基于FPGA的雙模式光伏電池測(cè)試儀

摘要：為了解決傳統(tǒng)的光伏測(cè)試儀功能單一，只能夠測(cè)量光伏電池基本參數(shù)的問(wèn)題，采用了增加采樣信道，由FPGA控制采樣模式的方法，設(shè)計(jì)完成了一款雙模式的光伏電池測(cè)試儀。在完成光伏電池I-V曲線等參數(shù)測(cè)量的同時(shí)可以實(shí)時(shí)的檢測(cè)光伏電池的工作狀態(tài)，為光伏電池的維護(hù)提供了便利。同時(shí)，使用電容代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子負(fù)載作為采樣負(fù)載，提高了對(duì)開(kāi)路電壓和I-V曲線的測(cè)量精度。
關(guān)鍵詞：FPGA；I-V曲線；電容負(fù)載；實(shí)時(shí)檢測(cè)

目前，世界各國(guó)對(duì)新型能源的應(yīng)用日益增多，太陽(yáng)能作為新型能源的一種，有著安全可靠、無(wú)噪聲、無(wú)污染、無(wú)需消耗燃料、可方便地與建筑物相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)。光伏電池及組件作為光伏轉(zhuǎn)化的主要器件，從2001年起，平均年增長(zhǎng)率高達(dá)30％以上。所以，對(duì)光伏電池及組件的測(cè)試要求也在逐步提高。目前的絕大多數(shù)組件都是固定在室外工作的，為了評(píng)價(jià)這些組件的參數(shù)性能和了解組件當(dāng)前的工作狀況，市場(chǎng)和用戶都需要一種方便攜帶、測(cè)量快速、結(jié)果精準(zhǔn)的測(cè)試儀器。目前市場(chǎng)上此類儀器較少，功能也相對(duì)單一，一般只能完成參數(shù)測(cè)量的工作，并不能對(duì)光伏電池當(dāng)前的工作情況作出準(zhǔn)確的判斷。本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的光伏電池測(cè)試儀，可以工作在兩種工作模式下，不僅可以測(cè)得電池或組件的相關(guān)參數(shù)，而且可以實(shí)時(shí)檢測(cè)電池或組件的當(dāng)前工作狀況。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作模式
系統(tǒng)由兩個(gè)采樣模塊分別采集參數(shù)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)工作數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA控制多路器選通信號(hào)后經(jīng)ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后由LCM顯示。同時(shí)，系統(tǒng)還提供了一定的存儲(chǔ)功能，可以將測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FLASH芯片中，通過(guò)RS 232接口與上位機(jī)通信，為數(shù)據(jù)的后續(xù)分析提供了方便。
參數(shù)采樣模式完成與傳統(tǒng)的光伏測(cè)試儀相同的功能，通過(guò)采樣電路采集光伏電池或組件的I-V曲線參數(shù)、開(kāi)路電壓和短路電流值，并完成轉(zhuǎn)化效率η和填充因子FF計(jì)算。
由于光伏組件大多在戶外布置，這對(duì)組件的檢測(cè)和維護(hù)造成了一定的困難。同時(shí)，光伏網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)負(fù)載供電的電源有光伏組件和蓄電池一起供電，為了防止“過(guò)充”和“過(guò)放”的問(wèn)題，測(cè)試儀在實(shí)時(shí)檢測(cè)模式時(shí)，除了完成對(duì)光伏組件輸出電流、輸出電壓和輸出功率的檢測(cè)外，還能夠?qū)夥到y(tǒng)中的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 電路設(shè)計(jì)
對(duì)光伏組件的采樣過(guò)程中，由于參數(shù)采樣和實(shí)時(shí)檢測(cè)的采樣負(fù)載不同，參數(shù)采樣通過(guò)對(duì)負(fù)載連續(xù)變化時(shí)，光伏組件的輸出電流和輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)得到連續(xù)變化的I-V曲線；實(shí)時(shí)檢測(cè)過(guò)程中，采樣負(fù)載是光伏系統(tǒng)的負(fù)載。為了完成兩種采樣的不同要求，需要分別設(shè)計(jì)兩個(gè)采樣模塊的電路。
2．1 I-V曲線采樣電路
測(cè)試儀器測(cè)量I-V曲線的常用方法是通過(guò)連續(xù)變化負(fù)載的大小，傳統(tǒng)使用的電阻負(fù)載在測(cè)量開(kāi)路電壓中，并不能直接測(cè)得準(zhǔn)確的數(shù)值。為了避免這些問(wèn)題，系統(tǒng)采用電容作為采樣負(fù)載。原理對(duì)比圖如圖1所示。

圖1中傳統(tǒng)的電阻負(fù)載，電路中的電流和電壓并不能連續(xù)變化，電阻的阻值也不可能達(dá)到無(wú)限大，測(cè)得的開(kāi)路電壓值會(huì)存在誤差。在使用電容作為采樣負(fù)載時(shí)，通過(guò)對(duì)電容進(jìn)行充放電過(guò)程采樣來(lái)得到I-V曲線，電流值和電壓值連續(xù)變化，整個(gè)充電過(guò)程可以將電容等效為一個(gè)可變電阻，能得到光伏電池更準(zhǔn)確的參數(shù)。電容充電前可以等效為一個(gè)無(wú)窮大的電阻負(fù)載，在不需要使用補(bǔ)償法的情況下，對(duì)開(kāi)路電壓值的測(cè)量更加精確。
2．2 實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓采集電路
電池在正常工作狀態(tài)下，由霍爾電壓傳感器得到電池組當(dāng)前的電壓值，通過(guò)電壓跟隨器之后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。如圖2所示，其中LM324起到電壓跟隨器的作用。

2．3 實(shí)時(shí)檢測(cè)電流采集電路
在光伏系統(tǒng)中，為負(fù)載供電的除了光伏電池外還有蓄電池，因此，在光伏系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，蓄電池會(huì)有充電和放電兩種模式。光伏系統(tǒng)中測(cè)得的電流可能是充電電流也有可能是蓄電池的放電電流，為了準(zhǔn)確的測(cè)得電流的大小，設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)單向電流檢測(cè)放大器MAX4172來(lái)完成電流的雙向檢測(cè)。

如圖3所示，當(dāng)VRS+>VRS-時(shí)，蓄電池為負(fù)載供電，器件A工作；當(dāng)VRS->VRS+時(shí)，光伏電池向蓄電池充電，器件B工作。利用一個(gè)通用的運(yùn)算放大器將兩個(gè)放大器的輸出電流轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷?。VREF設(shè)置為0電流對(duì)應(yīng)的輸出電壓。器件A工作時(shí)，輸出電壓高于VREF，而當(dāng)器件B工作時(shí)，輸出電壓低于VREF。

3 模塊設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)由控制模塊、初始化模塊、存儲(chǔ)模塊、顯示模塊以及串口通行模塊組成，如圖4所示。

圖4中，控制模塊對(duì)系統(tǒng)整個(gè)進(jìn)程進(jìn)行控制；初始化模塊對(duì)程控放大芯片進(jìn)行合理配置并對(duì)兩種模式下采樣信道選擇；顯示模塊和串口通信模塊為用戶獲取最后的結(jié)果提供兩種途徑。系統(tǒng)中的各數(shù)字模塊都是基于FPGA使用Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)的軟件采用的是Alter公司提供的quartusⅡ開(kāi)發(fā)工具。
3．1 控制模塊
控制模塊由一個(gè)16態(tài)的獨(dú)熱碼編碼的Melay狀態(tài)機(jī)構(gòu)成，通過(guò)狀態(tài)機(jī)控制各功能模塊的運(yùn)行，控制模塊流程圖如圖5所示。

3．2 初始化模塊
初始化模塊根據(jù)模式選擇信號(hào)選通不同的采樣模塊，同時(shí)，根據(jù)電池組電流電壓大小調(diào)節(jié)程控放大芯片的放大系數(shù)，使測(cè)得的電流值和電壓值能適應(yīng)AD芯片的要求，從而能更好的利用AD芯片的分辨率。并且，開(kāi)路電流和短路電壓的測(cè)量也是在初始化模塊中完成，通過(guò)開(kāi)路電流和短路電壓的大小來(lái)計(jì)算出電容的充電時(shí)間，以確定采樣時(shí)間的長(zhǎng)短，從而來(lái)確定采樣頻率。
為了滿足不同類型電池組的測(cè)量需要，在設(shè)計(jì)中使用了兩級(jí)放大電路，將BURR-BROWN公司生產(chǎn)的PGA202、PGA203級(jí)聯(lián)以獲得1～8 000的16級(jí)增益。由于所選用AD芯片的輸入范圍是在0～2 V之間，通過(guò)分壓之后的信號(hào)，通過(guò)不同的放大倍數(shù)逐步增大以逼近這個(gè)采樣范圍，從而配置合適的放大系數(shù)。
3．3 采樣模塊
設(shè)計(jì)中AD芯片選用的是ADI公司生產(chǎn)的AD9245-40。AD9245是一款低功耗，3 V單電源，14位分辨率，40 MSPS最高轉(zhuǎn)換速率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。該芯片的Pipeline Delay為7個(gè)時(shí)鐘周期。
由于是高速采樣，采樣結(jié)果需要通過(guò)FIFO緩沖之后再存入讀寫(xiě)速率較低的FLASH芯片中。光伏電池參數(shù)的采集和實(shí)時(shí)檢測(cè)所采用的采樣頻率不同，因此，使用一個(gè)多路選擇器的子模塊對(duì)當(dāng)前的采樣頻率進(jìn)行選擇：在I-V曲線的測(cè)量中，采樣的頻率是電容的充電時(shí)間來(lái)決定的；而在實(shí)時(shí)檢測(cè)時(shí)，只需要給AD一個(gè)固定的采樣頻率即可。在AD芯片與FIFO通信時(shí)，由于AD9245-40的最低采樣頻率是1 MSPS，所以輸出的AD時(shí)鐘頻率不能小于1 MHz。這時(shí)要實(shí)現(xiàn)低于1 MHz的采樣，只需降低FIFO的寫(xiě)時(shí)鐘即可。
3．4 存儲(chǔ)模塊
因?yàn)镕IFO本身的限制，在測(cè)量完成之后，需要將測(cè)得的數(shù)據(jù)存入FLASH芯片中，以便于以后的實(shí)驗(yàn)室分析。在考慮到戶外大量測(cè)試需要一定的存儲(chǔ)容量的情況下，設(shè)計(jì)中選用的存儲(chǔ)芯片是三星公司生產(chǎn)的NAND閃存芯片K9F6408U0C，該芯片能夠提供8M×8b的存儲(chǔ)空間和256K× 8b的輔助存儲(chǔ)空間，由1．8～3．3 V的電壓驅(qū)動(dòng)，能夠較好的滿足戶外測(cè)量的需要。
3．5 顯示模塊
在完成數(shù)據(jù)的采集后，存入FIFO的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波后重新存入FIFO中，并將FIFO的讀指針置位，譯碼后通過(guò)一塊320×240的液晶屏顯示。設(shè)計(jì)選用的液晶屏是北京青陽(yáng)公司的LCM3202403，該液晶屏的內(nèi)置顯示控制芯片是SID13700。
顯示模塊的主要功能是完成液晶屏的配置和參數(shù)設(shè)定，提供SID13700的工作時(shí)序，將I-V曲線相關(guān)的采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)點(diǎn)以完成曲線的繪制，并將短路電流、開(kāi)路電壓、填充因子、最大功率點(diǎn)功率、最大功率點(diǎn)電壓、最大功率點(diǎn)電流以及實(shí)時(shí)檢測(cè)的電流值和電壓值等相關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)化為顯示字符。
3．6 串口通信模塊
為了能夠?qū)⒉杉玫降臄?shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，測(cè)試儀需要具備和上位機(jī)通信的功能。設(shè)計(jì)采用RS 232實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信。采用MAX 232芯片將RS 232接口的電平轉(zhuǎn)化。RS 232在控制模塊的時(shí)序控制下，讀取存儲(chǔ)在FLASH芯片中的數(shù)據(jù)并按照115 200 b／s進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

4 結(jié)果與分析
使用開(kāi)路電壓為72．3 V，短路電流為1．8 A，填充因子為72％的多晶光伏組件進(jìn)行戶外測(cè)試，參數(shù)檢測(cè)模式下測(cè)得數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳遞給上位機(jī)，得到較平滑的I-V曲線，其中Im=1．53 A，Vm=57．24 V，Pm=87．54 W，F(xiàn)F=0．67，VOC=71．8 V，ISC=1．68 A，參數(shù)指標(biāo)與組件參數(shù)基本吻合。由于是用戶外光照條件和電容采樣，對(duì)測(cè)得的參數(shù)造成一定的誤差。

在實(shí)時(shí)檢測(cè)模式下，對(duì)相同的電池組件進(jìn)行測(cè)試，得到3組組件工作狀態(tài)輸出參數(shù)，如表1所示，符合光伏組件輸出曲線。

5 結(jié)語(yǔ)
測(cè)試儀使用電容作為采樣負(fù)載，由于使用FPGA作為控制芯片，采樣頻率較高，使所選用的采樣電容較小，減小了整個(gè)系統(tǒng)對(duì)空間的要求，符合手持的需求。在使用液晶屏顯示測(cè)得的數(shù)據(jù)外還可以將多次測(cè)量所得的數(shù)據(jù)存入FLASH芯片中以便后續(xù)的研究。在傳統(tǒng)的測(cè)試儀的基礎(chǔ)上，增加了實(shí)時(shí)檢測(cè)的功能，更加方便用戶掌握光伏系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。