基于STM32的小功率光伏模擬器設(shè)計(jì)研究

廖志賢 周金明 李圓圓

摘? ?要：文章研究設(shè)計(jì)了一種基于STM32單片機(jī)的光伏模擬器，該設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用Buck電路，采用查表法和PID算法相結(jié)合的控制方法，實(shí)現(xiàn)了小功率光伏模擬器設(shè)計(jì)。完成了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能模擬光伏陣列的輸出特性，具有成本低、穩(wěn)定可靠、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，可應(yīng)用于小功率太陽能照明控制器、光伏逆變器的設(shè)計(jì)開發(fā)測(cè)試場(chǎng)合，具有較大的參考價(jià)值和較廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：光伏模擬器;Buck;查表法;同步整流;開關(guān)電源

隨著光伏能源技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，各國對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)的研發(fā)方興未艾[1]，在光伏發(fā)電技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)過程中，不可避免地需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，需要光伏電池板接入，測(cè)試產(chǎn)品在不同的光伏輸出情況下具有不同的性能。然而，使用真實(shí)的光伏電池板，往往存在測(cè)試不夠靈活、不全面的缺陷，因依賴自然條件而難以得到不同輸出特性下產(chǎn)品的性能測(cè)試結(jié)果。為此，本文研究設(shè)計(jì)了一種以STM32為控制核心，利用Buck同步整流電路為功率轉(zhuǎn)換模塊，可模塊化串并聯(lián)的小功率光伏模擬器，它能替代研發(fā)測(cè)試過程中的太陽能電池板，避免天氣等因素影響光伏系統(tǒng)的開發(fā)測(cè)試，具有很好的應(yīng)用前景。

1? ? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的陣列模擬器系統(tǒng)是根據(jù)Buck拓?fù)銬C/DC轉(zhuǎn)換電路制作的[2]，主要由主微處理器、驅(qū)動(dòng)電路、DC/DC轉(zhuǎn)變電路、電流電壓取樣、人機(jī)交互及供電模塊等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2? ? 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用Buck同步整流電路為主要DC/DC變換電路[3]，利用N溝道金屬—氧化物—半導(dǎo)體（Metal Oxide Semiconductor，MOS）管作為開關(guān)器件。以LM2596-adj降壓模塊提供為12 V的MOS管驅(qū)動(dòng)電壓，使用LM2596-5.0模塊提供5 V的主控模塊及人機(jī)交互模塊電壓。使用低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator，LDO）低壓損恒壓芯片AS1117-3.3將5 V穩(wěn)壓至3.3 V供給STM32核心，使用高性能STM32作為系統(tǒng)主控制器，樣機(jī)使用的具體型號(hào)為STM32F103VET6，在樣機(jī)上的微控制單元（Micro Control Unit，MCU）上的ADC上加上低壓差電壓基準(zhǔn)REF3030，該基準(zhǔn)能提供1‰精度的3.0 V恒壓，實(shí)現(xiàn)MCU的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）取樣。

3? ? 程序設(shè)計(jì)

3.1? 整體控制思路

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)光伏陣列輸出特性曲線的V-I輸出，整體的控制思路為：對(duì)當(dāng)前輸出的電壓電流值取樣，運(yùn)用查表法與預(yù)先錄入的光伏曲線進(jìn)行比較，獲得當(dāng)前電壓下應(yīng)輸出的功率或電流，將在當(dāng)前電壓下應(yīng)輸出的電流值與當(dāng)前電流的實(shí)際值送入比例—積分—微分（Proportion Integral Differential，PID）調(diào)節(jié)器，根據(jù)PID調(diào)節(jié)器返回的值更新占空比，如此循環(huán)。

3.2? 輸出曲線追隨算法

本設(shè)計(jì)的光伏陣列模擬研究重點(diǎn)之一為輸出特性曲線追蹤算法。

在本設(shè)計(jì)中，輸出電壓與脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）波當(dāng)前占空比D相關(guān)，理想情況下，當(dāng)電路穩(wěn)定且負(fù)載R不改變時(shí)，占空比也不改變，則輸出的電勢(shì)V及輸出電流I均不變，對(duì)應(yīng)于圖2的a點(diǎn)[4]。

若此時(shí)負(fù)載R發(fā)生改變?yōu)镽'，在相當(dāng)短的時(shí)間Δt內(nèi)系統(tǒng)未作出調(diào)節(jié)反應(yīng)，因有輸出電容的存在，此時(shí)輸出電壓V'可近似等于V，但輸出電流I'會(huì)較大區(qū)別于I，相當(dāng)于此時(shí)輸出對(duì)應(yīng)于圖2的b點(diǎn)。此時(shí)，主控采集輸出電流I'，利用查表法可以查詢到當(dāng)前輸出電壓與輸出電流與輸出曲線不符，于是啟動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制，會(huì)將當(dāng)前采集到的電流I'與特性曲線應(yīng)輸出的電流I送入PID比較器，從而會(huì)根據(jù)比較器反饋的值，自動(dòng)調(diào)節(jié)PWM的占空比，使輸出沿圖2的線性特性向c點(diǎn)移動(dòng)。經(jīng)過數(shù)輪上述調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)后，輸出電流電壓得到更新，將滿足預(yù)設(shè)的輸出特性曲線。

3.3? 人機(jī)交互模塊界面

良好的人機(jī)交互界面是一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的方面之一。本設(shè)計(jì)的光伏模擬器使用了人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）串口屏作為人機(jī)交互界面，并為其設(shè)計(jì)了交互界面用戶界面（User Interface，IU），人機(jī)交互界面UI如圖3所示。

4? ? 測(cè)試

按照本文設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)樣機(jī)（見圖4）并通過軟硬件分模塊測(cè)試后，為樣機(jī)主控MCU裝載程序，使用電源提供24 V的電能，使用電子負(fù)載模擬用電器，使用萬用表分別測(cè)量接入指標(biāo)與輸出參數(shù)。

測(cè)試時(shí)，調(diào)節(jié)電子負(fù)載為電壓模式，分別設(shè)定不同的電壓，觀察萬用表的數(shù)據(jù)與本設(shè)計(jì)顯示屏的數(shù)據(jù)，并記錄以便分析。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以描繪制圖出本系統(tǒng)的輸出電流特性與電壓對(duì)應(yīng)曲線，與本設(shè)計(jì)需復(fù)現(xiàn)的光伏曲線的比較如圖5所示。

5? ? 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的光伏陣列模擬器，是基于Buck同步變換DC/DC變換拓?fù)?，利用查表法和輸出特性曲線跟蹤算法設(shè)計(jì)的，具有體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，利用本設(shè)計(jì)，通過串并聯(lián)可以模擬更大功率的光伏陣列，具有較大的應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

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