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是一個基本要素，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模型，最大功率點跟蹤(MPPT)等方面已經做了很多研究工作。文獻利用光伏電池生產廠商提供的4個電氣參數(Isc，Voc，IM和VM)，提出了一個簡化的數學模型，以模擬其在不同光照和溫度下的I-V特性曲線。文獻在太陽電池數學模型的基礎上，設計了模擬太陽能I-V特性的生成電路。文獻利用太陽能電池數學模型，根據氣象資料估算太陽電池的年發電量。上述文獻的研究，都是在認同光伏電池特性曲線基本形態的前提下，基于Isc，Voc，等特殊點，以數學模擬的方法獲得相應的特性曲線。

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境(如日照強度、溫度、負載等)以及本身技術指標(如輸出阻抗)的影響，使得光伏電池的輸出功率發生變化，其實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，都是在一個對應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，要么寄希望于有穩定的日照，要么必須在盡可能短的時段內，完成全域測量，顯然后者更易于把握。測量精度取決于：全域測量時間的長度，每一點上，二個坐標數據采集的同時性。
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。它只能做到有級調節，要實現精確調節、電阻自動數控調節卻很困難。斬波式可變電阻器采用脈寬調制(PWM)技術，對固定電阻進行斬波控制，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，太陽能電池的輸出電壓隨輸出電流不同而發生非線性變化，不宜采用。
本文涉及的外部負載，利用工作在可變電阻區的功率MOSFET管，來模擬可控電阻，通過施加數控的電壓信號，實現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，當場效應管工作于可變電阻區時，電阻值Rdso=1／2KN(VGS-VT)，其中KN為電導常數，VT為開啟電壓。可見Rdso是由柵極電壓VGS控制的可變電阻。

2 硬件電路設計和實現
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特性實時、自動檢測，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D／A轉換電路和電壓反饋，跟蹤調節柵極電壓VGS。通過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。單片機通過串口與上位機通信，實現數據處理和顯示。

2．2 MOSFET管驅動電路
場效應管驅動電路如圖3所示。采用型號為IRFP150的功率MOSFET管模擬可變電阻器，因其具有超低導通電阻，柵極電壓VGS=10V時，RDS =0．030Ω。并聯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MOSFET管均流，采用統一驅動源，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／數轉換器MAX187和數／模轉換器TLV5616。當基準電壓為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的柵極電壓跟蹤調節器，如圖4所示。