中小功率光伏陣列I-V特性測試技術(shù)研究

摘要：這里采用一種基于動態(tài)電容充電方法，結(jié)合高速A／D采樣和數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)對光伏陣列的現(xiàn)場I-V特性測試。該方法具有安全性高、體積小、成本低、精度高等特點，并可用于更大功率的光伏陣列現(xiàn)場測試。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理和測試方法，并進(jìn)行了樣機(jī)研制和現(xiàn)場測試，實驗結(jié)果表明該方法滿足工程應(yīng)用需求。
關(guān)鍵詞：光伏陣列；特性測試；動態(tài)充電電容

1 引言
    太陽能電池陣列是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，是光伏系統(tǒng)的重要組成部分，它決定了光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。因此合理配置太陽能電池陣列，提高太陽能電池陣列的轉(zhuǎn)換效率一直是光伏系統(tǒng)設(shè)計的重點。光伏陣列I-V特性曲線測試儀可實現(xiàn)對光伏電站現(xiàn)場的光伏陣列進(jìn)行I-V特性曲線測試，并可根據(jù)當(dāng)前輻射強(qiáng)度和太陽電池結(jié)溫，進(jìn)行I-V特性曲線的預(yù)估，顯示現(xiàn)場光伏陣列的I-V，P-V等特性曲線、標(biāo)示最大功率點等，其所提供的數(shù)據(jù)可實際評估光伏電站的發(fā)電功率設(shè)計和可能的實際發(fā)電量，是光伏電站系統(tǒng)設(shè)計和施工建設(shè)的必備測量儀器。

2 光伏陣列的數(shù)學(xué)模型及伏安特性
    光伏陣列數(shù)學(xué)物理模型是研究光伏陣列系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，也是評價光伏陣列性能的重要依據(jù)。通過研究光伏陣列數(shù)學(xué)物理模型，可利用現(xiàn)場測試得來的陣列數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出不同溫度、光照強(qiáng)度下的陣列數(shù)學(xué)模型。估算出任意溫度、光照強(qiáng)度下I-V特性曲線。光伏電池等效電路如圖1所示。

    由圖1可知其數(shù)學(xué)模型為：
   
    式中：I，U分別為輸出電流和電壓；Iph為光生電流；T為電池內(nèi)部溫度；Io為二極管飽和電流；Rs，Rsh分別為內(nèi)部等效串聯(lián)和并聯(lián)電阻；q為電子電荷量；A為二極管系數(shù)；k為波爾茲曼常數(shù)，k=1．380 58x10-23J。
    對式(1)進(jìn)行推導(dǎo)并簡化，得到工程上常用的光伏電池輸出特性表達(dá)式：
   
    根據(jù)式(2)可知，僅需輸入光伏電池常用的特征參數(shù)Uoc，Isc，Um，Im，就可根據(jù)式(2)得出C1，C2的數(shù)值，將C1，C2代入式(2)中第1式便可得光伏電池的特性曲線表達(dá)式。

3 測試原理及實現(xiàn)
    光伏陣列的I-V特性曲線主要反映其輸出電流與電壓之間的關(guān)系，以及輸出能力和非線性特征，如要測試其關(guān)系曲線，必須實現(xiàn)輸出電流和電壓全功率范圍的變化并予以合理的數(shù)據(jù)采集和處理，即可實現(xiàn)該陣列的特性曲線測試。
3．1 測試原理及構(gòu)成
    圖2示出基于動態(tài)電容充電的光伏陣列特性曲線測試儀結(jié)構(gòu)。主要包括主電路、控制最小系統(tǒng)、外部采樣電路、驅(qū)動隔離電路、保護(hù)電路等。主要技術(shù)包括設(shè)計合適的充電電容以及在充電過程中對光伏陣列輸出電壓、電流進(jìn)行高速、高精度的采集。

    基于動態(tài)電容充電的光伏陣列特性測試方法使用電容作為光伏陣列的負(fù)載，電容剛開始充電時，電容兩端電壓為零，光伏陣列相當(dāng)于短路；當(dāng)電容充電結(jié)束后，電容兩端電壓為光伏陣列的開路電壓，相當(dāng)于光伏陣列開路。整個測試過程為：由控制電路發(fā)出控制信號使K1閉合，光伏陣列開始對電容C充電，電容電壓從零變化到開路電壓，光伏陣列的工作點就會由短路電流處逐漸變化到開路電壓處，在此過程中進(jìn)行光伏陣列輸出電壓和電流的采樣，從而得到光伏陣列在每個工作點的電壓和電流，由這些采樣點的組合就構(gòu)成了當(dāng)前環(huán)境條件下光伏陣列的I-V特性曲線。采樣結(jié)束后，斷開K1，閉合K2，對C進(jìn)行放電，使電容保持零初始狀態(tài)。
3．2 充電電容的設(shè)計
    電容值大小直接決定了充電時間的長短，從而決定了采樣的速率和系統(tǒng)的體積。電容越大，充電時間越長，有利于數(shù)據(jù)采樣，但系統(tǒng)體積增加；選擇較小的電容值，能夠減小系統(tǒng)體積，但電容充電時問縮短，在采樣周期不變的情況下，采樣數(shù)據(jù)點數(shù)就會減少，從而由這些點繪制的I-V特性曲線的準(zhǔn)確度就會降低。

    圖3為電容充電曲線示意圖，由圖可見電容充電時間介于以曲線(1)和曲線(2)充電方式充電時間之間。
    若以曲線(1)的方式給電容充電，整個充電過程電流始終為短路電流Isc。由電容特性可知電容兩端電壓u(t)與流過電容的電流i(t)的關(guān)系為：

    由以上分析和實際試驗經(jīng)驗可知，電容實際充電時間約為由公式t=CUoc／Isc計算的值的3倍。系統(tǒng)中電壓測試范圍為0～1kV(Umax=1kV)，電流測試范圍為0～20 A(Imax=20 A)。在整個充電過程中采樣200個點，所選擇的A／D采樣芯片兩次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之間的時間間隔為2μs，故轉(zhuǎn)換時間應(yīng)不低于400μs，再加上要對轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行判斷，考慮一定的安全裕量，采樣時間應(yīng)不低于10ms。
    為保證小電壓大電流(Uoc1=Umax×3％=30 V，Isc1=Imax=20A)也能保證足夠的采樣時間，采樣時間應(yīng)滿足：

    根據(jù)公式(6)和(7)，選擇充電電容為2 mF。
3．3 放電電阻設(shè)計
    為了保證不影響下一次充電測量的準(zhǔn)確性，需要在每次電容充電完成后通過放電電阻R對電容放電。R越小，放電時間越快，但R上承受的功率越大；R越大，放電時間越長，不利于系統(tǒng)工作快速性的要求。綜合實際情況，取放電時間為10s。電容電壓U與t關(guān)系為：U=Uocexp[-t／(RC)]，當(dāng)t=5RC時，認(rèn)為電容兩端電壓接近零。t=10s，C=2mF，解得R=1kΩ。
3．4 電壓、電流采樣
    對應(yīng)不同的開路電壓和短路電流，由公式知充電時間也隨之而變化，選擇合適的電容可以保證系統(tǒng)在不同的開路電壓和短路電流情況下都有足夠的采樣時間。所設(shè)計的中小功率光伏陣列I-V曲線測試儀可測試的最大開路電壓為1 kV，短路電流為20 A。電壓變化范圍較大，若電壓采樣通道僅有一個，在所測試的光伏陣列開路電壓較小時，電壓采樣信號較小，在采樣電路中存在噪聲的情況下信噪比較大，這將對測試結(jié)果造成很大的誤差。在如今充滿電磁干擾以及電路本身存在噪聲情況下，通過合理的PCB布局以及抗干擾技術(shù)可減少采樣電路的噪聲，但若在硬件上提高信噪比，將會大大增大系統(tǒng)的采樣精度。測試儀采樣電路如圖4所示，電壓有4個采樣通道，通過ARM控制繼電器觸點S2～S5的開通與關(guān)斷選擇合適的電壓采樣通道。系統(tǒng)開機(jī)時電壓采樣通道選擇最大的采樣通道，即S2閉合，其他的繼電器觸點斷開，此時預(yù)采樣開路電壓，然后根據(jù)預(yù)采樣的電壓值算出實際開路電壓。若算得的開路電壓600 V<Uoc≤1 kV，則S2閉合，S3～S5斷開；若300 V<Uoc≤600 V，則S3閉合，S2，S4，S5斷開，若100 V<Uoc≤300 V，則S4閉合，S2，S3，S5斷開；若0<Uoc≤100 V，則S5閉合，S2～S4斷開。

    選擇好合適的電壓采樣通道后，閉合S1，開啟電容C充電回路，在電容充電的過程中采樣電容兩端的電壓和流過電容的電流，再對這些點進(jìn)行濾波處理就能繪制出光伏陣列I-V曲線了。

4 數(shù)據(jù)處理
    因為測試儀采樣得到的I-V數(shù)據(jù)是客觀的，存在不可避免的誤差。如何根據(jù)實測的I-V數(shù)據(jù)繪制I-V曲線并準(zhǔn)確計算太陽能電池特性參數(shù)是后期數(shù)據(jù)處理需要解決的主要問題。雖然硬件上在A／D采樣信號入口處設(shè)計了RC濾波器，但是干擾因數(shù)復(fù)雜，還需在軟件上采用數(shù)字濾波方法對曲線進(jìn)行進(jìn)一步的平滑處理。此處采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。

5 實驗與結(jié)果
    基于上述設(shè)計方案，這里選用基于ARM7TDMI內(nèi)核的LPC2214作為控制芯片，成功研制了一臺中小功率光伏陣列特性曲線測試儀樣機(jī)，主要技術(shù)指標(biāo)為：電壓0～1 kV；電流0～20 A；環(huán)境溫度-40～80℃；日照強(qiáng)度0～2 500 W／m2?；谠摌訖C(jī)成功對光伏陣列進(jìn)行了測試實驗。所測光伏陣列的I-V曲線波形如圖5所示。

     經(jīng)測試所得到的特征參數(shù)為Uoc=448．09 V，Isc=4．08 A，最大功率點對應(yīng)的電壓Um=352．48 V，最大功率點對應(yīng)的電流Im=3．41A，最大功率點功率Pm=1204W。

6 結(jié)論
    這里采用了一種動態(tài)電容充電方式的光伏陣列特性測試技術(shù)，詳細(xì)分析了其工作原理、實現(xiàn)及其控制等。利用研制的樣機(jī)進(jìn)行了光伏陣列特性的現(xiàn)場測試，結(jié)果表明測試儀完全滿足一般的工程要求，該方法具有一定的實用價值。