摘要：为准确方便测量光伏组件的 IV 特性曲线，设计一款基于 STM32F373 的光伏组件 IV 特性测试系统， 可测量开路电压、短路电 流、 IV 曲线、PV 曲线等。该系统由电流控制单元、信号采集单元、软件处理单元、通信单元、上位机显示单元等组成， 采用电子 负载电路， 以 STM32F373 单片机 DAC 输出来调节恒流的电流， 同时采集光伏电池的输出电压， 对采集到的数据进行卡尔曼滤波和 曲线拟合， 将电压、电流、功率生成 IV 、PV 曲线显示在TFT 彩屏上。该系统还可将数据远程传输到 PC 端进行数据分析与曲线观 察。结果表明， 该系统采集曲线准确且速度快， 性能良好， 采集一次 IV 曲线的时间仅需 1 s， 测量的电压电流误差小于 1%。该系统体积小便于携带且内部带有锂电池， 可充电， 可在室外使用。

　　关键词：STM32F373; 光伏组件;IV 特性

　　PV Module IV Characteristic Test System Based on STM32F373 Zheng Wei ，Ai Xuezhong ，Meng Yonglong ，Wang Mingda ，Wang Dongdong

　　(College of Information and Control Engineering, Jilin University of Chemical Technology, Jilin, Jilin 132022. China)

　　Abstract: To accurately and conveniently measure the IV characteristic curve of photovoltaic modules, a photovoltaic module IV characteristic testing system based on STM32F373 is designed, which can measure open circuit voltage, short circuit current, IV curve, PV curve and so on. This system is composed of a current control unit, a signal acquisition unit, a software processing unit, a communication unit, an upper computer display unit and so on, and it adopts an electronic load circuit, which uses the STM32F373 single-chip DAC output to adjust the constant current current value. At the same time, it collects the output voltage value of the photovoltaic cell, performs Kalman filtering and curve fitting on the collected data, and generates IV and PV curves for voltage, current, and power values to be displayed on the TFT color screen finally. The system can also remotely transmit the data to the PC for data analysis and curve observation. The results show that the curves collected by using the system are accurate, fast, and have good performance, the time to collect an IV curve is only 1 s, and the measured voltage and current error is less than 1%. The system is small in size and easy to carry, and has a lithium battery inside, which can be charged and used outdoors.

　　Key words: STM32F373; photovoltaic module; IV characteristic

　　引言

　　由于工业的快速发展和社会经济的扩张， 对能源的 需求每天都在增长。石油、煤炭和其他能源非常有限。 根据国际能源机构的数据， 按照目前的使用速度， 世界 上煤炭的使用年限只有 220 年， 石油和天然气将在 30~60 年内消耗掉。中国的天然气可以开采 30 年， 煤炭可以开 采 80 年[1]。这些都是可再生能源， 产量非常有限。此外， 石油和其他能源的大规模开发和开采对环境和气候造成 了严重破坏，并导致了严重的可持续性挑战。

　　现代能源中太阳能最清洁、无污染且可再生， 是一 种非常受欢迎的可再生能源。光伏发电系统已在许多国 家得到广泛应用[2]。

　　根据 Future Market Insights 的最新市场研究， 2023 年， 太阳能组件市场价值将达到 1 654.7 亿美元。预计至2033 年， 太阳能组件的市场价值将达到 3 552.4 亿美元， 增长率稳定在 8.86%。

　　目前， 地球上的太阳能总量巨大， 足以满足所有能 源需求。如果得到充分开发， 这种高度分散的能源有可 能满足未来所有的能源需求。对每一千瓦时发电而言， 太阳能对环境的影响要轻 20 倍。减少化石燃料使用和碳 排放的环境规范增加了对可再生能源及其来源材料的需 求。这一特征预计将推动未来十年的市场增长。

　　光伏太阳能电池板在出厂时需要测量参数来检测光 伏组件是否符合正常标准， 通常要采集光伏组件的 IV 曲 线、 PV 曲线、开路电压、短路电流[3]。王传才等[4]设计 的 IV 曲线测试系统为多通道， 数据与曲线是通过系统与 上位机通信，将曲线呈现在上位机上。该系统体积较大， 不便于携带与观察。冯志诚等[5]设计的便携式光伏组件IV 特性测试系统在使用上不便捷。市面上其他测量仪器 也具有体积比较大、不易携带、使用不方便等问题。为 解决以上问题， 本文采用 STM32F373 单片机设计出一台 便携的光伏组件测试仪， 该系统由自动电流调节单元、 信号采集单元以及显示单元、通信单元等组成。该设计 使用简单、显示直观、携带方便， 自带锂电池并可以充 电， 便于在室内外测试， 曲线可在 TFT 屏幕上显示也可 通过远程通信发送到 PC 端。

　　1 测量原理

　　1.1 光伏电池的发电原理

　　空穴和自由电子在电厂下的定向运动就形成了电流， 若是把硅片一半做成 P 型半导体， 另一半做成 N 型半导 体，则交界面就成为了 P-N 结[6]。

　　光伏发电的原理： 光照在光伏电池板上， 光的能量 被电子吸收， 电子克服了原子核的束缚， 在 PN 结的交界 处做定向运动形成电流[7]。光伏发电如图 1 所示。

　　1.2 太阳能电路模型

　　太阳能电池的电路数学等效电路模型如图 2 所示。

　　光伏太阳能电池的输出电流与电压是随着光照与温 度的变化而变化的。由图 2 可得出电流电压数学模型[8]：

　　MATLAB 中有光伏组件模型， 可由 Simulink 搭建外 围电路仿真绘制出光伏组件的特性曲线， 由此可以更直 观地观察出温度、光照变化对光伏组件输出电压电流的 影响[11] 。Simulink 搭建的仿真模型如图 3 所示，此电路模 型类似于电子负载， 改变连接在光伏组件的输出电压源 即可改变光伏电池的输出电流， 将连续变化的电压与电 流值绘制成曲线即可更直观地看出曲线的变化规律。此光 伏组件的参数： 开路电压为 36.3 V，短路电流为 7.84 A， 最大功率点电压为 29 V ，最大功率点电流为 7.35 A。

　　不同光照下光伏组件的输出电流与电压曲线如图 4 所 示。由图可知，光伏组件在同等温度下，光照度越强则输 出电流越大，输出电流和光照度成正比，开路电压基本不 受光照度影响，最大功率点的随着光照的增强而增大。

　　相同光照不同温度 IV 曲线如图 5 所示。由图可知， 温度越高输出电压越高， 温度对光伏电池的输出电流基 本没有影响。由于电流不变电压变大则相同光照下温度 越高最大功率点越大。

　　1.3 测量方法

　　将光伏电池板放在室外， 并保持一定的温度与光照 度， 然后连续步进改变连接光伏电池板的负载大小， 同 时测量光伏板的输出电压与电流值， 最后将电流与电压 值绘制成 IV 、PV 曲线。

　　2 硬件系统构成

　　2.1 硬件系统框图

　　硬件系统由单片机、 IV 测量电路、电流电压采集电路、温度光照度电路等部分组成(如图 6 所示)， 其中 IV曲线测量电路采用的是电子负载电路， 由单片机 DAC 输出模拟量来调节负载电流，同时采集太阳能电池板的输出电压与电流，采集完毕后通过串口将数据传送到计算机。

　　2.2 电子负载电路设计如图7所示，该设计中I 曲线测量电路采用电子负载电路4 ，电子负载的原理是调节 MOS 管的栅极电压来改变 MOS管的导通深度，从而调节漏源极的电流。此电路为负反馈电路，在运放的同向端输入一个固定电压由运放的虚短虚断特性可知运放的反向端等于同向端电压 ，同时反向端连接到电阻 R6 使得 R6 两端的电压恒定则电阻 R6 的电流也恒定，运放输出端连接 MOS管的栅极使得 MOS管的漏源级电流等于电阻 R6 的电流。C2为补偿电容，为防 MOS振荡，R2为栅极驱动电阻。若调节MOS 的电流则只需调节运放的输入电压，此处电压由单片机 DAC提供。其 DAC输出电压对应 MOS 电流公式为：

　　2.3 DAC 输出电路

　　STM32 单片机的 DAC输出为电压型输出，此类型输出电压有死区，实际测试中在50 mv 以下电压没有线性改变，始终输出50 mv，因此DAC输出到电子负载就不可从0起调节。此设计中采用的方案(图8)为初始DAC输出电压为 100 mv，外端接运放减法器电路减去 100 mV即运放减法器输出电压从0开始，实现了电子负载从0起调节。R9 与R14 组成分压电路，R14端电压为100mV输入运放的同向端，DAC-1 电压等于DAC 电压减去100 mV。采用光伏电池 ，最大输出电流为5.89 A，为预留一些电流，将最大输出电流限制在6A。R6 采用 0.05 Ω的康铜丝， 由式(2)可计算出 DAC-0.1 电压范围为 0~0.3 V， 由 于减法器的作用，单片机的 DAC 的输出范围为 0.1~0.4 V。

　　24电压电流采集光伏电压采集电路采用运放跟随器1+1.将光伏电压分压后接入运放的同向端，运放的反向端连接到输出端。此测量电路可以提高输入阻抗，减小输出阻抗，测得的电压比较精准。本设计中电流采样电阻较小，所以采样电阻上的电压较小，若是直接接入单片机测量会导致测量不精确。本设计先将采样电阻的电压接入同向放大器放大一定倍数后接入单片机测量，在程序中采集到的电压值除以放大倍数再除以采样电阻就可以得到电流值。电压电流采样电路如图9所示。

　　3.软件系统设计

　　软件系统包括下位机数据采集以及上位机显示。本设计中下位机采用的主控制器为 STM32F373CCT6.其内部有 16 位高精度 SDADC 通道，可精确测量出本设计所需求的电压、电流与温度值。单片机内部 12 位高精度DAC 可精准步进输出0.001V.3.1软件测试流程DAC 步进输出电压软件系统流程如图 10 所示。控制电子负载来调节输出电流，共叠加输出300 次。

　　电子负载的电流从 0开始上升 ，光伏电池板的电压开始会恒定在一定值 ，当电流达到最大时 ，电压会减小。在增大输出电流的同时采集光伏电池板的输出电流与输出电压， 并且进行卡尔曼滤波， 后再计算出此时的功率。待 300 次采集完毕后再采集该时刻的光 伏组的表面温度与太阳的光照度值， 最后连同电压、电 流、功率值一起通过串口发送到上位机进行显示。

　　3.2 曲线拟合

　　由于元器件的精度、运放以及单片机 ADC 的输出漂 移问题，采集到的太阳能电压、电流与实际电压、电流会 有一定误差，通常要采用曲线拟合来校准测量值，最常用 的方法为最小二乘法[15]。最小二乘法是一种数据优化技 术，它的原理是通过最小化误差的平方和来寻找最优的数 学公式匹配。基本公式[16-18]如式(7)所示， m 表示有 m 个等式，n 表示有 n 个未知数，将其用矩阵表示为式(8)。

　　电压曲线拟合数据如表 1所示。利用表 1所示的采集 到的数据做线性回归， 拟合后的函数公式为：

　　y = -0.004 2x2 + 0.146 1x − 0.004 1 ( 9)

      该系统中首先对采集到的电压、电流进行卡尔曼滤波， 然后采用最小二乘法对采集到的电压、电流进行曲线拟合。由图 11、表 1 可看出曲线拟合效果良好， 电压误差小于 0.02%。

　　4 实验结果分析

　　4.1 测试过程

　　文中采用的光伏组件最大功率为 100 W， 最大功率 点电压为 18 V，最大功率点电流为 5.56 A， 开路电压为 22 V，短路电流为5.96 A。实物及测试场地如图12所示。

　　4.2 曲线分析

　　上位机接收到单片机发送来的数据后导入到 Matlab 中生成 IV、PV 曲线， 如图 13~14所示。由图可知， 测量 到的数据曲线效果比较理想， 基本接近于 Matlab仿真的 曲线效果， 由曲线可看出不同光照下光伏电池板的输出 最大电流也不同， 光照度越强输出电流越大， 输出功率 也越大， 开路电压在功率没有达到最大功率点时基本不 变。曲线略微抖动是由于测试时天气引起的光照度变化 导致的，在实际运用中并不产生影响。

　　5 结束语

　　为方便便携测量光伏组件的 IV 曲线， 本文将电子负 载电路与 DAC校准电路作为调节光伏组件的输出电流电 路， 以单片机高速 ADC采样来快速测量曲线数据， 同时 采用卡尔曼滤波与最小二乘法数据拟合使得数据更精确。 结果表明，测量到的 IV、PV 曲线符合光伏组件的特性曲 线， 电压在最大功率点之后随着电流的增加而减小， 输 出电流大小随着光照强度的增强而增强。在最大输出功 率时继续加大负载则功率下降符合 PV特性。所设计的系 统测试过程简单、方便使用且曲线生成快， 采集一次 IV 曲线的时间仅需 1 s， 测量的电压电流误差小于 1%。由 于该系统体积小便于携带， 内含锂电池可充电， 在室外 无电源的情况下也可使用。相较于传统的光伏组件， 该 系统更适合室内外使用。

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