lpc4的光伏电网测试系统设计

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1、作者：Pan Hon glia ng仅供个人学习目录中文摘要3.英文摘要3.1引言4.1.1太阳能光伏产业发展前景 41.2光伏阵列测试技术研究现状和意义51.3本论文主要内容和框架.6.2光伏阵列的特性及其测试方法72.1太阳电池原理以及分类 7.2.2太阳能电池的特性8.2.3光伏伏阵列特性测试方法 1.03基于LPC2214的硬件选择和实现143.1光伏阵列特性测试系统整体设计 143.2系统电路设计 1.53.3采样电路设计1.73.4控制及数据处理模块的设计1.9结论24谢辞25参考文献25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

2、时也是光伏系统成本的主要部分。因此合理配置光伏阵列，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

3、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 syste m.It determ ines the cost of photovoltaic system and rati onal power capacity of the systemTherefore,the ration

4、al allocation of the photovoltaic array,Analysis and evaluation the power generation efficiency of photovoltaic power plants.Enhancing the effi ciency in the useof photovoltaic arrays has beenthe focus of the PV system design,is also an important measure to reduce power generation costs of PV system

5、s .In this paper,the dyn amic capacita nce charge and discharge method, the method by detecting the solar array to the process of charging the capacitorcurrent and voltage data changes,to reproducehe IV characteristics of PV array,in this way can quickly and easily measuring solarIV characteristics

6、of the battery array, with a small size, light weight and other characteristicsThe assessment results of the system show that the testi ng system operates stabely,has the higher measureme nt accuracy.A complete test ing will take about 54 ms,a nd the measured characteristics of photovoltaic arrays c

7、an displayed on LCD directly in the form of a curve that made the characteristics of photovoltaic arrays more illustratable and comprehensible.It can meet the n eeds of engin eeri ng.Keywords: solar array； photovoltaic characteristic； mathematic modeI-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

8、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川。 2004年,德国最先出台了相关的法律法规，实施购电补偿，推

9、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 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

10、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

11、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

12、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。

13、 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

14、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A / D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

15、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

16、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结区产生电子一空穴对。当内建电场作用于p-n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

17、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为主，特别是晶体硅电池。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）薄膜电池薄膜电池非晶硅电池具有较高的转按效

18、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咼，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

19、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 的晶体硅电池由更咼的效率，并且没有非晶硅的老化冋题，在咼温下产生咼电量， 具有很好的发展前景。2.2太阳能电池的特性太阳能电池的特性图2.2 太阳电池单体的I V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

20、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

21、 Pm时利用效率才达到最 高。222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。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

22、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

23、到1000W/卅，阵列温度变化范围从10 C到70C。 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

24、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系依赖于光照强度：（2 1） 其中T 为电池温度CC ），为环境温度C ），S为同照强度（W），为温度系数CC -m2/ W）。的典型值为0.03,国际上定义标准太阳电池温度为25C。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

25、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

26、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

27、算法来 求解，在求解当中做出一些简化。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。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

28、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

29、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，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，

30、将会出现较大的误差。2.322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

31、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。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， 此时电容电压屹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

32、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。233光伏阵列测试模型选择光伏阵列

33、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，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

34、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 为弓I入待定系数，使简化出更加实用的光伏阵列工程模型：(2 3)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。光伏阵列预估

35、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/叭 =25C ）测定的，由于环境条件的多变性，这些参数实际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。（2 6）（2

36、7）（2 8）（2 9）（210）（211）系数 a，b，c 的典型值为：a=0.0025/C, b=0. 5，c=0.00288/C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

37、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

38、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

39、 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A / D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照强度和电池板表面温度。3.2系统电路设计光伏阵列区域特性测试系统主电路设计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

40、 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I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（

41、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 能采样足够的采样点数（1000点），需要选取3只450V/3000F（C1 C3）的电解电容 如主电路图4.2所示串并联连接，等效为450v/9000F的大电容，满足系统的要求。放电回路参数选择控制功率开关，将MOSFETI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

42、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

43、为就是一开始的电流 比较大。322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 Ipc2214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GaAIAs光

44、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采样电路设计电压电流采样：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

45、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。332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 DSI8820。 DSI8820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，DSI8820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DSI8820的双向通讯；(3

46、) DSI 8820支持多点组网功能，多个DSI8820可以并联在唯一的三线上，实 现组网多点测温；(4) DSI8820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；测温范围一 55r+125C，在一 10+85C时精度为). 5C；(6) 可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0. 5C、0. 25C、 0. 125C和0. 0625C，可实现高精度测温：(7) 在9位分辨率时最多在93. 75ms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

47、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DSI8820的温度采样电路如图3.8所示：图3.8温度采样电路图日照强度采样虽然很多环境因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2cmx2cm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

48、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。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

49、）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 moder n以及其它各种类型的应用。 它的主要特点如下：

50、? 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次）。128位宽度接口 /加速器实现高达60MHz的操 作频率。?外部& 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

51、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2.44U&? 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

52、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（3.3 V+/- 10%）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3.10LPC2214系统电路图复位电路设计：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

53、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342.2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

54、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JTAG电路设计：本系统的软件程序可以通过CodeWarrior for ARMDeveloper 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。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

55、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3.13所示：图3.13 系统电源电路图LCD电路设计：经过处理的数据最终会以图表的形式

56、在 LCD上表达出 来，选用了 1280 4的点阵液晶屏，基本上能够满足光伏阵列现场测试的要求。 液 晶显示电路如图3.14。图3.14液晶显示电路测试系统的软件设计测试系统软件的主要功能主要有：实现接收液晶模块的控制命令、对整个测 试过程进行控制、对测试得到的结果进行数字处理、对测试过程中出现的各种异 常情况进行快速保护处理以及把测试结果及测试过程的状态数据发送给液晶显 示模块。测试控制部分主流程：按照软件编写功能化和模块化的要求，测试 控制部分的软件分为系统初始化模块、故障处理模块、显示模块及通讯处理模块 四个部分，主流程图如图3.15所示。其中Adc Flag是采样标志位。系统初始化 模

57、块主要功能包括设置系统时钟、设置中断、设置GPIO、初始化ADC、初始化全局变量以及其它一些特殊寄存器设置等；故障处理模块是对电路故障检测并进 行相应的处理；采样控制模块的主要功能为控制电压、电流、温度及照度的采样； 通讯处理模块主要用于处理由液晶模块发出的控制命令，设备具有RS232通讯接口。图3.15主流程图故障处理模块：故障处理模块中主要包括过压保护和过流保护。过压保护是指通过软件对光伏阵列进行预采样，确定其开路电压并进行分析，判断电压是否在该测试仪的测量范围，如若超出范围及时对电路进行保护，以免毁坏 器件。过流保护部分采用的是硬件电路保护方式。当电路发生过流时，硬件电路直接封锁采样电路

58、，以保护芯片的正常工作。该模块的软件流程如图3.16所示。其中UoverFlag为过压标志位，loverFlag为过流标志位。图3.16故障处理模块软件流程图数据采集处理模块：数据采集处理模块是指数据采集的方法及其处理方法。因为在数据处理过程中，电流比电压有一定的滞后时间，其造成原因是数据从A/D 口进来后，需要先处理电压数据再处理电流数据。所以在数据处理过程 中需要用软件的方法消除在数据处理过程中产生的电压电流数据时间差，再将处理后的V-I数据输出。其中电路刚接通时是采集不到短路电流的，需要通过能够 采集到的最前十个电流数据通过工程模型估算出来。同时在数据处理过程中需要3.17所实时跟踪计算

59、输出功率，并得出最大功率点。电压电流采样处理流程如图 示。图3.17电压电流采样处理流程图343.4通讯处理模块：通讯处理模块是测试控制部分和电脑的桥梁， 通讯处 理模块通过UARTO接收中断方式接收电脑发出的控制命令， 并做出相应的处理。 其软件流程图如图3.18所示。图3.18通讯处理模块软件流程图由于电脑只和测试控制部分进行单一通讯，即不需要附加的地址/数据位， 所以适合空闲线通讯模式。ARM中内置波特率发生器。UARTO波特率发生器模 块UOBRG产生UARTO Tx模块所使用的定时。UOBRG模块时钟源为VPB时钟。 主时钟与UODLL和UODLM寄存器所定义的除数相除得到 UART

60、O Tx模块使用 的时钟，该时钟必须为波特率的16倍。在本系统中，数据格式采用无奇偶校验、8个数据位和一个停止位。通讯接收采用中断方式，发送采用查询方式来进行UARTO串行通讯。其流程图如图3.19、 3.20所示。其中BHEAD是表示包头个数的变量，BLONG是表示包长的变量，I 是中间变量用作判断接收是否完成。图3.19数据发送流程图图3.20接收中断服务流程图3.4.3.5显示模块：液晶显示模块软件采用了模块化设计方案，其主程序结构如图3.21所示图3.21显示模块主程序结构图数据处理主要是指对采样得到的电压、电流数据进行平滑处理，即数字滤波 因为测试设备在运行过程中总会受到各种因素的干

61、扰， 这些干扰因素有的是设备 内部自身产生的，也有的是外部环境引入的，它们直接影响到测试设备利用采样 数据描绘的，I 一 V特性曲线的效果，因此还需要在软件上采用数字滤波方法， 对 曲线进行进一步的平滑处理。数字滤波的一般原则是既能消弱干扰成分又能保持 原有曲线的变化趋势。与模拟滤波器相比，数字滤波有以下优点：(1) 不需要增加任何硬件设备，只要在程序中附加一段数字滤波程序即可；(2) 不存在阻抗匹配问题；(3) 只要适当改变滤波器程序或其参数就可方便的改变滤波特性，对于低频 脉冲干扰和随机噪声的克服特别有效。光伏阵列I V曲线测试仪在对采样得到的电压、电流数据进行平滑处理数字 滤波时，把采样

62、得到数据，先按照电压值从小到大的顺序重新排列， 然后经过曲 线拟合，恢复出符合精度要求的输出曲线。结论本文采用电容动态充放电法的光伏阵列测试方法， 设计了基于LPC2214的光 伏阵列测试系统。该系统运行稳定、携带方便、测量精度较高、一次完整的测试 只需14ms左右，测试比较快速，能满足工程应用的需要，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。总的来 说，本次设计的重点在于：1 设计了基于电容动态充放电法的光伏阵列测试方法，这种方法与其他测 试方法相比，测量简单，设备便携，测量过程快速。2阐述了光伏阵列与温度、照度的关系，并建立光伏阵列的数学模型，从

63、而对光伏阵列在不同温度和照度条件下的特性进行预估。3研究分析了基于ARM芯片(LPC2214)的光伏阵列数据采集模块，并设计 了一套可实用的光伏阵列测试测控软件。作为一个设计，本测试系统在软硬件设计上，还存在许多不足之处，今后还 需要进一步的改进和完善。具体可以从以下几方面考虑：1 器件选型：硬件的精度直接影响测量系统的准确性，而且这种影响是不 可修补的。因此器件选型是系统设计的关键环节。相信选用位数更高的ADC及高精度和低温漂的运算放大器，能够更好的改进系统性能。2模型改进：对于光伏阵列所需采集的参数，除去电流、电压、温度、日 照，还有一些影响光伏阵列特性的参数如：填充因子、串联电阻等，在改

64、进中也 应考虑在内。另外由于联结损耗而导致的特性偏移，可考虑通过误差分析的方法来消除。总之，太阳能作为洁净的可再生能源，是传统化石能源最重要的替代能源之 一。随着社会的发展、科技的进步，太阳电池的效率会越来越高而价格会越来越 低，从而使得人们会更加自觉、主动的去利用太阳能，太阳能光伏产业在未来将 会有更大所发展空间。专家预测，到21世纪中叶，太阳能光伏发电将发展成为重 要的发电方式，届时必将出现大量的太阳能电站。 从而，就需要越来越多的太阳 电池阵列特性现场测试设备来优化太阳能电站的设计、提高太阳电池阵列的利用效率。相信随着太阳电池阵列特性现场测试设备功能的不断完善，其在未来的太阳能电站的设计和建设中将起到越来越重要的作用。谢辞随着