基于lpc2214的光伏电网测试系统设计

1、目 录中文摘要1英文摘要21 引言31.1 太阳能光伏产业发展前景31.2 光伏阵列测试技术研究现状和意义41.3 本论文主要内容和框架52 光伏阵列的特性及其测试方法62.1 太阳电池原理以及分类62.2 太阳能电池的特性72.3 光伏伏阵列特性测试方法113 基于LPC2214的硬件选择和实现163.1 光伏阵列特性测试系统整体设计163.2 系统电路设计173.3 采样电路设计203.4 控制及数据处理模块的设计22结论33谢辞34参考文献35光伏阵列特性测试系统设计摘要：光伏阵列是光伏系统的重要组成部分，它决定了光伏系统的发电量，同 时也是光伏系统成本的主要部分。因此合理配置光伏阵列，

2、分析和评价光伏电站的发电效率，提高光伏阵列的利用效率一直是光伏系统设计的研究重点，也是降低光伏系统发电成本的重要措施。本文采用了电容动态充放电法，该方法是通过检测太阳能电池阵列对电容的充电过程中电流、电压的数据变化，重现光伏阵列的I-V特性，采用这种方式可以快速而方便的测量太阳能电池阵列的I-V特性，具有体积小、重量轻等特点。设计是基于飞利浦公司的LPC2214设计的。通过对该系统进行评估可以得出结论：该测试系统运行稳定，测量精度较高，一次完整的测试只需54ms左右，测试速度快，并且测量得到的伏安特性可以在液晶上直接以曲线的形式显示，使测得的阵列特性更为直观，能满足工程应用的需要。关键字：光伏

3、阵列；光伏特性；数学模型；I-V曲线Design on the Testing System of PV Array CharacteristicAbstract:A photovoltaic array is an important component of the photovoltaic system.It determines the cost of photovoltaic system and rational power capacity of the system.Therefore,the rational allocation of the photovoltaic ar

4、ray,Analysis and evaluation the power generation efficiency of photovoltaic power plants.Enhancing the efficiency in the use of photovoltaic arrays has been the focus of the PV system design, is also an important measure to reduce power generation costs of PV systems.In this paper,the dynamic capaci

5、tance charge and discharge method, the method by detecting the solar array to the process of charging the capacitor current and voltage data changes,to reproduce the IV characteristics of PV array,in this way can quickly and easily measuring solarIV characteristics of the battery array, with a small

6、 size, light weight and other characteristics.The assessment results of the system show that the testing system operates stabely,has the higher measurement accuracy.A complete testing will take about 54 ms,and the measured characteristics of photovoltaic arrays can displayed on LCD directly in the f

7、orm of a curve that made the characteristics of photovoltaic arrays more illustratable and comprehensible.It can meet the needs of engineering.Keywords：solar array；photovoltaic characteristic；mathematic mode： I-V characteristic1 引言1.1 太阳能光伏产业发展前景发展循环低碳经济，转变经济增长方式，谋求可持续发展的出路成为世界的热点论题。全球各个国家都在努力开发利用各类

8、绿色可再生能源(风能、核能、太阳能、生物能等)太阳能作为其中最具潜力的可再生能源，受到越来越多的关注。从图1.1可以看出世界上石油资源紧缺，煤矿资源也仅能维持约两百多年，而太阳能的储量预测相对于其他常规能源来说却是无穷大的，有很大的开发利用空间。因此光伏发电作为太阳能利用的一种重要方式也正在蓬勃发展。光伏发电就是利用太阳能电池或者组件将太阳能转换为电能。图1.1 世界和中国各类能源储量预测 为了激励太阳能光伏发电产业的发展，各国提出了一系列的优惠政策。2004年，德国最先出台了相关的法律法规，实施购电补偿，推动光伏市场的发展。随后，西班牙、法国、意大利、希腊等国家也相继效仿而韩国、日本和美国则

9、开放了市场，中国也于近日通过了可再生能源法，并规定“上网电价”和“全网平摊”的法规条款。全球常规资源短缺、各类能源补贴法律法规的完善、人们环保意识的增强，这些都将促使太阳能光伏利用成为未来能源结构的主要组成部分。光伙产业步伐不断加快，越来越多的家脚个人用户开始安装光伏发电设备，大型光伏发电厂、太阳能光伏屋顶项目工程也如州后春笋般胃出，为寻求降低太阳能利用成本，提高太阳能利用效率的方法越来越多的研究正在快速开展。光伏阵列特性的测试、研究和开发也随之成为一个焦点问题。1.2 光伏阵列测试技术研究现状和意义光伏阵列特性的现场测试技术，国外的研究比较成熟，尤其是美国和日本已经有系列测试设备推向市场，不

10、过其设备的价格都比较高。而在国内，光伏阵列测试技术的研究相对比较落后。市场上多数的研究重点都放在了太阳电池单体或者组件的特性测量方面。由于太阳电池制作的随机性，生产出来的电池性能不尽相同，为了有效的将性能一致或相近的电池组合在一起，应通过电池测试(即通过测试电池的输出参数电流和电压的大小对其进行分类，以提高电池的利用率，做出质量合格的电池组件。然而。市场上还没发现测量较大功率的光伏阵列特性的配备。但是随着太阳能光伏发电将发展成为重要的发电方式，大量太阳能电站的出现的同时，就需要越来越多的光伏阵列区域特性测试设备来优化太阳能电站的设计，提高光扶阵列的利用效率。 在太阳能光伏发电系统中，光伏阵列作

11、为将太阳能转换成电能的装置无论从成本上还是功能上都占有重要的地位。因此合理配置光伏阵列，提高光伏阵列的利用效率，降低发电生产成本一直是光伏系统设计的重中之重。从理论上来说，光伏阵列是由若干光伏组件通过串、并联的形式组合而成，光伏系统的发电量约为光伏组件发电量的总和。但是，在光伏系统应用当中，光伏阵列的实际发电量却很难满足理论设计要求。这是由于存在着各种影响光伏阵列发电的因素，包括光伏组件连接带来的联结损耗，以及随着光伏电池使用时间的延长电池损坏造成的电压不均衡等；还有一系列的外界环境因素包括光伏阵列的高度、倾角、电池板的洁净程度等。就是对于同一块光伏阵列来说，环境温度、日照强度、风速等外界条件

12、的变化，也均会引起光伏系统的发电量、系统效率的改变。这一系列不确定的影响因素会导致理论设计合理的光伏系统，在实际运行时发电量与设计要求误差较大。因而对于任何的光伏系统都只能根据安装在实际环境条件下的光伏阵列输出特性来确定真正的发电量和系统效率。如果对光伏阵列进行现场测量，获得光伏阵列在特定环境下的特性及其参数，再结合安装环境的特点来分析和评价光伏阵列的设计，可达到更理想的设计效果。光伏阵列的现场测试结果是分析和评价光伏阵列发电效率的重要依据之一。换而言之，一个精确可靠实用的光伏阵列测试装置在光伏发电系统中是必不可少的。随着太阳能行业这几年的飞速发展，太阳能单体和组件的测试的要求就日益提高。国际

13、电工委员会(IEC)和美国的保险实验室(UL)都制定了相关的监测标准，从组件的性能到安全规范都有了相关的条例。这在很大程度上促进了太阳能检测技术的发展，也对规范业内的生产规范起到了一定作用。在测试仪器方面，国外有很多已经做得很成熟的生产线上或者实验室用的产品，比如美国的spire公司的线上检测设备就很出众。与此同时在国内，各研究机构和公司也纷纷推出自己的产品，竞争也是十分激烈，这对中国的太阳能产业和太阳能检测行业来说是件好事。可以说太阳能检测也随着太阳能组件行业的发展而开始了飞速的发展。1.3 本论文主要内容和框架 本论文主要工作是研究光伏阵列区域特性的测试方法，实现大中型功率级别的光伏组件或

14、阵列的区域特性(I-V曲线)的测量，其中区域特性包括开路电、短路电流、最大功率点的电压电流、。光伏阵列区域特性测试系统主要由电容快速充电主电路、数字处理模块LPC2214和数据显示模块三部分组成。通过电容快速充电法测试得到的电流、电压数据分别经过传感器进入高速数字处理模块，编程控制LPC2214完成AD模数转换、数据存储和数据分析处理的工作，实时反映光伏阵列的特性。系统还配置温度传感器AD590和标准太阳电池模块,实时测量当前环境温度和日照强度，这些数据也一并送入LPC2214进行处理，根据光伏阵列物理数学模型进行特性的推算预估，实现对任意环境下光伏阵列特性曲线的准确预估并在显示模块以图像和数

15、据结合的方式显示。数据采集单元与显示模块是通过通用串行接口或USB通信模块连接的。为光伏系统设计和光伏阵列性能评估提供重要依据，便于光伏系统的设计和应用。2 光伏阵列的特性及其测试方法2.1 太阳电池原理以及分类 太阳电池作为光伏系统的核心经过了长达百年的发展历程，技术逐步成熟，太阳电池的效率也越来越高。目前在市场上占主导地位的太阳电池仍以硅材料为主。太阳电池是以半导体材料为基础，具有能量转换功能的半导体器件。太阳电池实现太阳能到电能的转换是基于半导体的光生伏特效应。以晶体硅太阳电池为例作一说明，阐述太阳电池的工作原理，当太阳光入射太阳电池时，在p-n结区产生电子空穴对。当内建电场作用于p-n

16、结时，p、n型区的多子分别向n、p型区移动，大量电子积累在太阳电池受光上表面而大量空穴积累的在背光下表面。此时在太阳电池表面装配上电极，即可在外部电路中形成电流。太阳电池一般都要在受光面上覆盖减反射涂层，以减低因反射损失的太阳电池能量，提高太阳电池的效率。基于太阳电池可以实现光电转换的特性，各类工业用和家用的太阳能供电系统正在大力开发和研究当中。 市场上的太阳电池主要分为两大类：晶体硅电池和薄膜电池。晶体硅电池可以进一步分为单晶硅电池和多晶硅电池。而薄膜电池则包括非晶硅太阳电池、铜铟硒薄膜电池和镉碲薄膜电池。随着太阳能光伏产业的发展，太阳电池的类型也越来越多，但是实际应用还是以硅材料的太阳电池

17、为主，特别是晶体硅电池。 2.1.1 晶体硅电池 晶体硅电池根据材料内部微观结构不同，分为单晶硅电池和多晶硅电池。单晶硅电池由硅晶体直接切割出来的薄片制成，而多晶硅电池则由硅铸锭后切割的薄片制成。由于生产工艺各异两类电池具有不同的转换效率，单品硅电池的转换效率是最高的，同时其成本也是最高的。图2.1 太阳能电池 (a)单晶硅(b)多晶硅(c)薄膜电池 2.1.2 薄膜电池 非晶硅电池具有较高的转按效率，低廉的成本和重量轻等优势，但是由于非晶硅材料存在光电效率衰退效应，其稳定性不高，影响非晶硅在实际中的推广利用。 铜镏硒电池的优点在于不存在光致退化，并且这一类的电池的转换效率在薄膜电池技术中是晟

18、高的，但它确在湿热的环境中存在性能不稳定的问题。 镉碲电池较非晶硅转换效率高，且成本低廉，但是所用材料有剧毒，在制各电池时会对环境造成严重的污染，所以此类太阳电池并不是晶体硅电池最为理想的替代产品。 除了上述常见的各类太阳电池以外，许多研究工作正在开展，试图开发出新型的电池类型，以提高太阳电池转换效率或降低成本，以下为部分的实例。 有机聚合物太阳电池是太阳电池一个研究的新方向，研究人员尝试采用有机材料来代替无机材料制备太阳电池，由于有机材料具有制作简易柔性强度好，材料供给充足成本低廉等优势。对太阳能电池开发利用具有重要意义。 HIT电池。它是又晶体硅薄片包以超薄的非晶硅层所制造而成，比传统常规

19、的晶体硅电池由更高的效率，并且没有非晶硅的老化问题，在高温下产生高电量，具有很好的发展前景。2.2 太阳能电池的特性 2.2.1 太阳能电池的特性图2.2 太阳电池单体的IV特性曲线 对光伏阵列整个特性或阵列的参数进行测定，主要是获取光伏阵列的开路电压、短路电流、最大功率点电流、最大功率点电压等参数的数值。参数定义如下：· 短路电流() 给定温度、日照强度下所能输出的最大电流· 开路电压() 给定温度、日照强度下所能输出的最大电压· 最大功率点电流() 给定温度、日照强度下最大功率点上的电流· 最大功率点电压() 给定温度、日照强度下最大功率点上的电压&

20、#183; 最大功率点功率() 给定温度、日照强度下所能输出的最大功率 从太阳电池的I-V特性曲线中可以很直观地看出太阳电池的输出电流和输出电压的对应关系，是非线性的函数关系。这表明了太阳电池既非恒压源，也非恒流源，它不可能为负载提供任意大的功率。太阳电池是一种非线性的直流电源，输出电流在大部分工作电压范围内约为恒定，最终在一个足够高的电压之后，电流迅速下降至零；输出电流值即使在短路状态下也不会出现无穷大，而是一个有限值(短路电流值Im)；太阳电池只有工作在最大功率点Pm时利用效率才达到最高。 2.2.2 光伏阵列的区域特性 但是太阳电池单体的输出功率是很小的，一般为毫瓦级，不可能作为终端产品

21、。市场上出售的太阳电池是生产商把若下太阳电池单体进行串并联组合并封装后的太阳电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，作为单独电源使用的最小单位。而太阳能光伏阵列是根据实际的用电需求，把一定量的太阳电池组件按串、并联规则组合在一起并安装在支架上为负载提供所需功率。 由N个太阳电池组件按个串联及个并联的方式而构成一个光伏阵列时，其光伏阵列的电压跟单个太阳电池组件相比提高了(组件串联的数量)倍而电流与较单个太阳电池组件相比则增大了倍。也就是说光伏阵列的电压取决于组件串联的数量而电流即取决于组件并联的数量。其发电效率在理想的情况下保持不变但是由于生产的随机性，每个太阳电池组件必定会存在一些差异，因此效率会

22、降低。光伏阵列特性曲线近似等于相应的太阳电池组件的叠加增长(单个电池或组件的特性仍保持不变)。至此我们得出光伏阵列的区域特性与太阳电池单体和组件的形状类似。太阳电池的特性可推广至光伏阵列。 图2.3 太阳能光伏阵列的I-V特性曲线 2.2.3光伏阵列特性的环境影响因素 光伏阵列I-V、P-V特性曲线深受环境因素的影响，与日照强度和电池温度密切相关。考虑电池温度、日照强度对I-V、P-V特性的影响，可以在设计中更好的配置太阳电池组件资源。 通常日照强度S变化范围从0到1000W，阵列温度变化范围从lO到70。实际中，影响光伏阵列I-V、P-V特性的各个因素之间也是互相影响的，为了研究每一个因素各

23、自对I-V、P-V特性的影响，人为仅让一个因素变化而保持其他条件不变。 图2.4 日照强度对光伏阵列的I-V特性曲线影响 图2.5 日照强度对光伏阵列的P-V特性曲线影响 保持其他条件不变，仅改变日照强度，根据数据，可以得出如上特性曲线图。由图2.4可看出，随着照度降低，电流明显地减少，而开路电压则略为减少。最大功率随着照度减少而减少。光伏阵列所输出的最大功率、短路电流都强烈的受日照强度S的影响，阵列的伏安特性曲线和日照强度S呈一一对应关系。进行粗略地简化可得出短路电流与日照强度变化成正比，开路电压与日照强度呈对数关系。首先，这里所说的电池温度和环境温度并不是同一个概念。环境温度与电池温度的关

24、系依赖于光照强度： （21） 其中T为电池温度()，为环境温度()，S为同照强度（W)，为温度系数(·W)。的典型值为O.03，国际上定义标准太阳电池温度为25。 图2.6 电池温度对光伏阵列I-V曲线的影响 图2.7 池温度对光伏阵列P-V曲线的影响 同样，保持照度不变，仅改变电池温度，得出电池温度对光伏阵列I-V、P-V特性的影响如图2.6与图2.7，随着光伏阵列温度升高，电压明显减小，而短路电流仅略为增大，最大功率点也随着温度升高略为减少。2.3 光伏伏阵列特性测试方法本节将描述如何获取光伏阵列的特性，其测试实现的框图如图2.8所示我们必须先确定测试方法和曲线拟合的算法模型。工

25、作在光伏发电系统中的光伏阵列可以通过伏安法、电子负载等测试电路得到其电压，电流等特性数据。但由于数据是零散的，我们必须选择合适的算法模型对数掘进行拟台处理，通过对ARM数据处理器进行有效控制，获得实测或是预估情况下的区域特性，并在显示模块显示。图2.8 光伏阵列特性测试框图 2.3.1 光伏阵列的等效电路模型 对光伏阵列区域特性进行研究，首先要了解光伏阵列的等效电路模型，光伏阵列的等效电池模型是研究光伏阵列测试系统的理论基础，它反映了温度、照度等因素对太阳电池的影响，太阳电池一般可等效为图2.9电路模型图。根据等效电路图可以得出太阳电池最基本的解析表达式(22)，此表达式已广泛应用于太阳电池的

26、理论分析中。由上一章的介绍得知，光伏阵列具有与太阳电池单体类似的特性，太阳电池的表达式同样适用于光伏阵列，在此基础上可推广到光伏阵列分析上。图2.9 太阳能电池的等效电路图 （22） 式中，为光生电流；为二极管饱和电流；为光伏阵列短路电流；V为光伏阵列输出电压；为光伏阵列的串联电阻；A为二极管特性因子；K为波尔兹曼常数；T为光伏阵列温度；q为电子的电荷量；为光伏阵列的并联电阻。光伏阵列的等效电路模型是一个非线性的超越方程，直接求解困难，目前较多采用拟合算法来求解，在求解当中做出一些简化。2.3.2 测试方法的选择在实际应用中，有很多因素影响光伏阵列的伏安特性，如阵列的高度、倾角、电池板的洁净程

27、度、组合规则、温度及日照强度等。故要得到太阳电池阵列的实际工作特性，需要对其进行现场测试。由于阵列已经安装完成，在进行现场测试时，可以假定除温度、日照强度外的其它影响阵列特性的因素不变。为了得到比较精确的阵列现场测试的数据，需要选择合适的现场测试方法。2.3.2.1 变电阻法 可变功率电阻器现场测试方法是比较传统的光伏阵列伏安特性现场测试方法，其测量方法即伏安法。将可变功率电阻作为光伏阵列的负载，改变电阻器的值得到不同的工作点，通过电压、电流表来读取工作点对应的电压电流值。由光伏阵列的特性曲线可以看出，在短路状态下，光伏阵列的短路电流依然是稳定值，不会突变到无穷大，所以可以对光伏阵列直接短路来

28、测量其短路电流。开路电压的测量同样简单，只需断开可变电阻两端就可直接测得。在测量特性曲线时可通过调节可变电阻，读出相应的电压表和电流表的数值。通过不断地调节可变电阻，光伏阵列的工作点会随之不断改变，测量光伏阵列在一系列不同工作点下输出的电压和电流值，就可以获得其输出特性曲线。 可变功率电阻器现场测试方法简单易于理解，测试系统不需要额外的控制部分，电路十分简单。从理论上讲，这种方法可以简单稳定地获得所测太阳电池阵列的I-V和特征参数。但是它自身的局限性也使它的应用范围受到限制，主要有以下几点不足：对于一般的光伏系统，光伏阵列的输出功率都很大，其需要测量电压和电流较大。为了满足电压和电流的测量等级

29、，必须选用大功率的功率电阻。由于该电阻体积和重量都很大，不利于现场测量；使用电阻测量光伏阵列，测量过程也很繁琐，一次完整的特性测量需要多次调节电阻值。由于必须手动调节电阻值，整个测量过程费时费力；手动调节方式仅能在特性曲线上取得有限点数，使得特性曲线呈阶梯状变化，精度水平很低。同时测量过程不连续，持续过程较长，加之外界环境条件的不稳定性，温度和照度在整个测量过程中可能会出现变化，因此很难得到所需环境下的光伏阵列区域特性曲线，将会出现较大的误差。 2.3.2.2 电子负载法 电子负载法即2可变电子负载现场方法。这是基于变电阻测试原理的一个方法。电子负载阻值变化不需要通过人工手动实现，可以通过正确

30、控制电子负载的数值，使其等效为阻值从零变化到无穷大的，并实时采集电子负载两端的工作电压和电流，连接采样点即可得到当前环境下的光伏阵列的区域特性。当电子负载的等效阻值为零，光伏阵列近似为短路状态，此时测得的电流为短路电流；当电子负载等效阻值为无穷大时，光伏阵列相当于开路状态，此时测得的电压为开路电压。但是电子负载法需要实现两方面的控制，电子负载数值以及采样电路的控制，控制比较复杂；其次是当光伏阵列功率较大时，电子负载的体积也相应变大，以致系统体积增大，同样也不利于现场测试的进行。2.3.2.3 电容动态充放电法 电容快速充电测试是设计光伏阵列对电容的充电控制主电路，通过测量充电过程中变化的电压电

31、流来实现阵列区域曲线特性。充电开始时，在功率开关闭合的瞬间，充电回路的电流为阵列的短路电流。当充放电电容的充电电流最终为零时，此时电容电压圪等于阵列的开路电压。测试系统通过电流传感器和电压传感器对电容的整个充电过程进行全程电流电压采样，这些采样点的组合就构成了当前环境条件下的光伏阵列伏安特性曲线。动态电容测试方法优点在于测试过程有控制电路自动完成，测试方便，并且测试速度快，精度高；控制电路的处理速度快，可均匀采样足够多的点进行处理分析，得到平滑准确的区域特性曲线，测试得到系统曲线可以直接以曲线形式显示出来，测试结果很直观。整个测试系统体积小，重量轻，属于便携系统，便于现场的测试。而其缺点则是需

32、要增加控制电路，并且对采样速度、精度、以及处理器速度的要求比较高。并且当要测试的光伏阵列功率比较大时，就需要容量比较大的电容器，而大容量的电容器体积和重量都较大，对于野外、远距离的现场安装测试是十分不便，但我们可以通过把大电容改为几个并联小电容克服这个缺点。 综合考虑，根据大功率光伏阵列现场测试的具体情况，电容动态充放电法较为适合光伏阵列区域特性测试系统的使用。 2.3.3 光伏阵列测试模型选择 光伏阵列测试系统的实现是基于太阳电池的等效电路模型，其外部特性具有很强的非线性，在使用时，温度、日照强度的变化均可影响系统的P-V及I-V特性。因此太阳电池的数学模型是否准确合适，控制系统是否稳定可行

33、，是测试系统设计的关键，也是考核测试系统的主要指标。分析比较各种光伏阵列区域特性模型，包括多项式模型、指数模型、人工网络模型和工程模型等，我们认为工程模型算法最合适。考虑到光伏系统设计、数字仿真和模拟时运算速度和计算工作量，提出尽可能在工程精度下的简化实用工程模型。此模型实质从单指数模型简化得到，它不需要经过拟合，仅需要阵列几个容易测量的电路参数、，就能在一定精度下得到光伏阵列的特性。、这四个参数通过电容充电法测得。此算法实用性强，符合工程应用的需要。 对上述基本的光伏阵列等效电路模型公式(22)进行简化，通常由于远小于光伏阵列电流，因此可以忽略不计，而小于二极管正向导通电阻，因此近似认为引入

34、待定系数，使简化出更加实用的光伏阵列工程模型： （23） 代入三个主要参数点可以计算出 （24） （25）可以看出虽然工程模型的精度虽然没有指数模型那么高，但是对于运算能力有限的数字处理系统来说，工程模型较实用简便，运算执行速度快，达到系统的精度要求，更好地提高了数据采集处理分析的效率。这将为光伏系统在工程精度下的仿真研究和开发带来极大的方便，因此本测试系统选用工程模型。 2.3.4 光伏阵列预估算法的研究 光伏阵列区域特性易受环境因素的影响，其输出功率与日照强度、温度等密切相关。厂家提供的太阳电池的特征参数都是在标准测试条件下(=1000W，=25)测定的，由于环境条件的多变性，这些参数实际

35、上不能反映光伏阵列的工作情况。推广算法模型的应用范围，考虑环境因素的影响，应改进模型以对光伏阵列特性进行预估研究。 工程模型仅仅需要与环境联系的四个重要特性参数就可以大致还原光伏阵列的特性曲线。考虑环境变化对四个重要参数的影响并利用实测环境测得的、，可得到任意环境下的四个参数值，结合工程模型，能以较高的精度得出任意环境下光伏阵列的输出特性。实现光伏阵列区域特性的预估。 （26） （27） （28） （29） （210） （211） 系数a，b，c的典型值为：a=0.0025，b=O5，c=0.00288为区别各光伏阵列特征参数，将它们分别定义为标准条件下；实际测量下、S、T；预估的新环境下。这

36、一种预估算法能够较准确地拟合出任意条件下的光伏阵列特性，计算简便最适于工程应用，因此本测试系统洗用此模型作预估处理。3 基于LPC2214的硬件选择和实现3.1 光伏阵列特性测试系统整体设计 光伏阵列区域特性测试装置由电容快速充电测试法的主电路，数据采集控制处理单元(LPC2214）和数据处理显示模块三部分组成。其中，主电路包括温度传感器、照度传感器、光伏阵列、以及光伏阵列电压电流采样电路。电压电流采样电路包括功率开关、充放电电容、电流传感器、电压传感器、快速充电电阻、慢速充电电阻、压敏电阻等组成。将温度传感器和照度传感器测得的温度、照度数据通过A/D转换传入LPC2214，同时将光伏阵列通过

37、电容快速充电法测得的电压、电流数据分别经过电压传感器和电流传感器传入LPC2214，在LPC2214中通过10位逐次渐进型A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，再在LPC2214内部通过软件控制完成数据处理工作得到在不同照度和表面温度的情况下的光伏阵列特性。这样就实时反映了光伏阵列的特性。同时根据光伏阵列物理数学模型进行区域特性的推算预估，实现对任意环境下光伏阵列区域特性曲线的准确表达并通过LPC2214的flash在显示模块以图形方式显示。LPC2214与显示模块是通过通用串行口连接的。图3.1 伏阵列测试系统 其中标准太阳电池用来测定日照强度，结合温度传感器(DS18820)可以将当前日照

38、测定的光伏阵列特性曲线和参数转换至标准环境下的特性曲线和参数。为电容C的缓慢放电电阻，为快速放电电阻，在断开后闭合使C的能量快速释放以便于下次测量。测试系统采用电容快速充电法。电容动态充电测量方式是设计光伏阵列对电容的充电控制主电路，通过测量充电过程中变化的电压电流来实现阵列I-V特性曲线。充电开始时，在开关局闭合的瞬间，充电回路的电流为阵列的短路电流。当电容的充电电流最终为零时，此时电容电压等于阵列的开路电压。系统对电容的整个充电过程进行全程电压电流采样，这些采样点的组合就构成了当前环境条件下的光伏阵列I-V特性曲线。LPC2214根据AD采样结果描绘出光伏阵列的特性曲线，同时实时监测当前光

39、照强度和电池板表面温度。3.2 系统电路设计 3.2.1 光伏阵列区域特性测试系统主电路设计 3.2.1.1 充电回路参数设计图3.2 伏阵列测试电路图 从图3.2可以看出，充电电容是由3三个电容通过并联的方式得到了。电容值大小直接决定了充电时间的长短，从而决定了采样的速率和系统的体积。电容值大，充电持续时间较长，有利于数据采集，但是系统的体积增加；选择较小的电容值，能够减小系统体积，但是电容充电时间缩短，在采样周期不变的情况下，采样的数据点数就会减少，从而由这些采样点绘制的I-V特性曲线的准确度就会降低。因此要选择最好的一个折衷方案。下面先求取系统所需的主电路参数值。电3.3 电容充电曲线示

40、意图 图3.3是电容充电曲线示意图，其中图线2为光伏阵列的I-V特性曲线。从图中可以明显的看出，电容的实际充电时间介于以曲线l和曲线3充电方式充电时间之间。以曲线3的方式给电容充电，即整个过程电流始终为短路电流。由电容的特性知，电容两端的电压u(t)和流过电容的电流i(t)之间的关系如下： （3-1） 先计算第三条曲线： 当忙(充电时间)的时候，i(t)=,u(t)=则： （3-2） 当计算第一条曲线： （3-3） 解微分方程可得： （3-4） 当从分析和实际实验数据可知，电容的实际充电时间(第三条曲线)大概是3倍的tc。本系统的ADC采样单元最快转换速度为2.44us，考虑程序运行时间。要能

41、采样足够的采样点数(1000点)，需要选取3只450V3000F(C1C3)的电解电容如主电路图4.2所示串并联连接，等效为450v9000F的大电容，满足系统的要求。 3.2.1.2 放电回路参数选择 控制功率开关，将MOSFETl打开、MOSFET2闭合，电容通过电阻快速放电。系统需要对电容进行反复充放电，为不影响每次充电测试的准确性，系统在实际应用中假定当电容的端电压下降到放电前的5%时，放电完成。系统工作的快速性要求放电的时间要短，从而要求放电电阻尽量取小，当时放电电阻越小放电时电阻上承受的功率越大，一般大功率的电阻体积也比较大，从而造成测试系统体积增大不利于系统便携式地要求，因此需要

42、选取适当的功率电阻。综合实际情况，取放电时间上限为ls。由电路的知识可以知道，在初始电压为电池阵列开路电压Uoc的情况下，电容电压U和时间的关系是： (3-5) 代入结束条件U=0.05Uoc，t=10s，C=9000F，计算得出放电功率电阻为370。由于电容上存储的能量有限，其放电速度比较快。由于电容上储存能量有限，且放电速度比较快，根据经验一般心比P小看曲线也可知，因为就是一开始的电流比较大。 3.2.2 驱动电路设计 系统所测量电压电流较大，且需要开关频率较高，因此选用MOSFET电力场效应晶体管。导通时MOSFET管内只有一种极性的载流子(多数载流子)参与导电，属于单极型晶体管。由于使

43、用栅极电压控制漏极电流因此其驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快，工作频率高，耐高压。根据MOSFET电力场效应晶体管的驱动特性的要求，系统的驱动电路如图3.4所示；LPC2214发出控制信号通过驱动电路控制，从而通过任一lpc2214的I/O口控制MOSFET电力场效应晶体管开通关断。在本文我们选择基于TLP250设计的驱动电路。TLP250包含一个GaAlAs光发射二极管和一个集成光探测器，是8脚双列封装，适合于IGBT或功率MOSFET栅极驱动电路。TLP250的管脚如图3.4所示。图3.5为驱动电路图。图3.4 TLP250管脚图图3.5 驱动电路图3.3 采样电路设计 3.3.1 电

44、压电流采样：使用传感器来获取电压信号，使用电压传感器。传感器原理如霍尔传感器。原边电流知产生的磁通量聚集在磁路中，并由霍尔器件检测出霍尔电压信号，经过放大器放大，该电压信号精确地反映原边电流。电压电流采样电路则如图3.7所示，输出端4、5分别接电容负载两端来采集电流。图3.6 电压采样原理图图3.7 电压电流采样原理图 对光伏阵列电流的采样可以通过电流霍尔传感器进行电流检测，也可以通过功率小电阻进行电流检测。由于本系统电流的范围不大，要选择合适的电流霍尔传感器得到比较精确的采样数值较为容易，故电流霍尔传感器进行电流检测。使电流020A对应为信号0-3.3V。其原理与电压传感器类似。 3.3.2

45、 温度采样 温度采样，选用的是美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DSl8820。DSl8820的全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内，其主要特点如下： (1)适应电压范围宽，电压范围：3.O5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电； (2)独特的单线接口方式，DSl8820在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DSl8820的双向通讯； (3)DSl 8820支持多点组网功能，多个DSl8820可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温； (4)DSl8820在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内； (5)测温范

46、围一55+125，在一10+85时精度为±05； (6)可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为05、025、0125和00625，可实现高精度测温： (7)在9位分辨率时最多在9375ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更； (8)测量结果直接输出数字温度信号，以”一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力； (9)负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。具体的应用DSl8820的温度采样电路如图3.8所示：图3.8 温度采样电路图 3.3.3 日照强度采样 虽然很多环境因

47、素都对光伏阵列输出的短路电流值有影响，但对于一个很小面积的光伏阵列，可以认为其输出短路电流与其它环境条件无关，仅仅与日照强度有关。因此可以通过测量小面积的光伏阵列的短路电流，间接得到日照强度的数值。本系统采用2cm×2cm的标准太阳电池单体作为日照强度传感器。在太阳电池单体的正负极之间接入0.33 Q的小电阻，此时可以近似认为太阳电池单体处于短路状态，通过采样电阻两端的电压来测量太阳电池单体的短路电流值，从而进一步获得日照强度的数值。日照强度的采样电路如图3.9所示。图3.9 日照强度采样图3.4 控制及数据处理模块的设计 由于要准确快速的测试光伏阵列的IV特性，要求测试系统的控制单

48、元的采样转换速度快、精度高并且数据存储量大；由于又要考虑测试系统便于现场测试的要求，控制单元还应具有较强的通讯功能以及较低功耗。综合各种控制芯片的性能并充分考虑到液晶显示的效果，本课题选用了Philips公司的ARM芯片LPC2214。3.4.1 LPC2210特性LPC2214 是基于一个支持实时仿真和跟踪的32 位ARM7TDMI-STMCPU 的微控制器，并带有256 k 字节(kB)嵌入的高速Flash 存储器。128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16 位Thumb 模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失

49、却很小。由于 2214 较小的144 脚封装、极低的功耗、多个32 位定时器、8 路10 位ADC以及多达9 个外部中断使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和POS 机。在144 脚的封装中，可使用的GPIO 高达76（使用了外部存储器）112 个（单片应用）。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软modern 以及其它各种类型的应用。它的主要特点如下： 32 位144 脚ARM7TDMI-S 微控制器。 16K 字节静态RAM。 128/256K 字节片内Flash 程序存储器（在工作温度范围内，片内Flash 存储器至少可擦除和写10000

50、次）。128 位宽度接口/加速器实现高达60MHz 的操作频率。 外部8、16 或32 位总线。 片内Boot 装载程序实现在系统编程（ISP）和在应用中编程（IAP）。Flash 编程时间：1ms 可编程512 字节，扇区擦除或整片擦除只需400ms。 EmbeddedICE-RT 接口使能断点和观察点。当前台任务使用片内RealMonitor 软件调试时，中断服务程序可继续执行。 嵌入式跟踪宏单元（ETM）支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 8 路10 位A/D 转换器，转换时间低至2.44us。 2 个32 位定时器（带4 路捕获和4 路比较通道）、PWM 单元（6 路输出）、实时

51、时钟和看门狗。 多个串行接口，包括2 个16C550 工业标准UART、高速I2C 接口（400 kbit/s）和2 个SPI 接口。 通过片内PLL可实现最大为60MHz 的 CPU 操作频率。 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 多达112个通用I/O口（可承受5V电压），12个独立部中断引脚（EIN和CAP功能）。 片内晶振频率范围：130 MHz。 2 个低功耗模式：空闲和掉电。 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗。 双电源 CPU 操作电压范围：1.651.95 V(1.8 V+/ 8.3%) I/O 操作电压范围：3.03.6 V(

52、3.3 V+/ 10%) 3.4.2 LPC2214的系统设计 设计系统是保障处理器正常工作的基础，也是系统成功设计的前提。在LPC2214的系统设计中，最为关键的是复位电路、时钟和调试环境的选择与设计。LPC2214的系统的电路图如图3.10所示。图3.10 LPC2214系统电路图3.4.2.1 复位电路设计：微控制器在上电时状态并不确定，将造成微控制器不能正确工作。为解决这个问题，所有微控制器均有一个复位逻辑，它负责将微控制器初始化为某个确定的状态。这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作。一些微控制器在上电时自身会产生复位信号，但大多数微控制器需要外部输入这个信号。因为这个信号会使微控制器

53、初始化为某个确定的状态，所以这个信号的稳定性和可靠性对微控制器的正常工作有重大影响。最简单的复位电路为阻容复位电路，这个电路成本低廉，但不能保证任何情况下都产生稳定可靠的复位信号，所以一般场合需要使用专门的复位芯片。本次系统设计采用了SP708带手动复位芯片，复位电路如图3.11所示。图3.11 手动复位电路3.4.2.2 时钟电路设计：目前所有的微控制器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作，大多数微控制器具有晶体振荡器。基于以上事实，需要设计时钟电路。简单的方法是利用微控制器内部的晶体振荡器，但有些场合需要使用外部振荡源提供时钟信号。时钟电路如图3.12所示。图3.12 时钟电路图3.4.

54、2.3 JTAG电路设计：本系统的软件程序可以通过CodeWarrior for ARM Developer Suite开发环境进行仿真，调试方便。JTAG电路是调试软件CodeWarrior for ARMDeveloper Suite与LPC2214之间的桥梁，电路设计的正确与否关系到仿真能否顺利进行。 3.4.2.4 电源电路设计： 电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础。如果电源系统处理的好，那么整个系统的故障往往减少很多。设计电源系统的过程必须考虑如下因素：输入电压、电流；输出电压、电流和功率；安全因素；输出纹波；电磁兼容和电磁干扰；体积限制；功耗及成本限制等方面。LPC2214要使用四组电源：数字3.3V、1.8V和模拟3.3V、1.8V。理想情况下，需提供4组独立电源：两组3.3V电源和两组1.8V电源，它们需要单点接地或大面积接地。本系统设计了两组电源：I/O口供电电源为3.3V，内核及片内外设供电电源为1.8V。因为系统对电压要求比较高，且功耗不大，我们采用SPXlll7芯片实现所需要的3.3v和1.8V电源，其特点是输出电流大，电压精度高，系统电源电路如图3.1