MCU控制的光伏電池測(cè)試儀設(shè)計(jì)

0 引言
    由于光伏電池陣列是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件和能源供給部分，因此，準(zhǔn)確獲得光伏電池輸出特性曲線是一個(gè)基本要素，在此基礎(chǔ)之上，才可能深入、準(zhǔn)確地研究光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、控制與使用。
    國(guó)內(nèi)在建立光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型，最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)等方面已經(jīng)做了很多研究工作。文獻(xiàn)利用光伏電池生產(chǎn)廠商提供的4個(gè)電氣參數(shù)(Isc，Voc，IM和VM)，提出了一個(gè)簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型，以模擬其在不同光照和溫度下的I-V特性曲線。文獻(xiàn)在太陽(yáng)電池?cái)?shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了模擬太陽(yáng)能I-V特性的生成電路。文獻(xiàn)利用太陽(yáng)能電池?cái)?shù)學(xué)模型，根據(jù)氣象資料估算太陽(yáng)電池的年發(fā)電量。上述文獻(xiàn)的研究，都是在認(rèn)同光伏電池特性曲線基本形態(tài)的前提下，基于Isc，Voc，等特殊點(diǎn)，以數(shù)學(xué)模擬的方法獲得相應(yīng)的特性曲線。

1 光伏電池測(cè)試策略
1．1 光伏電池特性
    光伏電池的輸出特性具有非線性。圖1所示為在不同的光照條件下，太陽(yáng)能電池陣列輸出的I-V特性和伏瓦特性曲線。可見這種非線性受到外部環(huán)境(如日照強(qiáng)度、溫度、負(fù)載等)以及本身技術(shù)指標(biāo)(如輸出阻抗)的影響，使得光伏電池的輸出功率發(fā)生變化，其實(shí)際轉(zhuǎn)換效率也受到限制。

    值得注意的是，圖1所示的每一條曲線，都是在一個(gè)對(duì)應(yīng)恒定的日照情況下獲得的，因此，欲通過物理測(cè)試的方法，準(zhǔn)確獲得該條曲線，要么寄希望于有穩(wěn)定的日照，要么必須在盡可能短的時(shí)段內(nèi)，完成全域測(cè)量，顯然后者更易于把握。測(cè)量精度取決于：全域測(cè)量時(shí)間的長(zhǎng)度，每一點(diǎn)上，二個(gè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集的同時(shí)性。
1．2 數(shù)控電阻器控制策略
    傳統(tǒng)的I-V法測(cè)定光伏電池的輸出特性，如果利用接觸式可變電阻器有許多的缺點(diǎn)。它只能做到有級(jí)調(diào)節(jié)，要實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)、電阻自動(dòng)數(shù)控調(diào)節(jié)卻很困難。斬波式可變電阻器采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，對(duì)固定電阻進(jìn)行斬波控制，能夠模擬精密數(shù)控電阻器。但是它僅適用于電源電壓穩(wěn)定情況下，太陽(yáng)能電池的輸出電壓隨輸出電流不同而發(fā)生非線性變化，不宜采用。
    本文涉及的外部負(fù)載，利用工作在可變電阻區(qū)的功率MOSFET管，來(lái)模擬可控電阻，通過施加數(shù)控的電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)MOSFET管等效電阻的精密調(diào)節(jié)。根據(jù)功率MOSFET管(IRFP150)的輸出特性曲線，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管工作于可變電阻區(qū)時(shí)，電阻值Rdso=1／2KN(VGS-VT)，其中KN為電導(dǎo)常數(shù)，VT為開啟電壓?？梢奟dso是由柵極電壓VGS控制的可變電阻。

2 硬件電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    針對(duì)光伏電池的輸出特性和測(cè)量的特殊要求，為對(duì)光伏電池I-V和P-V特性實(shí)時(shí)、自動(dòng)檢測(cè)，設(shè)計(jì)了基于STC-12C5A60S2單片機(jī)的光伏電池特性測(cè)試儀。測(cè)試儀原理框圖如圖2所示，MCU通過D／A轉(zhuǎn)換電路和電壓反饋，跟蹤調(diào)節(jié)柵極電壓VGS。通過A／D轉(zhuǎn)換電路和電流取樣，準(zhǔn)確檢測(cè)光伏電池兩端輸出的電流和電壓值。單片機(jī)通過串口與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和顯示。

2．2 MOSFET管驅(qū)動(dòng)電路
    場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。采用型號(hào)為IRFP150的功率MOSFET管模擬可變電阻器，因其具有超低導(dǎo)通電阻，柵極電壓VGS=10V時(shí)，RDS =0．030Ω。并聯(lián)FET起到擴(kuò)容的作用，在外加散熱片的情況下，可以通過15 A以上的電流。為了減少雜散電感和寄生振蕩，使并聯(lián)MOSFET管均流，采用統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)源，并加獨(dú)立的柵極電阻。

2．3 MCU測(cè)控電路和電源補(bǔ)償
    微控器采用高性能STC-12C5AS2單片機(jī)。鑒于測(cè)量精度的要求和擴(kuò)展方便，采用高速12位串行接口模／數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX187和數(shù)／模轉(zhuǎn)換器TLV5616。當(dāng)基準(zhǔn)電壓為4．096 V時(shí)，最小分辨率為1 mV。精密單電源運(yùn)算放大器OP777，控制MOSFET管柵極電壓。
    為了穩(wěn)定控制柵極電壓，通過電流取樣信號(hào)反饋和控制電壓信號(hào)組成差分放大器，由此組成了一個(gè)閉環(huán)的柵極電壓跟蹤調(diào)節(jié)器，如圖4所示。

    為準(zhǔn)確測(cè)量光伏電池的短路電流，加入1．5 V補(bǔ)償電源，采用TI公司低電壓大電流電源模塊PTH05010制作。若電壓測(cè)量值為U1，光伏電池兩端實(shí)際電壓為U=U1-1．5，當(dāng)U1=1．5 V時(shí)，可測(cè)得光伏電池的短路電流。
2．4 輔助電路
    測(cè)試儀供電電路有12 V和5 V兩種，分別供給單電源運(yùn)放和其他芯片。為了兼顧供電效率和電源質(zhì)量，采用降壓式DC／DC控制器MAX1745(效率90％以上)，結(jié)合低壓差穩(wěn)壓器(LDO)TLV1117(線性穩(wěn)壓紋波很小)，設(shè)計(jì)了5～12V電路。DC／DC電路開關(guān)頻率最高300 kHz，電源最大功率50 W。

3 軟件設(shè)計(jì)
    軟件采用Keil編譯環(huán)境下的C語(yǔ)言編程。程序設(shè)計(jì)流程，通過PC機(jī)向MCU串口發(fā)送測(cè)量控制指令，并接受測(cè)量數(shù)據(jù)。下位機(jī)MCU接收到測(cè)量指令后，通過不斷改變控制電壓信號(hào)UD。來(lái)改變外接負(fù)載。每次測(cè)量開始，控制電壓增加△U，然后采集一個(gè)點(diǎn)的電壓電流。直到測(cè)量到短路電流，測(cè)量結(jié)束。考慮到光伏電池兩端電壓電流變化的延時(shí)性，用定時(shí)器控制采點(diǎn)時(shí)間，每隔50 ms采集一次數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證
    根據(jù)方案設(shè)計(jì)制作樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，采用英利產(chǎn)品，型號(hào)為110(17)P1470×680的多晶硅光伏電池板。在自然光照情況下，對(duì)單塊光伏電池進(jìn)行測(cè)試。
    廠家提供的Isc，Voc，IM和VM是在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下(光強(qiáng)1 000 W／m2，電池溫度25℃)測(cè)得參數(shù)在實(shí)際測(cè)試中，很難實(shí)現(xiàn)，故按照下列方案進(jìn)行：
    (1)根據(jù)太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，模擬理論輸出特性曲線。
    根據(jù)固體物理理論推導(dǎo)出來(lái)的太陽(yáng)能非線性I-V特性方程，其簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型是：
   
    用直流電子負(fù)載PEL-300(臺(tái)灣固緯)采點(diǎn)測(cè)試當(dāng)前自然條件下，Isc=4．2 A，Voc=20．5 V，IM=3．6 A和VM=15．3 V。將上述參數(shù)帶入簡(jiǎn)化模型，求得理論近似I-V曲線和P-V曲線。
    (2)使用本文開發(fā)的測(cè)試儀，與方案(1)同時(shí)測(cè)試，以保證相同的日照條件，測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，如圖5和表1所示。

    二種方案所得的理論和試驗(yàn)曲線吻合度較好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。并且比較兩者，考慮到影響光伏電池輸出特性的內(nèi)、外部因素復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)曲線比理論曲線更接近電池板實(shí)際工作狀況，因?yàn)榉桨?2)測(cè)試時(shí)間很短，更能確保不變的日照條件。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文基于MCU，設(shè)計(jì)了可以數(shù)控調(diào)節(jié)、有源、高速響應(yīng)的可變電阻器模塊以及對(duì)應(yīng)的測(cè)量電路，開發(fā)出了可獲取光伏電池I-V和P-V曲線測(cè)試儀。物理實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，所獲得的光伏電池特性曲線，形態(tài)準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)精度高。該測(cè)試儀在光伏電池測(cè)試，太陽(yáng)能資源評(píng)估，建立光伏電池模型和最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)等方面有廣泛的應(yīng)用。