《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種基于MCU控制的光伏電池測試儀設(shè)計
現(xiàn)代電子技術(shù)
高文杰 楊次 翟慶志
摘要: 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,,準確獲得光伏電池輸出特性曲...
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,,準確獲得光伏電池" title="光伏電池">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,、負載等)以及本身技術(shù)指標(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,。

伏瓦特性曲線

  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,??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" title="單片機">單片機的光伏電池特性測試儀" title="測試儀">測試儀。測試儀原理框圖如圖2所示,,MCU" title="MCU">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,。

測試儀原理框圖

  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。

場效應(yīng)管驅(qū)動電路

  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,。

閉環(huán)的柵極電壓跟蹤調(diào)節(jié)器

  為準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是在標準測試條件下(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:

數(shù)學(xué)模型

  用直流電子負載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。

試驗數(shù)據(jù)和曲線

試驗數(shù)據(jù)和曲線

  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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