流-电压曲线具有不同的温度

4.2实验测试

根据设计和模拟，建立2kwSAS。

来检查每个太阳能字符串的性能和电流-电压特性，许多实验数据被绘制不同的电流-电压曲线。

结果是图9和图10所示。

在实验中，太阳能具有相同的Voc和Isc字符串模拟和仿真的电流-电压曲线非常接近结果。

图9与不同的照明实验电流-电压曲线

图10实验电流-电压曲线具有不同的温度

4.3实验比较

为了验证情景应用程序的输出的一致性特点与实际的太阳能电池阵列，有必要测试，情景应用程序的单个字符串的电流-电压曲线和比较，太阳能电池的实际数据。

显示实验结果如图11所示。

图11电流-电压曲线

在这个实验中，短路电流设置为1.16，开路电压是70v。

理论曲线计算与一个真正的太阳能电池的参数，使用太阳能电池的数学模型。

可以看出SAS的电流-电压曲线实际的太阳能阵列的完美匹配。

它证明了SAS执行在模拟实际的太阳能电池阵列。

5结论

本文依据一个实际的太阳能电池阵列模拟器为基础，提出了太阳能电池的数学模型。

通过实验证明电流-电压特性的，并把情景应用程序非常类似于实际的太阳能数组中，所以它可以用来模拟复杂的操作条件下，真正的太空中太阳能电池阵列。

由于模拟器具有实际太阳能电池阵列相同的输出力量和阵列结构，因此它可以用来模拟真实的卫星的电力系统。

在未来，太阳能阵列模拟器可以作为实验平台，与其他子系统的卫星，从而支持其他子系统的地面测试。

来源于：

DesignandImplementationofASolarArraySimulator

Abstract-Inordertotesttheperformanceandreliabilityofsolarpowersystemofsatellites,solararraysimulatoronearthisneeded.Basedonthesolarcell’smathematicmodel,thispaperdesignsapracticalsolararraysimulatorwhichcangeneratethesolarcell’sI-Vcharacter.Sincetheimplementedsolararraysimulatorhasthesamestructureandpowerastherealsystem,itcansimulatetheactualoperatingofarealsolararraytomostextent.Experimentalresultsdemonstratethevalidityofthisdesignwhichenablesthefurtherresearchonanddiagnosisofsolarpowersystem.

I.INTRODUCTION

Solarenergyisakindofrenewableenergywidelyusedinresidentialphotovoltaicsystem,transportation,aswellasinaerospaceindustry.Inthepresentspacepowerdomain,mostofthesatellitepowersystemsusesolarcellsastheirpowercore.Theperformanceofthesatellitepowersystemdirectlyaffectsthesatellite’sperformanceandworkinglife.So,inordertoimprovetheperformanceandreliabilityofthesatellitepowersystem,realtimesimulationandtestingisofgreatsignificance.Solararrayinspaceworksinverycriticalconditions,sunlightandtemperaturechangerapidly.TheI-Vcharacteristicofeverysolarcellvarieswithilluminationandtemperature.Thereforeitisnecessarytosimulatethesolararray’sworkingconditionsinspacebyusingasolararraysimulator（SolarArraySimulator,SAS）.SAS'smaintaskistosupplypowerforvarioussubsystemsonthesatellitewhilepermittingthetestingoftheactualsolararrayofsatelliteonground.

II.THEMATHEMATICALMODELOFSOLARCELLS

TheequivalentcircuitgenerallyusedforthephotovoltaicsolarcellisshowninFig.1.Thiscircuitconsistsofacurrentsource,adiode,aseriesresistanceandaparallelresistance.

Fig.1.Theequivalentcircuitofthesolarcell

Accordingtogeneraldiodemodel,thediodecurrentcanbedescribedas

WhereI0isthediodesaturationcurrent,VJisthejunctionvoltage,eisthechargeofelectron,nisdiodequalityfactordependentontherecombinationprocessesinthejunction,usuallyfromtheintervalbetween1and2,kisBoltzmann’sconstantandTistemperature.ThentheI-Vcharacterofsolarcellsis

WhereIPHislightgeneratedcurrent,Iisoutputcurrent,Visoutputvoltage,RSisseriesresistance,RShisparallelresistance.

III.HARDWAREDESIGN

Accordingtothemathematicalmodelandequivalentcircuit,theoutputI-Vcurveofthesolarcellisanexponentcurve.Itcanbesimulatedwithacurrentsourceminusadiode’sI-Vcurve.Therefore,thesolarcellcanbesimulatedwiththecircuitshowninFig.2.

Fig.2.Theschematicofasolarstringmodule

Inthiscircuittherearetwofeedbackloops:

acurrentfeedbackloopandavoltagefeedbackloop.Inthecurrentfeedbackloop,IREFistheshortcircuitcurrentreference,correspondstotheintensityoftheilluminationandcanbeadjustedfrom0to100%.Inthevoltagefeedbackloop,TREFistheopencircuitvoltagereferencewhichcorrespondstotheambienttemperatureofthesolarcell.WhenthefeedbackvoltageislessthanTREF,theamplifierA1’soutputisnegativeanddiodeD1turnsoff.ThenA2’soutputisonlydeterminingbytheIREFandoutputcurrentisaconstantshortcircuitcurrent.Whenthefeedbackvoltageincreases,A1’soutputbecomespositiveanddiodeD1turnson.A2’soutputisdeterminedbyD1’scurrent,itincreaseswiththeoutputvoltageincreases.Sotheoutputvoltageincreaseswiththeoutputcurrentdecreasesaccordingtothediode’sI-Vcharacteristic.

Inordertosimulatetherealsatellitepowersystem,asolararraysimulatorisbuiltupwith30identicalstringmodules.TheblockdiagramisshowninFig.3.

Fig.3.Theblockdiagramofsolararraysimulator

Everystringmoduleincludestwoparts:

upperstringandlowerstring,theyhavethesameI-Vcharacteristicandareconnectedinseries.AllthecentertapsareconnectedtoashuntregulatorwhichhasthesameamountofbrancheswithSAS.TheshuntregulatorisusedtoregulateDCbusvoltageandmakeitstableinanexpectedlevel.Theshuntregulatordetectsthebusvoltageandcomparesitwiththereferencevoltage;thedifferenceisamplifiedandgiventoallthebranches.EachbranchincludesaPIregulatorandatransistor,whichshuntsredundantcurrentofasolarstringmodule.TheschematicofashuntregulatorbranchisgiveninFig.4.

Fig.4.ashuntregulatorbranchschematic

Inthiscircuit,VerroristhedifferencebetweenactualDCbusvoltageandreferencevoltage.ThereferencevoltageVrefofeachbranchisgraduallyincreasedbyadjustingthevariableresistanceVR1.AmplifierA1andA2consistsofaPIregulator,andthecollectoroftransistorQ1isconnectedtothecentertap.WhenVerrorissmallerthanVref,thePIregulatordrivesQ1offandthisregulatorbranchdoesn’twork;whenVerrorisbiggerthenitworksandbeginstoshuntcurrent.

IV.CONTROLSYSTEM

TheSASconsistsof30stringmodules,butanindustrialstandardchassiscanonlyhold4stringmodules.So4modulesandtheirreletedcontrolcircuitsaremountedinastandardchassisandaSAScontains8suchunits.InaSASunitthereareaunitcontrolcircuit,asignalisolationcircuitandadataacquisitioncircuit.TheunitcontrolcircuitbasedonahighspeedARM7processorismainlyusedtotransferandconvertdata.TheAT91SAM7SusedisamemberofAtmel’slowpin-countFlashmicrocontrollersbasedonthe32-bitRISCprocessor.Itfeaturesa64kbytehigh-speedFlashanda16kbyteSRAM,alargesetofperipherals,includetwouniversalsynchronousasynchronousreceivertransceiver（USART）,aserialperipheralinterface（SPI）andsoon.TheUSARTmakesitconvenienttobeconnectedwithPC’sserialportandSPImakesiteasytodriveserialADandDAchips.

WiththehighspeedARM7,theunitcontrolcircuitreceivesdigitalcontrolcommandsfromserialportanddecodesitquickly,thenconvertsthemtoanalogsignalsbyDA.Thesesignalsareisolatedbythesignalisolationcircuitandthengiventoeverystringmodule.Stringmodulestatessuchasoutputvoltage,currentandtemperaturearealsotransferredtounitcontrolcircuitbydataacquisitioncircuit.Fig.5isthestructureofaSASunit.TheSASiscontrolledbyanindustrialPC.Inordertocontrol8SASunitsbyserialports,amastercontrolboardisdevelopedtoextendserialport.ThemastercontrolboardalsobasedonanARMhastwoserialports,oneportisconnectedwiththecomputerandtheotherisconnectedwith8unitswhichformsamaster-clientstructure.Ittransferscontrolcommandsto8unitsandgetsunitstatesbypollingmode.TheSASblockdiagramishowninFig.6.

Fig.5.structureofaSASunit

V.SIMULATIONA