基于FPGA的双模式光伏电池测试仪

摘要：为了解决传统的光伏测试仪功能单一，只能够测量光伏电池基本参数的问题，采用了增加采样信道，由FPGA控制采样模式的方法，设计完成了一款双模式的光伏电池测试仪。在完成光伏电池I-V曲线等参数测量的同时可以实时的检测光伏电池的工作状态，为光伏电池的维护提供了便利。同时，使用电容代替传统的电子负载作为采样负载，提高了对开路电压和I-V曲线的测量精度。
关键词：FPGA；I-V曲线；电容负载；实时检测

    目前，世界各国对新型能源的应用日益增多，太阳能作为新型能源的一种，有着安全可靠、无噪声、无污染、无需消耗燃料、可方便地与建筑物相结合等优点。光伏电池及组件作为光伏转化的主要器件，从2001年起，平均年增长率高达30％以上。所以，对光伏电池及组件的测试要求也在逐步提高。目前的绝大多数组件都是固定在室外工作的，为了评价这些组件的参数性能和了解组件当前的工作状况，市场和用户都需要一种方便携带、测量快速、结果精准的测试仪器。目前市场上此类仪器较少，功能也相对单一，一般只能完成参数测量的工作，并不能对光伏电池当前的工作情况作出准确的判断。本文设计了一种基于FPGA的光伏电池测试仪，可以工作在两种工作模式下，不仅可以测得电池或组件的相关参数，而且可以实时检测电池或组件的当前工作状况。

1 整体结构与工作模式
    系统由两个采样模块分别采集参数数据和实时工作数据，FPGA控制多路器选通信号后经ADC转化为数字信号，通过FPGA进行数据处理后由LCM显示。同时，系统还提供了一定的存储功能，可以将测量数据存储在FLASH芯片中，通过RS 232接口与上位机通信，为数据的后续分析提供了方便。
    参数采样模式完成与传统的光伏测试仪相同的功能，通过采样电路采集光伏电池或组件的I-V曲线参数、开路电压和短路电流值，并完成转化效率η和填充因子FF计算。
    由于光伏组件大多在户外布置，这对组件的检测和维护造成了一定的困难。同时，光伏网络中，对负载供电的电源有光伏组件和蓄电池一起供电，为了防止“过充”和“过放”的问题，测试仪在实时检测模式时，除了完成对光伏组件输出电流、输出电压和输出功率的检测外，还能够对光伏系统中的电流进行监测。

2 电路设计
    对光伏组件的采样过程中，由于参数采样和实时检测的采样负载不同，参数采样通过对负载连续变化时，光伏组件的输出电流和输出电压进行检测得到连续变化的I-V曲线；实时检测过程中，采样负载是光伏系统的负载。为了完成两种采样的不同要求，需要分别设计两个采样模块的电路。
2．1 I-V曲线采样电路
    测试仪器测量I-V曲线的常用方法是通过连续变化负载的大小，传统使用的电阻负载在测量开路电压中，并不能直接测得准确的数值。为了避免这些问题，系统采用电容作为采样负载。原理对比图如图1所示。

    图1中传统的电阻负载，电路中的电流和电压并不能连续变化，电阻的阻值也不可能达到无限大，测得的开路电压值会存在误差。在使用电容作为采样负载时，通过对电容进行充放电过程采样来得到I-V曲线，电流值和电压值连续变化，整个充电过程可以将电容等效为一个可变电阻，能得到光伏电池更准确的参数。电容充电前可以等效为一个无穷大的电阻负载，在不需要使用补偿法的情况下，对开路电压值的测量更加精确。
2．2 实时检测电压采集电路
    电池在正常工作状态下，由霍尔电压传感器得到电池组当前的电压值，通过电压跟随器之后转换成数字信号。如图2所示，其中LM324起到电压跟随器的作用。

2．3 实时检测电流采集电路
    在光伏系统中，为负载供电的除了光伏电池外还有蓄电池，因此，在光伏系统正常运转后，蓄电池会有充电和放电两种模式。光伏系统中测得的电流可能是充电电流也有可能是蓄电池的放电电流，为了准确的测得电流的大小，设计中采用了两个单向电流检测放大器MAX4172来完成电流的双向检测。

    如图3所示，当VRS+>VRS-时，蓄电池为负载供电，器件A工作；当VRS->VRS+时，光伏电池向蓄电池充电，器件B工作。利用一个通用的运算放大器将两个放大器的输出电流转换成适当的输出电压。VREF设置为0电流对应的输出电压。器件A工作时，输出电压高于VREF，而当器件B工作时，输出电压低于VREF。

3 模块设计
    整个系统由控制模块、初始化模块、存储模块、显示模块以及串口通行模块组成，如图4所示。

    图4中，控制模块对系统整个进程进行控制；初始化模块对程控放大芯片进行合理配置并对两种模式下采样信道选择；显示模块和串口通信模块为用户获取最后的结果提供两种途径。系统中的各数字模块都是基于FPGA使用Verilog语言设计的。设计的软件采用的是Alter公司提供的quartusⅡ开发工具。
3．1 控制模块
    控制模块由一个16态的独热码编码的Melay状态机构成，通过状态机控制各功能模块的运行，控制模块流程图如图5所示。

3．2 初始化模块
    初始化模块根据模式选择信号选通不同的采样模块，同时，根据电池组电流电压大小调节程控放大芯片的放大系数，使测得的电流值和电压值能适应AD芯片的要求，从而能更好的利用AD芯片的分辨率。并且，开路电流和短路电压的测量也是在初始化模块中完成，通过开路电流和短路电压的大小来计算出电容的充电时间，以确定采样时间的长短，从而来确定采样频率。
    为了满足不同类型电池组的测量需要，在设计中使用了两级放大电路，将BURR-BROWN公司生产的PGA202、PGA203级联以获得1～8 000的16级增益。由于所选用AD芯片的输入范围是在0～2 V之间，通过分压之后的信号，通过不同的放大倍数逐步增大以逼近这个采样范围，从而配置合适的放大系数。
3．3 采样模块
    设计中AD芯片选用的是ADI公司生产的AD9245-40。AD9245是一款低功耗，3 V单电源，14位分辨率，40 MSPS最高转换速率的数模转换器。该芯片的Pipeline Delay为7个时钟周期。
    由于是高速采样，采样结果需要通过FIFO缓冲之后再存入读写速率较低的FLASH芯片中。光伏电池参数的采集和实时检测所采用的采样频率不同，因此，使用一个多路选择器的子模块对当前的采样频率进行选择：在I-V曲线的测量中，采样的频率是电容的充电时间来决定的；而在实时检测时，只需要给AD一个固定的采样频率即可。在AD芯片与FIFO通信时，由于AD9245-40的最低采样频率是1 MSPS，所以输出的AD时钟频率不能小于1 MHz。这时要实现低于1 MHz的采样，只需降低FIFO的写时钟即可。
3．4 存储模块
    因为FIFO本身的限制，在测量完成之后，需要将测得的数据存入FLASH芯片中，以便于以后的实验室分析。在考虑到户外大量测试需要一定的存储容量的情况下，设计中选用的存储芯片是三星公司生产的NAND闪存芯片K9F6408U0C，该芯片能够提供8M×8b的存储空间和256K× 8b的辅助存储空间，由1．8～3．3 V的电压驱动，能够较好的满足户外测量的需要。
3．5 显示模块
    在完成数据的采集后，存入FIFO的数据经过滤波后重新存入FIFO中，并将FIFO的读指针置位，译码后通过一块320×240的液晶屏显示。设计选用的液晶屏是北京青阳公司的LCM3202403，该液晶屏的内置显示控制芯片是SID13700。
    显示模块的主要功能是完成液晶屏的配置和参数设定，提供SID13700的工作时序，将I-V曲线相关的采样数据转化为存储区的数据点以完成曲线的绘制，并将短路电流、开路电压、填充因子、最大功率点功率、最大功率点电压、最大功率点电流以及实时检测的电流值和电压值等相关参数转化为显示字符。
3．6 串口通信模块
    为了能够将采集所得到的数据在实验室进行分析，测试仪需要具备和上位机通信的功能。设计采用RS 232实现与PC机的通信。采用MAX 232芯片将RS 232接口的电平转化。RS 232在控制模块的时序控制下，读取存储在FLASH芯片中的数据并按照115 200 b／s进行数据的传输。

4 结果与分析
    使用开路电压为72．3 V，短路电流为1．8 A，填充因子为72％的多晶光伏组件进行户外测试，参数检测模式下测得数据经串口传递给上位机，得到较平滑的I-V曲线，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，参数指标与组件参数基本吻合。由于是用户外光照条件和电容采样，对测得的参数造成一定的误差。

    在实时检测模式下，对相同的电池组件进行测试，得到3组组件工作状态输出参数，如表1所示，符合光伏组件输出曲线。

5 结语
    测试仪使用电容作为采样负载，由于使用FPGA作为控制芯片，采样频率较高，使所选用的采样电容较小，减小了整个系统对空间的要求，符合手持的需求。在使用液晶屏显示测得的数据外还可以将多次测量所得的数据存入FLASH芯片中以便后续的研究。在传统的测试仪的基础上，增加了实时检测的功能，更加方便用户掌握光伏系统的运行状况。