MCU控制的光伏电池测试仪设计

2011-06-04 10:29:59来源: 互联网

0 引言
    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。
    国内在建立光伏电池数学模型,最大功率点跟踪(MPPT)等方面已经做了很多研究工作。文献利用光伏电池生产厂商提供的4个电气参数(Isc,Voc,IM和VM),提出了一个简化的数学模型,以模拟其在不同光照和温度下的I-V特性曲线。文献在太阳电池数学模型的基础上,设计了模拟太阳能I-V特性的生成电路。文献利用太阳能电池数学模型,根据气象资料估算太阳电池的年发电量。上述文献的研究,都是在认同光伏电池特性曲线基本形态的前提下,基于Isc,Voc,等特殊点,以数学模拟的方法获得相应的特性曲线。

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I-V特性和伏瓦特性曲线。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I-V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Rdso=1/2KN(VGS-VT),其中KN为电导常数,VT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I-V和P-V特性实时、自动检测,设计了基于STC-12C5A60S2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=10V时,RDS =0.030Ω。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STC-12C5AS2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TLV5616。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。

[1] [2]

关键字:光伏电池测试仪  MCU控制

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2011/0604/article_2599.html
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