MCU 控制的光伏电池测试仪设计方案

　　0  引 言

　　为了检测太阳能组件或组件阵列的各项性能参数, 提出一种利用数控电阻测试光伏电池输出特性的方法。测试仪采用数控电阻器、高精度ADC 和微控制器结合的方案, 与传统的电子负载相比, 具有便携、精度高、智能化和测量时间短等特点。

　　由于光伏电池阵列是光伏发电系统的核心部件和能源供给部分, 因此, 准确获得光伏电池输出特性曲线是一个基本要素, 在此基础之上, 才可能深入、准确地研究光伏系统的设计、控制与使用。

　　1  光伏电池测试策略

　　1. 1  光伏电池特性

　　光伏电池的输出特性具有非线性。图1 所示为在不同的光照条件下, 太阳能电池阵列输出的IV 特性和伏瓦特性曲线[ 1] 。可见这种非线性受到外部环境( 如日照强度、温度、负载等) 以及本身技术指标( 如输出阻抗)的影响, 使得光伏电池的输出功率发生变化, 其实际转换效率也受到限制。

　　值得注意的是, 图1 所示的每一条曲线, 都是在一个对应恒定的日照情况下获得的, 因此, 欲通过物理测试的方法, 准确获得该条曲线, 要么寄希望于有稳定的日照, 要么必须在尽可能短的时段内, 完成全域测量,显然后者更易于把握。测量精度取决于: 全域测量时间的长度, 每一点上, 二个坐标数据采集的同时性。

　　1. 2  数控电阻器控制策略

　　传统的IV 法测定光伏电池的输出特性, 如果利用接触式可变电阻器有许多的缺点。它只能做到有级调节, 要实现精确调节、电阻自动数控调节却很困难。斩波式可变电阻器采用脉宽调制( PWM) 技术, 对固定电阻进行斩波控制, 能够模拟精密数控电阻器。但是它仅适用于电源电压稳定情况下, 太阳能电池的输出电压随输出电流不同而发生非线性变化, 不宜采用。

　　本文涉及的外部负载, 利用工作在可变电阻区的功率MOSFET 管, 来模拟可控电阻, 通过施加数控的电压信号, 实现MOSFET 管等效电阻的精密调节。根据功率MOSFET 管( IRFP150) 的输出特性曲线, 当场效应管工作于可变电阻区时, 电阻值R dso = 1/ 2K N( VGS - VT ) , 其中K N 为电导常数, V T 为开启电压。可见Rdso 是由栅极电压VGS 控制的可变电阻。

　　2  硬件电路设计和实现

　　2. 1  系统结构

　　针对光伏电池的输出特性和测量的特殊要求, 为对光伏电池IV 和PV 特性实时、自动检测, 设计了基于STC12C5A60S2 单片机的光伏电池特性测试仪。测试仪原理框图如图2 所示, MCU 通过D/ A 转换电路和电压反馈, 跟踪调节栅极电压VGS。通过A/ D 转换电路和电流取样, 准确检测光伏电池两端输出的电流和电压值。单片机通过串口与上位机通信, 实现数据处理和显示。

　　2. 2  MOSFET 管驱动电路

　　场效应管驱动电路如图3 所示。采用型号为IRFP150的功率MOSFET 管模拟可变电阻器, 因其具有超低导通电阻, 栅极电压VGS = 10 V 时, RDS =0. 030  。并联FET 起到扩容的作用, 在外加散热片的情况下, 可以通过15 A 以上的电流。为了减少杂散电感和寄生振荡, 使并联MOSFET 管均流, 采用统一驱动源, 并加独立的栅极电阻。

　　2. 3  MCU 测控电路和电源补偿

　　微控器采用高性能ST C12C5AS2 单片机。鉴于测量精度的要求和扩展方便, 采用高速12 位串行接口模/ 数转换器MAX187 和数/ 模转换器T LV5616。当基准电压为4. 096 V 时, 最小分辨率为1 mV。精密单电源运算放大器OP777, 控制MOSFET 管栅极电压。

　　为了稳定控制栅极电压, 通过电流取样信号反馈和控制电压信号组成差分放大器, 由此组成了一个闭环的栅极电压跟踪调节器, 如图4 所示。

　　为准确测量光伏电池的短路电流, 加入1. 5 V 补偿电源, 采用TI 公司低电压大电流电源模块PT H05010制作。若电压测量值为U1 , 光伏电池两端实际电压为U= U1- 1. 5, 当U1 = 1. 5 V 时, 可测得光伏电池的短路电流。

　　2. 4  辅助电路

　　测试仪供电电路有12 V 和5 V 两种, 分别供给单电源运放和其他芯片。为了兼顾供电效率和电源质量,采用降压式DC/ DC 控制器MAX1745 ( 效率90% 以上) , 结合低压差稳压器( LDO) TLV1117( 线性稳压纹波很小) , 设计了5~ 12 V 电路。DC/ DC 电路开关频率最高300 kHz, 电源最大功率50 W。

　　3  软件设计

　　软件采用Keil 编译环境下的C 语言编程。程序设计流程, 通过PC 机向MCU 串口发送测量控制指令,并接受测量数据。下位机MCU 接收到测量指令后, 通过不断改变控制电压信号UD 来改变外接负载。每次测量开始, 控制电压增加U, 然后采集一个点的电压电流。直到测量到短路电流, 测量结束。考虑到光伏电池两端电压电流变化的延时性, 用定时器控制采点时间, 每隔50 ms 采集一次数据。

　　4  试验验证

　　根据方案设计制作样机进行试验, 采用英利产品,型号为110( 17) P1470 ! 680 的多晶硅光伏电池板。在自然光照情况下, 对单块光伏电池进行测试。

　　厂家提供的I SC, VOC , I M 和VM 是在标准测试条件下( 光强1 000 W/ m2 , 电池温度25 ?) 测得参数在实际测试中, 很难实现, 故按照下列方案进行:

　　( 1) 根据太阳能电池简化数学模型[ 1, 67] , 模拟理论输出特性曲线。

　　根据固体物理理论推导出来的太阳能非线性IV特性方程, 其简化数学模型是:

　　用直流电子负载PEL300( 台湾固纬) 采点测试当前自然条件下, I SC = 4. 2 A, V OC= 20. 5 V, I M = 3. 6 A和VM= 15. 3 V。将上述参数带入简化模型, 求得理论近似IV 曲线和PV 曲线。

　　( 2) 使用本文开发的测试仪, 与方案( 1) 同时测试,以保证相同的日照条件, 测得的试验数据和曲线, 如图5和表1所示

　　二种方案所得的理论和试验曲线吻合度较好, 验证了设计的可行性。并且比较两者, 考虑到影响光伏电池输出特性的内、外部因素复杂, 实验曲线比理论曲线更接近电池板实际工作状况, 因为方案( 2) 测试时间很短,更能确保不变的日照条件。

　　5  小结

　　本文基于MCU, 设计了可以数控调节、有源、高速响应的可变电阻器模块以及对应的测量电路, 开发出了可获取光伏电池IV 和PV 曲线测试仪。物理实验测试表明, 所获得的光伏电池特性曲线, 形态准确, 数据精度高。该测试仪在光伏电池测试, 太阳能资源评估, 建立光伏电池模型和最大功率点跟踪( MPPT ) [ 810] 等方面有广泛的应用。