《電子技術(shù)應(yīng)用》
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MCU控制的光伏電池測試儀設(shè)計
高文杰 楊 次 翟慶志
摘要: 為了檢測太陽能組件或組件陣列的各項性能參數(shù),,提出一種利用數(shù)控電阻測試光佚電池輸出特性的方法。測試儀采用數(shù)控電阻器,、高精度ADC和微控制器結(jié)合的方案,,與傳統(tǒng)的電子負(fù)載相比,,具有便攜,、精度高,、智能化和測量時間短等特點,。利用制作的樣機,,在自然光照條件下進行了光伏電池測試實驗,,并在Matlab環(huán)境中對光伏電池模型進行了仿真驗證。通過樣機試驗結(jié)果和仿真結(jié)果比較,,結(jié)果表明測試儀具有較高的精度,。
Abstract:
Key words :

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,、控制與使用,。
    國內(nèi)在建立光伏電池數(shù)學(xué)模型,最大功率點跟蹤(MPPT)等方面已經(jīng)做了很多研究工作,。文獻利用光伏電池生產(chǎn)廠商提供的4個電氣參數(shù)(Isc,,Voc,IM和VM),,提出了一個簡化的數(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。文獻在太陽電池數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,,設(shè)計了模擬太陽能I-V特性的生成電路,。文獻利用太陽能電池數(shù)學(xué)模型,根據(jù)氣象資料估算太陽電池的年發(fā)電量,。上述文獻的研究,,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,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,,都是在一個對應(yīng)恒定的日照情況下獲得的,,因此,欲通過物理測試的方法,,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段內(nèi),,完成全域測量,,顯然后者更易于把握。測量精度取決于:全域測量時間的長度,,每一點上,,二個坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集的同時性,。
1.2 數(shù)控電阻器控制策略
   
傳統(tǒng)的I-V法測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,。它只能做到有級調(diào)節(jié),,要實現(xiàn)精確調(diào)節(jié)、電阻自動數(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),,對固定電阻進行斬波控制,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,來模擬可控電阻,,通過施加數(shù)控的電壓信號,,實現(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)場效應(yīng)管工作于可變電阻區(qū)時,,電阻值Rdso=1/2KN(VGS-VT),其中KN為電導(dǎo)常數(shù),,VT為開啟電壓,。可見Rdso是由柵極電壓VGS控制的可變電阻,。

2 硬件電路設(shè)計和實現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
   
針對光伏電池的輸出特性和測量的特殊要求,,為對光伏電池I-V和P-V特性實時、自動檢測,,設(shè)計了基于STC-12C5A60S2單片機的光伏電池特性測試儀,。測試儀原理框圖如圖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)確檢測光伏電池兩端輸出的電流和電壓值,。單片機通過串口與上位機通信,,實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和顯示。


2.2 MOSFET管驅(qū)動電路
   
場效應(yīng)管驅(qū)動電路如圖3所示,。采用型號為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,,RDS =0.030Ω,。并聯(lián)FET起到擴容的作用,,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)動源,,并加獨立的柵極電阻,。


2.3 MCU測控電路和電源補償
   
微控器采用高性能STC-12C5AS2單片機。鑒于測量精度的要求和擴展方便,,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,最小分辨率為1 mV,。精密單電源運算放大器OP777,,控制MOSFET管柵極電壓。
    為了穩(wěn)定控制柵極電壓,,通過電流取樣信號反饋和控制電壓信號組成差分放大器,,由此組成了一個閉環(huán)的柵極電壓跟蹤調(diào)節(jié)器,如圖4所示,。


    為準(zhǔn)確測量光伏電池的短路電流,,加入1.5 V補償電源,采用TI公司低電壓大電流電源模塊PTH05010制作,。若電壓測量值為U1,,光伏電池兩端實際電壓為U=U1-1.5,當(dāng)U1=1.5 V時,,可測得光伏電池的短路電流。
2.4 輔助電路
   
測試儀供電電路有12 V和5 V兩種,,分別供給單電源運放和其他芯片,。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
   
軟件采用Keil編譯環(huán)境下的C語言編程。程序設(shè)計流程,,通過PC機向MCU串口發(fā)送測量控制指令,,并接受測量數(shù)據(jù)。下位機MCU接收到測量指令后,,通過不斷改變控制電壓信號UD,。來改變外接負(fù)載,。每次測量開始,控制電壓增加△U,,然后采集一個點的電壓電流,。直到測量到短路電流,測量結(jié)束,??紤]到光伏電池兩端電壓電流變化的延時性,用定時器控制采點時間,,每隔50 ms采集一次數(shù)據(jù),。

4 試驗驗證
   
根據(jù)方案設(shè)計制作樣機進行試驗,采用英利產(chǎn)品,,型號為110(17)P1470×680的多晶硅光伏電池板,。在自然光照情況下,對單塊光伏電池進行測試,。
    廠家提供的Isc,,Voc,IM和VM是在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下(光強1 000 W/m2,,電池溫度25℃)測得參數(shù)在實際測試中,,很難實現(xiàn),故按照下列方案進行:
    (1)根據(jù)太陽能電池簡化數(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)出來的太陽能非線性I-V特性方程,其簡化數(shù)學(xué)模型是:
   
    用直流電子負(fù)載PEL-300(臺灣固緯)采點測試當(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)的測試儀,,與方案(1)同時測試,,以保證相同的日照條件,測得的試驗數(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曲線吻合度較好,驗證了設(shè)計的可行性,。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,實驗曲線比理論曲線更接近電池板實際工作狀況,,因為方案(2)測試時間很短,,更能確保不變的日照條件。

5 結(jié)語
   
本文基于MCU,,設(shè)計了可以數(shù)控調(diào)節(jié),、有源、高速響應(yīng)的可變電阻器模塊以及對應(yīng)的測量電路,,開發(fā)出了可獲取光伏電池I-V和P-V曲線測試儀,。物理實驗測試表明,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。該測試儀在光伏電池測試,,太陽能資源評估,,建立光伏電池模型和最大功率點跟蹤(MPPT)等方面有廣泛的應(yīng)用。

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