微型太陽能逆變器測(cè)試技術(shù)

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致了自然資源的快速枯竭，從而引發(fā)了人們對(duì)可再生性能源日益強(qiáng)烈的需求。因此太陽能、風(fēng)能、水力和地?zé)崮艿葻o污染、永不枯竭的能源將越來越受到人們的重視。在歐美國家，以太陽能為首的可再生能源已經(jīng)得到了廣泛的使用。與中國的情況不同(由政府和大公司出面集中建設(shè)太陽能發(fā)電站)，歐美國家大力地發(fā)展家用型太陽能供電系統(tǒng)，在建筑物屋頂上建立小型的發(fā)電設(shè)施。他們所使用的單塊太陽能電池板的最大輸出功率一般在100～200瓦左右。通過連接逆變器可將太陽能電池板所產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能并將其并網(wǎng)輸送到市電網(wǎng)絡(luò)。這些電能既可供給自己家庭使用，也可以將多余的電量出售給電力公司。

微型逆變器具有體積小巧、可以靈活安裝在房頂或墻壁上、轉(zhuǎn)化效率高以及價(jià)格相對(duì)便宜等優(yōu)勢(shì)，非常適合家庭使用。國內(nèi)很多公司已經(jīng)開始了對(duì)微型逆變器的研發(fā)和生產(chǎn)，并形成了很大的出口規(guī)模。

太陽能電池板的輸出不同于一般直流供電設(shè)備的輸出，其輸出I-V特性曲線與光照、溫度等環(huán)境因素密切相關(guān)，工作點(diǎn)的電壓電流值在曲線上隨負(fù)載的變化而變化。為最大化太陽能電池板的輸出功率，逆變器往往還需要具有峰值功率追蹤功能，保證工作點(diǎn)始終處于I-V曲線上的最大功率點(diǎn)附近。對(duì)逆變器進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)與認(rèn)證的關(guān)鍵是要在不同的環(huán)境條件下(即不同的I-V曲線上) 測(cè)試驗(yàn)證逆變器的輸入輸出特性。

測(cè)試的主要內(nèi)容包括：開發(fā)和驗(yàn)證逆變器峰值功率跟蹤電路(MPPT)算法的性能;

測(cè)量和驗(yàn)證逆變器的效率;

驗(yàn)證逆變器在極高、極低輸入電壓條件下產(chǎn)生的電網(wǎng)電平輸出的穩(wěn)定性;

性能認(rèn)證測(cè)試： 確認(rèn)不同環(huán)境條件下的輸出性能;

性能加速壽命測(cè)試：僅用幾周時(shí)間來推算工作數(shù)年后的結(jié)果;

針對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證測(cè)試。

為達(dá)到這些測(cè)試目的，必須創(chuàng)造出一種可預(yù)期、可重復(fù)的太陽光照條件，并控制其環(huán)境溫度，以得到固定的I-V輸出曲線。自然界的光照和其他環(huán)境因素難于控制，因此直接使用太陽能電池板對(duì)逆變器的性能進(jìn)行測(cè)試是不可行的。

為了能夠精確仿真太陽能電池板在特定環(huán)境條件下的輸出(特別是對(duì)于小功率逆變器，仿真精度的要求往往更高)，很多廠家推出了專用的太陽能方陣模擬器，用于模擬各種環(huán)境下太陽能電池板的輸出特性，精確地復(fù)現(xiàn)出不同環(huán)境條件下的I-V輸出特性曲線。I-V曲線的數(shù)據(jù)多來自于用戶對(duì)太陽能電池板輸出的實(shí)際測(cè)量結(jié)果。為了簡化操作，目前國際上通用的曲線設(shè)置方式是：通過I-V曲線上的四個(gè)特征值，即Voc(開路電壓值)、Isc(短路電流值)、Vmp(最大功率點(diǎn)電壓值)、Imp(最大功率點(diǎn)電流值)來擬合得到完整的I-V曲線。所使用到的公式如下所示：

在上述公式的指導(dǎo)下，在太陽能方陣模擬器內(nèi)部可以精確的建立一條I-V曲線，用來仿真某一特定環(huán)境條件下太陽能電池板的輸出，如圖1所示。無論負(fù)載如何改變，太陽能方陣模擬器的工作點(diǎn)將始終位于這條曲線之上。

盡管使用四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就可以擬合出一條標(biāo)準(zhǔn)的I-V曲線。但在某些測(cè)試條件下，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)太陽能電池板輸出的I-V曲線并不是理想的單調(diào)曲線。由于電池板表面存在遮擋物，或是某些電池單元可能會(huì)損壞，這些都會(huì)造成輸出特性曲線發(fā)生畸變，曲線上將會(huì)出現(xiàn)多個(gè)隆起。對(duì)這種情況進(jìn)行仿真需要使用列表法，將I-V曲線離散成若干組電壓-電流點(diǎn)，將它們手動(dòng)輸入到方陣模擬器中。為得到較好的仿真精度，描述曲線的點(diǎn)越多越好，通常需要幾百甚至上千組電壓-電流點(diǎn)，才能得到較為理想的仿真效果。

在實(shí)際工作環(huán)境下，由于光線照度和入射角時(shí)刻發(fā)生著變化，另外還有來自于云層遮擋的影響，太陽能電池板的輸出I-V曲線也將不斷發(fā)生變化。為了測(cè)試動(dòng)態(tài)條件下太陽能逆變器的工作效果，需要事先保存多條I-V曲線，通過連續(xù)地對(duì)這些曲線進(jìn)行切換來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)光照變化的仿真。為取得良好的仿真效果，需要太陽能方陣模擬器具有足夠深度的存儲(chǔ)空間來存儲(chǔ)幾百條I-V曲線，并能及時(shí)快速地在曲線之間進(jìn)行切換，來模擬連續(xù)變化的工作環(huán)境。此外，通過對(duì)已有曲線增加不同的電壓或電流偏置，也可達(dá)到動(dòng)態(tài)改變I-V曲線的目的。

如果目標(biāo)是為了驗(yàn)證峰值功率追蹤電路的性能，開發(fā)出能在不同環(huán)境條件下始終工作在I-V曲線最大功率點(diǎn)上的太陽能逆變器，在電路的設(shè)計(jì)和開發(fā)中就必須考慮峰值功率跟蹤范圍和跟蹤頻率。峰值功率跟蹤范圍是I-V曲線最大峰值功率點(diǎn)附近的一段區(qū)間，這也是逆變器峰值功率跟蹤電路算法的工作區(qū)間，跟蹤頻率則是工作區(qū)間內(nèi)曲線的擺動(dòng)速率，如圖2所示。為確保逆變器在模塊I-V曲線變化時(shí)始終能夠找到最大峰值功率點(diǎn)，它必須具有足夠?qū)挼母櫡秶妥銐蚋叩母欘l率。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，需要根據(jù)精確復(fù)現(xiàn)太陽能電池板的I-V曲線來驗(yàn)證在不同曲線下逆變器能否穩(wěn)定地工作在峰值功率點(diǎn)附近。

高效率的逆變器，除了能夠盡可能多地從太陽能電池板中獲取電能外，還能夠?qū)⑤斎氲闹绷麟娔鼙M可能多地轉(zhuǎn)換為交流電能。在逆變器輸入端加上固定的直流電壓來研究其效率雖然能夠提供一些有意義的信息，但這并不能使設(shè)計(jì)人員完全了解到最大峰值功率跟蹤(MPPT)電路與DC-AC逆變器的配合效果。使用太陽能方陣模擬器對(duì)逆變器效率進(jìn)行測(cè)試將比使用普通直流電源對(duì)其進(jìn)行測(cè)試更為精確可靠。

安捷倫推出的E4360A模塊化太陽能仿真模擬器，是一款非常高效的微型太陽能逆變器測(cè)試工具。它提供了三種I-V曲線生成方式，可以靈活的產(chǎn)生出所需要的各種I-V曲線，并可以儲(chǔ)存多達(dá)512條曲線，以及動(dòng)態(tài)地模擬環(huán)境變化對(duì)太陽能電池板輸出的影響，從而測(cè)定逆變器的性能。用戶可用E4360A執(zhí)行加速壽命測(cè)試：為加快壽命測(cè)試，必須大大加快環(huán)境條件的變化速度，同時(shí)增加模塊輸出，這樣僅用短短幾周時(shí)間便可得到工作數(shù)年后的結(jié)果。利用E4360A，用戶通過生成模擬環(huán)境條件變化的I-V曲線，在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)一天中溫度和太陽輻射的變化對(duì)太陽能電池板輸出的影響進(jìn)行重復(fù)仿真，便可達(dá)到加速測(cè)試的目的。