基于FPGA的雙模式光伏電池測試儀

摘要：為了解決傳統(tǒng)的光伏測試儀功能單一，只能夠測量光伏電池基本參數(shù)的問題，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曲線等參數(shù)測量的同時可以實時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，使用電容代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子負載作為采樣負載，提高了對開路電壓和I-V曲線的測量精度。
關鍵詞：FPGA；I-V曲線；電容負載；實時檢測

目前，世界各國對新型能源的應用日益增多，太陽能作為新型能源的一種，有著安全可靠、無噪聲、無污染、無需消耗燃料、可方便地與建筑物相結合等優(yōu)點。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(shù)組件都是固定在室外工作的，為了評價這些組件的參數(shù)性能和了解組件當前的工作狀況，市場和用戶都需要一種方便攜帶、測量快速、結果精準的測試儀器。目前市場上此類儀器較少，功能也相對單一，一般只能完成參數(shù)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參數(shù)，而且可以實時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(tǒng)由兩個采樣模塊分別采集參數(shù)數(shù)據(jù)和實時工作數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA控制多路器選通信號后經ADC轉化為數(shù)字信號，通過FPGA進行數(shù)據(jù)處理后由LCM顯示。同時，系統(tǒng)還提供了一定的存儲功能，可以將測量數(shù)據(jù)存儲在FLASH芯片中，通過RS 232接口與上位機通信，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)的光伏測試儀相同的功能，通過采樣電路采集光伏電池或組件的I-V曲線參數(shù)、開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外布置，這對組件的檢測和維護造成了一定的困難。同時，光伏網絡中，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“過充”和“過放”的問題，測試儀在實時檢測模式時，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(tǒng)中的電流進行監(jiān)測。

2 電路設計
對光伏組件的采樣過程中，由于參數(shù)采樣和實時檢測的采樣負載不同，參數(shù)采樣通過對負載連續(xù)變化時，光伏組件的輸出電流和輸出電壓進行檢測得到連續(xù)變化的I-V曲線；實時檢測過程中，采樣負載是光伏系統(tǒng)的負載。為了完成兩種采樣的不同要求，需要分別設計兩個采樣模塊的電路。
2．1 I-V曲線采樣電路
測試儀器測量I-V曲線的常用方法是通過連續(xù)變化負載的大小，傳統(tǒng)使用的電阻負載在測量開路電壓中，并不能直接測得準確的數(shù)值。為了避免這些問題，系統(tǒng)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(tǒng)的電阻負載，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到無限大，測得的開路電壓值會存在誤差。在使用電容作為采樣負載時，通過對電容進行充放電過程采樣來得到I-V曲線，電流值和電壓值連續(xù)變化，整個充電過程可以將電容等效為一個可變電阻，能得到光伏電池更準確的參數(shù)。電容充電前可以等效為一個無窮大的電阻負載，在不需要使用補償法的情況下，對開路電壓值的測量更加精確。
2．2 實時檢測電壓采集電路
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，通過電壓跟隨器之后轉換成數(shù)字信號。如圖2所示，其中LM324起到電壓跟隨器的作用。

2．3 實時檢測電流采集電路
在光伏系統(tǒng)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(tǒng)正常運轉后，蓄電池會有充電和放電兩種模式。光伏系統(tǒng)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，設計中采用了兩個單向電流檢測放大器MAX4172來完成電流的雙向檢測。

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

3 模塊設計
整個系統(tǒng)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(tǒng)整個進程進行控制；初始化模塊對程控放大芯片進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獲取最后的結果提供兩種途徑。系統(tǒng)中的各數(shù)字模塊都是基于FPGA使用Verilog語言設計的。設計的軟件采用的是Alter公司提供的quartusⅡ開發(fā)工具。
3．1 控制模塊
控制模塊由一個16態(tài)的獨熱碼編碼的Melay狀態(tài)機構成，通過狀態(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(jù)模式選擇信號選通不同的采樣模塊，同時，根據(jù)電池組電流電壓大小調節(jié)程控放大芯片的放大系數(shù)，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，開路電流和短路電壓的測量也是在初始化模塊中完成，通過開路電流和短路電壓的大小來計算出電容的充電時間，以確定采樣時間的長短，從而來確定采樣頻率。
為了滿足不同類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，通過分壓之后的信號，通過不同的放大倍數(shù)逐步增大以逼近這個采樣范圍，從而配置合適的放大系數(shù)。
3．3 采樣模塊
設計中AD芯片選用的是ADI公司生產的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(shù)模轉換器。該芯片的Pipeline Delay為7個時鐘周期。
由于是高速采樣，采樣結果需要通過FIFO緩沖之后再存入讀寫速率較低的FLASH芯片中。光伏電池參數(shù)的采集和實時檢測所采用的采樣頻率不同，因此，使用一個多路選擇器的子模塊對當前的采樣頻率進行選擇：在I-V曲線的測量中，采樣的頻率是電容的充電時間來決定的；而在實時檢測時，只需要給AD一個固定的采樣頻率即可。在AD芯片與FIFO通信時，由于AD9245-40的最低采樣頻率是1 MSPS，所以輸出的AD時鐘頻率不能小于1 MHz。這時要實現(xiàn)低于1 MHz的采樣，只需降低FIFO的寫時鐘即可。
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(shù)據(jù)存入FLASH芯片中，以便于以后的實驗室分析。在考慮到戶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，能夠較好的滿足戶外測量的需要。
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)經過濾波后重新存入FIFO中，并將FIFO的讀指針置位，譯碼后通過一塊320×240的液晶屏顯示。設計選用的液晶屏是北京青陽公司的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(shù)設定，提供SID13700的工作時序，將I-V曲線相關的采樣數(shù)據(jù)轉化為存儲區(qū)的數(shù)據(jù)點以完成曲線的繪制，并將短路電流、開路電壓、填充因子、最大功率點功率、最大功率點電壓、最大功率點電流以及實時檢測的電流值和電壓值等相關參數(shù)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(shù)據(jù)在實驗室進行分析，測試儀需要具備和上位機通信的功能。設計采用RS 232實現(xiàn)與PC機的通信。采用MAX 232芯片將RS 232接口的電平轉化。RS 232在控制模塊的時序控制下，讀取存儲在FLASH芯片中的數(shù)據(jù)并按照115 200 b／s進行數(shù)據(jù)的傳輸。

4 結果與分析
使用開路電壓為72．3 V，短路電流為1．8 A，填充因子為72％的多晶光伏組件進行戶外測試，參數(shù)檢測模式下測得數(shù)據(jù)經串口傳遞給上位機，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，對測得的參數(shù)造成一定的誤差。

在實時檢測模式下，對相同的電池組件進行測試，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 結語
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，減小了整個系統(tǒng)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(shù)據(jù)外還可以將多次測量所得的數(shù)據(jù)存入FLASH芯片中以便后續(xù)的研究。在傳統(tǒng)的測試儀的基礎上，增加了實時檢測的功能，更加方便用戶掌握光伏系統(tǒng)的運行狀況。