基于STM32的小功率光伏模擬器設計研究

廖志賢 周金明 李圓圓

摘? ?要：文章研究設計了一種基于STM32單片機的光伏模擬器，該設計的拓撲結構采用Buck電路，采用查表法和PID算法相結合的控制方法，實現了小功率光伏模擬器設計。完成了系統軟硬件設計和調試，對實驗樣機進行測試，結果表明，該設計能模擬光伏陣列的輸出特性，具有成本低、穩定可靠、人機界面友好等特點，可應用于小功率太陽能照明控制器、光伏逆變器的設計開發測試場合，具有較大的參考價值和較廣泛的應用前景。

關鍵詞：光伏模擬器;Buck;查表法;同步整流;開關電源

隨著光伏能源技術的不斷推廣應用，各國對光伏發電技術的研發方興未艾[1]，在光伏發電技術相關產品的研發、生產過程中，不可避免地需要對產品進行測試，需要光伏電池板接入，測試產品在不同的光伏輸出情況下具有不同的性能。然而，使用真實的光伏電池板，往往存在測試不夠靈活、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品的性能測試結果。為此，本文研究設計了一種以STM32為控制核心，利用Buck同步整流電路為功率轉換模塊，可模塊化串并聯的小功率光伏模擬器，它能替代研發測試過程中的太陽能電池板，避免天氣等因素影響光伏系統的開發測試，具有很好的應用前景。

1? ? 系統結構

本文設計的陣列模擬器系統是根據Buck拓撲DC/DC轉換電路制作的[2]，主要由主微處理器、驅動電路、DC/DC轉變電路、電流電壓取樣、人機交互及供電模塊等組成。系統結構如圖1所示。

2? ? 硬件設計

本設計中采用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—半導體（Metal Oxide Semiconductor，MOS）管作為開關器件。以LM2596-adj降壓模塊提供為12 V的MOS管驅動電壓，使用LM2596-5.0模塊提供5 V的主控模塊及人機交互模塊電壓。使用低壓差線性穩壓器（Low Dropout Regulator，LDO）低壓損恒壓芯片AS1117-3.3將5 V穩壓至3.3 V供給STM32核心，使用高性能STM32作為系統主控制器，樣機使用的具體型號為STM32F103VET6，在樣機上的微控制單元（Micro Control Unit，MCU）上的ADC上加上低壓差電壓基準REF3030，該基準能提供1‰精度的3.0 V恒壓，實現MCU的高精度模數轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）取樣。

3? ? 程序設計

3.1? 整體控制思路

本設計實現光伏陣列輸出特性曲線的V-I輸出，整體的控制思路為：對當前輸出的電壓電流值取樣，運用查表法與預先錄入的光伏曲線進行比較，獲得當前電壓下應輸出的功率或電流，將在當前電壓下應輸出的電流值與當前電流的實際值送入比例—積分—微分（Proportion Integral Differential，PID）調節器，根據PID調節器返回的值更新占空比，如此循環。

3.2? 輸出曲線追隨算法

本設計的光伏陣列模擬研究重點之一為輸出特性曲線追蹤算法。

在本設計中，輸出電壓與脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）波當前占空比D相關，理想情況下，當電路穩定且負載R不改變時，占空比也不改變，則輸出的電勢V及輸出電流I均不變，對應于圖2的a點[4]。

若此時負載R發生改變為R'，在相當短的時間Δt內系統未作出調節反應，因有輸出電容的存在，此時輸出電壓V'可近似等于V，但輸出電流I'會較大區別于I，相當于此時輸出對應于圖2的b點。此時，主控采集輸出電流I'，利用查表法可以查詢到當前輸出電壓與輸出電流與輸出曲線不符，于是啟動調節機制，會將當前采集到的電流I'與特性曲線應輸出的電流I送入PID比較器，從而會根據比較器反饋的值，自動調節PWM的占空比，使輸出沿圖2的線性特性向c點移動。經過數輪上述調節方式調節后，輸出電流電壓得到更新，將滿足預設的輸出特性曲線。

3.3? 人機交互模塊界面

良好的人機交互界面是一個產品設計時需要考慮的方面之一。本設計的光伏模擬器使用了人機界面（Human Machine Interface，HMI）串口屏作為人機交互界面，并為其設計了交互界面用戶界面（User Interface，IU），人機交互界面UI如圖3所示。

4? ? 測試

按照本文設計方法設計樣機（見圖4）并通過軟硬件分模塊測試后，為樣機主控MCU裝載程序，使用電源提供24 V的電能，使用電子負載模擬用電器，使用萬用表分別測量接入指標與輸出參數。

測試時，調節電子負載為電壓模式，分別設定不同的電壓，觀察萬用表的數據與本設計顯示屏的數據，并記錄以便分析。根據以上數據，可以描繪制圖出本系統的輸出電流特性與電壓對應曲線，與本設計需復現的光伏曲線的比較如圖5所示。

5? ? 結語

本文設計的光伏陣列模擬器，是基于Buck同步變換DC/DC變換拓撲，利用查表法和輸出特性曲線跟蹤算法設計的，具有體積小、動態響應快的優點，利用本設計，通過串并聯可以模擬更大功率的光伏陣列，具有較大的應用前景。

[參考文獻]

[1]楊金煥，葛亮，談蓓月，等.太陽能光伏發電的應用[J].上海電力，2006（4）：355-361.

[2]JEWELL W T，UNRUH T D.Limits on cloud-induced fluctuation in photovoltaic generation[J].Institute of Electrical and Electronics Engineers Transactions on Energy Conversion，1990（1）：8-14.

[3]QIAO G.Design and development of a computer-controlled PV array simulator[J].Semiconductor Photonics and Technology，2010（2）：468-473.

[4]馮玉，周林，傅望，等.光伏陣列模擬器綜述[J].電氣傳動，2011（11）：3-7.