光伏列阵特性曲线测试

北京中盛利合科技有限公司

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，在系统中无论从成本上还是功能上都占有重要地位。因此就需要光伏阵列I-V曲线测试设备对光伏阵列进行合理的配置，从而优化太阳能电站的设计，提高光伏阵列的利用效率。相信随着光伏阵列特性I-V曲线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。

光伏阵列的发电量从理论上来说是组成阵列的所有单块太阳电池组件发电量的总和，但在实际中光伏阵列的发电量却往往大大低于理论设计要求，这是由于太阳能发电所受的制约因数相当多。就其内部原因，包括单块电池自身特性差异引起的联接组合效率损失，单块电池损坏、电池老化等等，而外界环境因素则包括阵列的电池的安装、电池板的洁净程度、组合规则等。就是对于同一块光伏阵列来说，外界环境温度、日照强度、风速、运行时间等外界条件的变化，也均会引起光伏系统的发电量、系统效率等的变化。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在具体实践中根据安装的实际环境条件确定真正的发电量和系统效率。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。

目前，在对光伏阵列特性的现场测试方面，国外研究的比较深入，尤其是美国和日本已有成熟的产品系列推向市场，不过产品价格都比较高；国内的研究相对比较晚，并且多数研究的重点在太阳电池单体或组件的特性测量方面，目前市场上还没发现国产的测量较大功率的光伏阵列特性的设备。合肥科威尔电源系统有限公司联合合肥工业大学能源研究所共同研制的光伏阵列I-V特性曲线测试设备对光伏阵列特性现场测试的研究与加快我国光伏阵列特性现场测试设备的国产化的速度上，有一定的积极意义。

l 设计针对不同电压、电流等级，满足大范围电压、电流等级的光伏阵列测量。

l 根据不同的光伏阵列等级，整个数据采集的过程覆盖电容充电的全过程，完整浮现1-V特性曲线。

l 在测量过程中，可能会遇到各种千扰，对于数据的平滑处理能够减少噪声干扰的影响，因而数字滤波是必不可少的环节。

l 作为和用户直接联系的用户界面设计，显示界面必须简洁、方便，并能够以图形方式显示I-V 特性曲线，能够直观掌握测试系统的运行状态，能够对测量中的异常情况进行提示和报警处理。

l 建立基于短路电流、开路电压、环境温度和日照强度等参数的光伏阵列的工程用数学物理模型。

l 确定温度、照度的变化对光伏阵列特性的影响，通过数学表达式对温度、照度的影响进行定量分析。

l 根据光伏阵列的工程用数学物理模型和温度、照度与光伏阵列特性的关系式，确定适合计算机求解的预估算法。

l 根据测量光伏阵列中的测试参数，结合光伏阵列的物理数学模型，推导在任意温度和照度条件下的特性曲线，并以适合的形式显示。

l 设计良好的数据接口，可以对采集的数据、阵列的特征参数、重要的预估数据等进行存储和管理。

l 测控软件具有良好的用户界面，方便进行各种操作，可以在多组预估曲线中选择任意一组:对于不需要的曲线可以删除。

本产品采用动态电容充电方式，动态电容充电现场测试方法是根据电容的特性，把电容当成光伏阵列的可变负载，通过光伏阵列给电容充电整个过程的电流和电压采样，来测试光伏阵列的伏安特性曲线。

电容动态充电测量光伏阵列特性的基本原理如图所示，测试电路接于光伏阵列的输出端，由太阳电池阵列的I-V特性曲线可知，太阳电池阵列电压的变化范围为0至Voc，电流的变化范围为Isc至0。Voc是指阵列的开路电压，Isc是指阵列的短路电流。电容的起始电压为0，功率开关初始位置为断开，在开始进行阵列测量时，系统发出指令闭合开关K1，此时，电容开始充电，系统也同步开始测量。电容上的电压Vc和充电电流Ic的关系也同时反映了阵列的当前电压和电流关系。充电开始时，在开关K1闭合的瞬间，充电回路的电流为阵列的短路电流Isc。当电容的充电电流Ic最终为零时，此时电容电压Vc等于阵列的开路电压Voc。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阵列I-V特性曲线。由此可见，电容动态充电过程的测量，其电压电流特性可以完整地表达太阳电池阵列的I-V特性曲线，并且测试速度很快。

动态电容充电现场测试方法测试速度快，精度高，光伏阵列的特性可以直接以曲线的形式显示出来，测试结果很直观。

整机测试控制部分的硬件电路主要包括：电容充放电主电路、驱动电路、采样电路、LPC2214控制电路、通讯模块及保护电路等。

系统采用动态电容充电测试方法，用户控制端采用触摸屏实现人机交互操作。用户通过触摸屏发送“测试”命令，系统开始工作，对电容的整个充电过程进行全程电压电流采样，同时测量当前环境条件下光伏阵列接收的日照强度和环境温度，这些采样点的组合就构成了当前环境条件下的阵列I-V特性曲线，用户使用触摸屏上的“I-V”、“P-V”按钮观察特性曲线及相关数据。另外，根据太阳电池阵列的数学物理模型，结合测量数据，系统预估出任意规定环境条件下的阵列特性曲线，通过触摸屏上的“预估”按钮查看。用户还可以通过触摸屏上的按键存储测试数据，并可以查看历史记录。

图2

系统开机后，液晶屏显示如上图所示图片，点击Enter键，出现如下图所示图片。

图3

此界面有两个选择功能，其中测试界面为直接测量光伏阵列的IV曲线，而参数设置界面为对系统进行系数的修正。

（1）当点击测试界面时，出现如下图所示图片：

图4

此界面为IV曲线的显示界面，界面中有很多按钮，他们功能如下：

1.        Test：当点击Test键时，进入图5界面。

图5

2.        系统对光伏阵列进行IV测定，经过一段时间，测定结束并返回到图4界面，IV曲线显示在X-Y坐标中。

3.        Save：当点击Save键时，保存当前页面的图片，供以后需要时查询，图片保存最多为10张，超过10张时，原来保存图片会被覆盖。

4.        P-V：当测试结束时，界面X-Y坐标中显示IV曲线图，此时点击图4中P-V键时，在X-Y坐标中会同时显示P-V曲线。

5.        预估：当点击预估键时，出现图6所示图片：

图6

图6所示为当点击图4所示预估按钮时出现的界面图片，通过此界面的温度和日照强度参数设置，温度范围为-50℃-70℃，日照强度为0-1000 W/M²可以预估出此范围内任意条件下温度和日照强度时的光伏阵列的输出IV及P-V曲线图。

点击Enter键时，出现图4测试界面，对此条件下的参数进行IV及P-V曲线的测试。

点击Esc键，返回图4所示界面。

6.        查看：当点击查看键时，可以查询到以前保存的IV及P-V曲线，图片出现顺序为最后一次保存图片为最先显示，然后依次往后累加显示。

7.        Esc：当点击Esc键时，系统退出测试界面，返回图3所示界面。

8.        特征参数中，Voc，Isc分别代表光伏阵列的开路电压和短路电流，Vm，Im，Pm代表在最大功率Pm处的电压Vm和电流Im值。

（2）当点击参数设置界面时，出现下图7所示图片：

图7

输入密码（2345），点击Enter键，出现图8所示界面。

点击Esc键，退出参数设置，返回图3界面。

图8

图8界面为对修正系数进行设置，修正结束时，点击Enter键，返回图3界面。此时，可以对光伏阵列进行IV及P-V曲线的测定。

当采样电阻的实际值与理论值出现偏差时，测得的电流与电压等数据会有误差，当通过比较测量值，得出电压电流等误差值，然后通过修正系数来补偿出现的误差值。

实验中获得的IV及P-V曲线图：