基于FPGA的雙模式光伏電池測試儀

摘要：為了解決傳統的光伏測試儀功能單一，只能夠測量光伏電池基本參數的問(wèn)題，采用了增加采樣信道，由FPGA控制采樣模式的方法，設計完成了一款雙模式的光伏電池測試儀。在完成光伏電池I-V曲線(xiàn)等參數測量的同時(shí)可以實(shí)時(shí)的檢測光伏電池的工作狀態(tài)，為光伏電池的維護提供了便利。同時(shí)，使用電容代替傳統的電子負載作為采樣負載，提高了對開(kāi)路電壓和I-V曲線(xiàn)的測量精度。
關(guān)鍵詞：FPGA；I-V曲線(xiàn)；電容負載；實(shí)時(shí)檢測

目前，世界各國對新型能源的應用日益增多，太陽(yáng)能作為新型能源的一種，有著(zhù)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合等優(yōu)點(diǎn)。光伏電池及組件作為光伏轉化的主要器件，從2001年起，平均年增長(cháng)率高達30％以上。所以，對光伏電池及組件的測試要求也在逐步提高。目前的絕大多數組件都是固定在室外工作的，為了評價(jià)這些組件的參數性能和了解組件當前的工作狀況，市場(chǎng)和用戶(hù)都需要一種方便攜帶、測量快速、結果精準的測試儀器。目前市場(chǎng)上此類(lèi)儀器較少，功能也相對單一，一般只能完成參數測量的工作，并不能對光伏電池當前的工作情況作出準確的判斷。本文設計了一種基于FPGA的光伏電池測試儀，可以工作在兩種工作模式下，不僅可以測得電池或組件的相關(guān)參數，而且可以實(shí)時(shí)檢測電池或組件的當前工作狀況。

1 整體結構與工作模式
系統由兩個(gè)采樣模塊分別采集參數數據和實(shí)時(shí)工作數據，FPGA控制多路器選通信號后經(jīng)ADC轉化為數字信號，通過(guò)FPGA進(jìn)行數據處理后由LCM顯示。同時(shí)，系統還提供了一定的存儲功能，可以將測量數據存儲在FLASH芯片中，通過(guò)RS 232接口與上位機通信，為數據的后續分析提供了方便。
參數采樣模式完成與傳統的光伏測試儀相同的功能，通過(guò)采樣電路采集光伏電池或組件的I-V曲線(xiàn)參數、開(kāi)路電壓和短路電流值，并完成轉化效率η和填充因子FF計算。
由于光伏組件大多在戶(hù)外布置，這對組件的檢測和維護造成了一定的困難。同時(shí)，光伏網(wǎng)絡(luò )中，對負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，測試儀在實(shí)時(shí)檢測模式時(shí)，除了完成對光伏組件輸出電流、輸出電壓和輸出功率的檢測外，還能夠對光伏系統中的電流進(jìn)行監測。

2 電路設計
對光伏組件的采樣過(guò)程中，由于參數采樣和實(shí)時(shí)檢測的采樣負載不同，參數采樣通過(guò)對負載連續變化時(shí)，光伏組件的輸出電流和輸出電壓進(jìn)行檢測得到連續變化的I-V曲線(xiàn)；實(shí)時(shí)檢測過(guò)程中，采樣負載是光伏系統的負載。為了完成兩種采樣的不同要求，需要分別設計兩個(gè)采樣模塊的電路。
2．1 I-V曲線(xiàn)采樣電路
測試儀器測量I-V曲線(xiàn)的常用方法是通過(guò)連續變化負載的大小，傳統使用的電阻負載在測量開(kāi)路電壓中，并不能直接測得準確的數值。為了避免這些問(wèn)題，系統采用電容作為采樣負載。原理對比圖如圖1所示。

圖1中傳統的電阻負載，電路中的電流和電壓并不能連續變化，電阻的阻值也不可能達到無(wú)限大，測得的開(kāi)路電壓值會(huì )存在誤差。在使用電容作為采樣負載時(shí)，通過(guò)對電容進(jìn)行充放電過(guò)程采樣來(lái)得到I-V曲線(xiàn)，電流值和電壓值連續變化，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確的參數。電容充電前可以等效為一個(gè)無(wú)窮大的電阻負載，在不需要使用補償法的情況下，對開(kāi)路電壓值的測量更加精確。
2．2 實(shí)時(shí)檢測電壓采集電路
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前的電壓值，通過(guò)電壓跟隨器之后轉換成數字信號。如圖2所示，其中LM324起到電壓跟隨器的作用。

2．3 實(shí)時(shí)檢測電流采集電路
在光伏系統中，為負載供電的除了光伏電池外還有蓄電池，因此，在光伏系統正常運轉后，蓄電池會(huì )有充電和放電兩種模式。光伏系統中測得的電流可能是充電電流也有可能是蓄電池的放電電流，為了準確的測得電流的大小，設計中采用了兩個(gè)單向電流檢測放大器MAX4172來(lái)完成電流的雙向檢測。

如圖3所示，當VRS+>VRS-時(shí)，蓄電池為負載供電，器件A工作；當VRS->VRS+時(shí)，光伏電池向蓄電池充電，器件B工作。利用一個(gè)通用的運算放大器將兩個(gè)放大器的輸出電流轉換成適當的輸出電壓。VREF設置為0電流對應的輸出電壓。器件A工作時(shí)，輸出電壓高于VREF，而當器件B工作時(shí)，輸出電壓低于VREF。

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

圖4中，控制模塊對系統整個(gè)進(jìn)程進(jìn)行控制；初始化模塊對程控放大芯片進(jìn)行合理配置并對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(hù)獲取最后的結果提供兩種途徑。系統中的各數字模塊都是基于FPGA使用Verilog語(yǔ)言設計的。設計的軟件采用的是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)的獨熱碼編碼的Melay狀態(tài)機構成，通過(guò)狀態(tài)機控制各功能模塊的運行，控制模塊流程圖如圖5所示。

3．2 初始化模塊
初始化模塊根據模式選擇信號選通不同的采樣模塊，同時(shí)，根據電池組電流電壓大小調節程控放大芯片的放大系數，使測得的電流值和電壓值能適應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)計算出電容的充電時(shí)間，以確定采樣時(shí)間的長(cháng)短，從而來(lái)確定采樣頻率。
為了滿(mǎn)足不同類(lèi)型電池組的測量需要，在設計中使用了兩級放大電路，將BURR-BROWN公司生產(chǎn)的PGA202、PGA203級聯(lián)以獲得1～8 000的16級增益。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，通過(guò)不同的放大倍數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。
3．3 采樣模塊
設計中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最高轉換速率的數模轉換器。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。光伏電池參數的采集和實(shí)時(shí)檢測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當前的采樣頻率進(jìn)行選擇：在I-V曲線(xiàn)的測量中，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)檢測時(shí)，只需要給AD一個(gè)固定的采樣頻率即可。在A(yíng)D芯片與FIFO通信時(shí)，由于A(yíng)D9245-40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)現低于1 MHz的采樣，只需降低FIFO的寫(xiě)時(shí)鐘即可。
3．4 存儲模塊
因為FIFO本身的限制，在測量完成之后，需要將測得的數據存入FLASH芯片中，以便于以后的實(shí)驗室分析。在考慮到戶(hù)外大量測試需要一定的存儲容量的情況下，設計中選用的存儲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的存儲空間和256K× 8b的輔助存儲空間，由1．8～3．3 V的電壓驅動(dòng)，能夠較好的滿(mǎn)足戶(hù)外測量的需要。
3．5 顯示模塊
在完成數據的采集后，存入FIFO的數據經(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。設計選用的液晶屏是北京青陽(yáng)公司的LCM3202403，該液晶屏的內置顯示控制芯片是SID13700。
顯示模塊的主要功能是完成液晶屏的配置和參數設定，提供SID13700的工作時(shí)序，將I-V曲線(xiàn)相關(guān)的采樣數據轉化為存儲區的數據點(diǎn)以完成曲線(xiàn)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)檢測的電流值和電壓值等相關(guān)參數轉化為顯示字符。
3．6 串口通信模塊
為了能夠將采集所得到的數據在實(shí)驗室進(jìn)行分析，測試儀需要具備和上位機通信的功能。設計采用RS 232實(shí)現與PC機的通信。采用MAX 232芯片將RS 232接口的電平轉化。RS 232在控制模塊的時(shí)序控制下，讀取存儲在FLASH芯片中的數據并按照115 200 b／s進(jìn)行數據的傳輸。

4 結果與分析
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(hù)外測試，參數檢測模式下測得數據經(jīng)串口傳遞給上位機，得到較平滑的I-V曲線(xiàn)，其中Im=1．53 A，Vm=57．24 V，Pm=87．54 W，FF=0．67，VOC=71．8 V，ISC=1．68 A，參數指標與組件參數基本吻合。由于是用戶(hù)外光照條件和電容采樣，對測得的參數造成一定的誤差。

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

5 結語(yǔ)
測試儀使用電容作為采樣負載，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)系統對空間的要求，符合手持的需求。在使用液晶屏顯示測得的數據外還可以將多次測量所得的數據存入FLASH芯片中以便后續的研究。在傳統的測試儀的基礎上，增加了實(shí)時(shí)檢測的功能，更加方便用戶(hù)掌握光伏系統的運行狀況。