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。
為準確測量光伏電池的短路電流，加入1．5 V補償電源，采用TI公司低電壓大電流電源模塊PTH05010制作。若電壓測量值為U1，光伏電池兩端實際電壓為U=U1-1．5，當U1=1．5 V時，可測得光伏電池的短路電流。
2．4 輔助電路
測試儀供電電路有12 V和5 V兩種，分別供給單電源運放和其他芯片。為了兼顧供電效率和電源質量，采用降壓式DC／DC控制器MAX1745(效率90％以上)，結合低壓差穩壓器(LDO)TLV1117(線性穩壓紋波很小)，設計了5～12V電路。DC／DC電路開關頻率最高300 kHz，電源最大功率50 W。
3 軟件設計
軟件采用Keil編譯環境下的C語言編程。程序設計流程，通過PC機向MCU串口發送測量控制指令，并接受測量數據。下位機MCU接收到測量指令后，通過不斷改變控制電壓信號UD。來改變外接負載。每次測量開始，控制電壓增加△U，然后采集一個點的電壓電流。直到測量到短路電流，測量結束。考慮到光伏電池兩端電壓電流變化的延時性，用定時器控制采點時間，每隔50 ms采集一次數據。
4 試驗驗證
根據方案設計制作樣機進行試驗，采用英利產品，型號為110(17)P1470×680的多晶硅光伏電池板。在自然光照情況下，對單塊光伏電池進行測試。
廠家提供的Isc，Voc，IM和VM是在標準測試條件下(光強1 000 W／m2，電池溫度25℃)測得參數在實際測試中，很難實現，故按照下列方案進行：
(1)根據太陽能電池簡化數學模型，模擬理論輸出特性曲線。
根據固體物理理論推導出來的太陽能非線性I-V特性方程，其簡化數學模型是：
用直流電子負載PEL-300(臺灣固緯)采點測試當前自然條件下，Isc=4．2 A，Voc=20．5 V，IM=3．6 A和VM=15．3 V。將上述參數帶入簡化模型，求得理論近似I-V曲線和P-V曲線。
(2)使用本文開發的測試儀，與方案(1)同時測試，以保證相同的日照條件，測得的試驗數據和曲線，如圖5和表1所示。
二種方案所得的理論和試驗曲線吻合度較好，驗證了設計的可行性。并且比較兩者，考慮到影響光伏電池輸出特性的內、外部因素復雜，實驗曲線比理論曲線更接近電池板實際工作狀況，因為方案(2)測試時間很短，更能確保不變的日照條件。
5 結語
本文基于MCU，設計了可以數控調節、有源、高速響應的可變電阻器模塊以及對應的測量電路，開發出了可獲取光伏電池I-V和P-V曲線測試儀。物理實驗測試表明，所獲得的光伏電池特性曲線，形態準確，數據精度高。該測試儀在光伏電池測試，太陽能資源評估，建立光伏電池模型和最大功率點跟蹤(MPPT)等方面有廣泛的應用。