基于STM32的小功率光伏模拟器设计研究

廖志贤 周金明 李圆圆

摘   要：文章研究设计了一种基于STM32单片机的光伏模拟器，该设计的拓扑结构采用Buck电路，采用查表法和PID算法相结合的控制方法，实现了小功率光伏模拟器设计。完成了系统软硬件设计和调试，对实验样机进行测试，结果表明，该设计能模拟光伏阵列的输出特性，具有成本低、稳定可靠、人机界面友好等特点，可应用于小功率太阳能照明控制器、光伏逆变器的设计开发测试场合，具有较大的参考价值和较广泛的应用前景。

关键词：光伏模拟器;Buck;查表法;同步整流;开关电源

随着光伏能源技术的不断推广应用，各国对光伏发电技术的研发方兴未艾[1]，在光伏发电技术相关产品的研发、生产过程中，不可避免地需要对产品进行测试，需要光伏电池板接入，测试产品在不同的光伏输出情况下具有不同的性能。然而，使用真实的光伏电池板，往往存在测试不够灵活、不全面的缺陷，因依赖自然条件而难以得到不同输出特性下产品的性能测试结果。为此，本文研究设计了一种以STM32为控制核心，利用Buck同步整流电路为功率转换模块，可模块化串并联的小功率光伏模拟器，它能替代研发测试过程中的太阳能电池板，避免天气等因素影响光伏系统的开发测试，具有很好的应用前景。

1    系统结构

本文设计的阵列模拟器系统是根据Buck拓扑DC/DC转换电路制作的[2]，主要由主微处理器、驱动电路、DC/DC转变电路、电流电压取样、人机交互及供电模块等组成。系统结构如图1所示。

2    硬件设计

本设计中采用Buck同步整流电路为主要DC/DC变换电路[3]，利用N沟道金属—氧化物—半导体（Metal Oxide Semiconductor，MOS）管作为开关器件。以LM2596-adj降压模块提供为12 V的MOS管驱动电压，使用LM2596-5.0模块提供5 V的主控模块及人机交互模块电压。使用低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO）低压损恒压芯片AS1117-3.3将5 V稳压至3.3 V供给STM32核心，使用高性能STM32作为系统主控制器，样机使用的具体型号为STM32F103VET6，在样机上的微控制单元（Micro Control Unit，MCU）上的ADC上加上低压差电压基准REF3030，该基准能提供1‰精度的3.0 V恒压，实现MCU的高精度模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）取样。

3    程序设计

3.1  整体控制思路

本设计实现光伏阵列输出特性曲线的V-I输出，整体的控制思路为：对当前输出的电压电流值取样，运用查表法与预先录入的光伏曲线进行比较，获得当前电压下应输出的功率或电流，将在当前电压下应输出的电流值与当前电流的实际值送入比例—积分—微分（Proportion Integral Differential，PID）调节器，根据PID调节器返回的值更新占空比，如此循环。

3.2  输出曲线追随算法

本设计的光伏阵列模拟研究重点之一为输出特性曲线追踪算法。

在本设计中，输出电压与脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）波当前占空比D相关，理想情况下，当电路稳定且负载R不改变时，占空比也不改变，则输出的电势V及输出电流I均不变，对应于图2的a点[4]。

若此时负载R发生改变为R'，在相当短的时间Δt内系统未作出调节反应，因有输出电容的存在，此时输出电压V'可近似等于V，但输出电流I'会较大区别于I，相当于此时输出对应于图2的b点。此时，主控采集输出电流I'，利用查表法可以查询到当前输出电压与输出电流与输出曲线不符，于是启动调节机制，会将当前采集到的电流I'与特性曲线应输出的电流I送入PID比较器，从而会根据比较器反馈的值，自动调节PWM的占空比，使输出沿图2的线性特性向c点移动。经过数轮上述调节方式调节后，输出电流电压得到更新，将满足预设的输出特性曲线。

3.3  人机交互模块界面

良好的人机交互界面是一个产品设计时需要考虑的方面之一。本设计的光伏模拟器使用了人机界面（Human Machine Interface，HMI）串口屏作为人机交互界面，并为其设计了交互界面用户界面（User Interface，IU），人机交互界面UI如图3所示。

4    测试

按照本文设计方法设计样机（见图4）并通过软硬件分模块测试后，为样机主控MCU装载程序，使用电源提供24 V的電能，使用电子负载模拟用电器，使用万用表分别测量接入指标与输出参数。

测试时，调节电子负载为电压模式，分别设定不同的电压，观察万用表的数据与本设计显示屏的数据，并记录以便分析。根据以上数据，可以描绘制图出本系统的输出电流特性与电压对应曲线，与本设计需复现的光伏曲线的比较如图5所示。

5    结语

本文设计的光伏阵列模拟器，是基于Buck同步变换DC/DC变换拓扑，利用查表法和输出特性曲线跟踪算法设计的，具有体积小、动态响应快的优点，利用本设计，通过串并联可以模拟更大功率的光伏阵列，具有较大的应用前景。

[参考文献]

[1]杨金焕，葛亮，谈蓓月，等.太阳能光伏发电的应用[J].上海电力，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]冯玉，周林，傅望，等.光伏阵列模拟器综述[J].电气传动，2011（11）：3-7.