MCU控制的光伏電池測試儀設計

0 引言
由于光伏電池陣列是光伏發(fā)電系統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線(xiàn)是一個(gè)基本要素，在此基礎之上，才可能深入、準確地研究光伏系統的設計、控制與使用。
國內在建立光伏電池數學(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。文獻利用光伏電池生產(chǎn)廠(chǎng)商提供的4個(gè)電氣參數(Isc，Voc，IM和VM)，提出了一個(gè)簡(jiǎn)化的數學(xué)模型，以模擬其在不同光照和溫度下的I-V特性曲線(xiàn)。文獻在太陽(yáng)電池數學(xué)模型的基礎上，設計了模擬太陽(yáng)能I-V特性的生成電路。文獻利用太陽(yáng)能電池數學(xué)模型，根據氣象資料估算太陽(yáng)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(xiàn)基本形態(tài)的前提下，基于Isc，Voc，等特殊點(diǎn)，以數學(xué)模擬的方法獲得相應的特性曲線(xiàn)。

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(xiàn)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(xiàn)?？梢?jiàn)這種非線(xiàn)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(shí)際轉換效率也受到限制。

值得注意的是，圖1所示的每一條曲線(xiàn)，都是在一個(gè)對應恒定的日照情況下獲得的，因此，欲通過(guò)物理測試的方法，準確獲得該條曲線(xiàn)，要么寄希望于有穩定的日照，要么必須在盡可能短的時(shí)段內，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(shí)間的長(cháng)度，每一點(diǎn)上，二個(gè)坐標數據采集的同時(shí)性。
1．2 數控電阻器控制策略
傳統的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(diǎn)。它只能做到有級調節，要實(shí)現精確調節、電阻自動(dòng)數控調節卻很困難。斬波式可變電阻器采用脈寬調制(PWM)技術(shù)，對固定電阻進(jìn)行斬波控制，能夠模擬精密數控電阻器。但是它僅適用于電源電壓穩定情況下，太陽(yáng)能電池的輸出電壓隨輸出電流不同而發(fā)生非線(xiàn)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的功率MOSFET管，來(lái)模擬可控電阻，通過(guò)施加數控的電壓信號，實(shí)現MOSFET管等效電阻的精密調節。根據功率MOSFET管(IRFP150)的輸出特性曲線(xiàn)，當場(chǎng)效應管工作于可變電阻區時(shí)，電阻值Rdso=1／2KN(VGS-VT)，其中KN為電導常數，VT為開(kāi)啟電壓?？梢?jiàn)Rdso是由柵極電壓VGS控制的可變電阻。

2 硬件電路設計和實(shí)現
2．1 系統結構
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(shí)時(shí)、自動(dòng)檢測，設計了基于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(guò)D／A轉換電路和電壓反饋，跟蹤調節柵極電壓VGS。通過(guò)A／D轉換電路和電流取樣，準確檢測光伏電池兩端輸出的電流和電壓值。單片機通過(guò)串口與上位機通信，實(shí)現數據處理和顯示。

2．2 MOSFET管驅動(dòng)電路
場(chǎng)效應管驅動(dòng)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，因其具有超低導通電阻，柵極電壓VGS=10V時(shí)，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(guò)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，采用統一驅動(dòng)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／數轉換器MAX187和數／模轉換器TLV5616。當基準電壓為4．096 V時(shí)，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。
為了穩定控制柵極電壓，通過(guò)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(gè)閉環(huán)的柵極電壓跟蹤調節器，如圖4所示。