在傳統(tǒng)工作模式電子負(fù)載的基礎(chǔ)上提出的一種戶外光伏組件測(cè)試平臺(tái)，以自動(dòng)切換工作模式的可編程電子負(fù)載為核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光伏組件IV特性曲線更加精確而完整地測(cè)量。它可根據(jù)用戶設(shè)定，使光伏組件在戶外環(huán)境下，長(zhǎng)期保持設(shè)定工作狀態(tài)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其輸出特性。大量存儲(chǔ)的IV特性曲線及環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，有助于分析光伏組件戶外實(shí)際工作性能。光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通過(guò)對(duì)比不同類型組件戶外特性，針對(duì)特定工作環(huán)境選擇適合的組件。平臺(tái)同時(shí)也為光伏組件生產(chǎn)商提供了評(píng)估產(chǎn)品的可靠依據(jù)。

1引言

隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)光伏市場(chǎng)的擴(kuò)大和分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展，電站設(shè)計(jì)人員對(duì)各類光伏組件產(chǎn)品性能也提出更高要求。目前，對(duì)于光伏組件的電氣性能測(cè)試主要依賴實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的太陽(yáng)光模擬器，檢測(cè)其輸出特性曲線，該方法便于控制輻照度及溫度等環(huán)境參數(shù)。但光伏組件實(shí)際工作于戶外復(fù)雜環(huán)境，其輸出功率易受到灰塵、沙礫、雨雪等因素影響，輸出特性也可能因建筑、樹(shù)蔭等周期性陰影改變，因此光伏組件實(shí)際輸出功率一般遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)理想環(huán)境下的輸出功率。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)光伏陣列的IV特性測(cè)量已提出了部分方法，主要是采用動(dòng)態(tài)電容充電方法，現(xiàn)場(chǎng)的同步測(cè)量光伏陣列IV特性。該方法測(cè)量速度較快，對(duì)控制器的采樣速率要求也較高。此外，也有基于可變電子負(fù)載的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法，它對(duì)光伏陣列IV特性曲線上最大功率點(diǎn)附近測(cè)量點(diǎn)較多，但對(duì)短路和開(kāi)路點(diǎn)附近測(cè)量點(diǎn)數(shù)量較少，當(dāng)光伏陣列處于輕微失配或遮蔽等工況下，該方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)此現(xiàn)象的精確測(cè)量。針對(duì)如何更細(xì)致的反應(yīng)光伏組件戶外輸出性能，提出了戶外光伏組件測(cè)試平臺(tái)，它使光伏組件長(zhǎng)期工作于戶外環(huán)境下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其輸出特性，并積累測(cè)量數(shù)據(jù)，以評(píng)估組件長(zhǎng)期工作于戶外環(huán)境下的輸出性能，使電站設(shè)計(jì)人員針對(duì)具體環(huán)境，選用更合理的光伏組件搭建光伏系統(tǒng)。也為組件生產(chǎn)商和科研實(shí)驗(yàn)工作提供了更好的保障與技術(shù)支持。

2戶外測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

2.1光伏組件戶外性能測(cè)試要求

光伏組件輸出特性主要受太陽(yáng)輻照度及環(huán)境溫度的影響。當(dāng)光伏組件工作于戶外特定環(huán)境時(shí)，需測(cè)量環(huán)境輻照度及組件溫度。傳統(tǒng)的IV特性曲線測(cè)量方法是使可編程電子負(fù)載工作于恒壓或者恒流工作模式，以固定步長(zhǎng)掃描，由于光伏組件IV特性曲線具有類似半導(dǎo)體二極管的對(duì)數(shù)曲線形狀，當(dāng)光伏組件工作于恒流段或恒壓段時(shí)，僅利用恒流或恒壓工作模式的電子負(fù)載測(cè)量將造成曲線相應(yīng)部分的測(cè)量點(diǎn)稀少。此外，為測(cè)試光伏組件戶外性能，還需根據(jù)用戶設(shè)定，保持被測(cè)光伏組件長(zhǎng)期工作于開(kāi)路、短路或最大功率等工作狀態(tài)，因此不可使用傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)電容充電或電子負(fù)載瞬時(shí)測(cè)量IV特性曲線的方法。

因此，提出了一種可自動(dòng)切換工作模式的可編程電子負(fù)載，對(duì)IV特性曲線上恒流段和恒壓段分別采用電子負(fù)載的恒壓和恒流控制方式，全面地測(cè)量IV特性曲線上256個(gè)工作點(diǎn)。光伏組件輸出能量，通過(guò)散熱片耗散。對(duì)IV特性曲線的快速掃描減少了戶外環(huán)境下輻照度突變對(duì)其輸出特性的影響。當(dāng)測(cè)量光伏組件電氣特性及環(huán)境參數(shù)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)并存儲(chǔ)。為避免上位機(jī)關(guān)機(jī)或網(wǎng)絡(luò)通信故障，還需將數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)于平臺(tái)內(nèi)，以保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

2.2光伏組件戶外性能測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

針對(duì)上述光伏組件戶外測(cè)試要求，建立了如圖1所示的框圖。利用DSP作為主控制器，通過(guò)DAC模塊控制電子負(fù)載等效阻值，使得光伏組件工作于相應(yīng)工作點(diǎn)，再由DSP自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)載電壓和電流采樣。選用了較高線性度的Pt100鉑熱電阻作為溫度傳感器，測(cè)量光伏組件背板溫度，同時(shí)利用硅電池片輻照度傳感器，與被測(cè)組件共面安裝，測(cè)量光伏組件吸收的輻照能量。此外，與上位機(jī)之間建立了無(wú)線局域網(wǎng)，它由測(cè)試平臺(tái)的以太網(wǎng)模塊，測(cè)試平臺(tái)路由器，上位機(jī)路由器和上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)端口組成，使上位機(jī)對(duì)測(cè)試平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控與接收數(shù)據(jù)。戶外測(cè)試平臺(tái)同時(shí)還具備了SD卡存儲(chǔ)模塊，以臨時(shí)存放近幾周的測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份。

圖1戶外光伏組件測(cè)試平臺(tái)

3可編程電子負(fù)載硬件設(shè)計(jì)

目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的光伏組件在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(STC)下的輸出最大功率約為200~300W，短路電流約8~9A,開(kāi)路電壓約30~40V，因此設(shè)計(jì)了額定負(fù)載300W的可自動(dòng)切換工作模式的可編程電子負(fù)載，并作為組件測(cè)試過(guò)程中的負(fù)載，將測(cè)試過(guò)程中組件輸出功率以熱能的形式持續(xù)耗散。可測(cè)量的電流和電壓范圍分別為0~10A和0~90V，滿足目前常見(jiàn)商業(yè)組件測(cè)量需求。

3.1恒流工作模式控制電路

典型的MOSFET有3個(gè)工作區(qū)，即截止區(qū)、線性區(qū)和飽和區(qū)。當(dāng)MOSFET工作于線性區(qū)時(shí)，通過(guò)控制其柵源極之間電壓VGS可實(shí)現(xiàn)對(duì)其流過(guò)電流Id的控制，最終控制其等效阻抗，從而對(duì)電源的輸出性能測(cè)試。其子控制電路如圖2所示，選用低溫漂采樣電阻采集電流信號(hào)，再將該電流信號(hào)差分放大接入運(yùn)放U1A反向輸入端，U1A將電流信號(hào)和同向輸入端的控制信號(hào)作比較運(yùn)算，控制MOSFET柵極電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET等效阻抗的控制。

圖2MOSFET子控制電路

由于單個(gè)MOSFET可耗散的功率有限，因此選用了8路MOSFET并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，對(duì)光伏組件的輸出電流分流，并將8個(gè)MOSFET均勻固定在散熱片上，避免單個(gè)MOSFET因功率過(guò)大而燒毀。對(duì)各個(gè)MOSFET分別采用上述的子控制電路，使得各MOSFET工作狀態(tài)大致相同，減小不同MOSFET工作溫度差。最后將8路差分放大的電流信號(hào)通過(guò)加法電路疊加成總電流信號(hào)，采用外圍反饋電路使總電流信號(hào)與DAC模塊給定的控制信號(hào)比較，同時(shí)將輸出信號(hào)接入各MOSFET控制電路中，形成外圍反饋控制。如圖3所示。

圖3恒流工作模式外圍反饋控制電路

3.2恒壓工作模式及模式切換

對(duì)于恒壓工作模式電路，其控制原理與恒流工作模式相同。將負(fù)載電壓差分處理后，與DAC模塊的控制信號(hào)做比較運(yùn)算，運(yùn)放輸出端接入各個(gè)MOSFET的控制電路，使其等效阻抗受控于DAC給定的電壓信號(hào)。

所提出的可自動(dòng)切換工作模式的可編程電子負(fù)載，在掃描光伏組件的IV特性曲線時(shí)，需對(duì)光伏組件輸出的恒流段和恒壓段分別采用恒壓和恒流工作模式掃描曲線。因此選用了模擬電子開(kāi)關(guān)對(duì)上述控制信號(hào)進(jìn)行切換。該模擬電子開(kāi)關(guān)直接由主控制器DSP控制，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程中工作模式自動(dòng)切換。

4測(cè)試流程制定

如前文所述，單次測(cè)量光伏組件IV特性曲線，需同時(shí)測(cè)量其工作條件下的太陽(yáng)輻照度，組件溫度及環(huán)境溫度。參照IEC60904-1中相關(guān)內(nèi)容，制定了光伏組件戶外測(cè)試流程，步驟如下：

1)同步測(cè)量環(huán)境中太陽(yáng)輻照度，組件溫度及環(huán)境氣溫，并記錄數(shù)據(jù);

2)測(cè)量光伏組件開(kāi)路電壓VOC及短路電流ISC,計(jì)算近似最大功率點(diǎn)處電壓Vapp=0.8VOC,計(jì)算恒壓模式下測(cè)量點(diǎn)數(shù)NCV;

3)計(jì)算電壓變化步長(zhǎng)ΔV=Vapp/NCV,設(shè)置可編程電子負(fù)載為恒壓工作模式，以步長(zhǎng)ΔV依次測(cè)量IV特性曲線上各點(diǎn);

4)當(dāng)NCV個(gè)點(diǎn)測(cè)量完成，此時(shí)光伏組件工作電壓為Vapp,測(cè)量相應(yīng)的工作電流Iapp,由Iapp計(jì)算恒流模式下測(cè)量點(diǎn)數(shù)NCC;

5)計(jì)算電流變化步長(zhǎng)ΔI=Iapp/NCC,設(shè)置可編程電子負(fù)載為恒流工作模式，以步長(zhǎng)ΔI從當(dāng)前工作點(diǎn)繼續(xù)掃描IV特性曲線，直至剩余點(diǎn)測(cè)量完成;

6)再次同步測(cè)量環(huán)境中太陽(yáng)輻照度、組件溫度及環(huán)境氣溫，確保在IV特性曲線測(cè)量期間，輻照度和溫度并未發(fā)生突變;

7)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算IV特性曲線上最大功率點(diǎn)，填充系數(shù)等特征參數(shù)，將所有數(shù)據(jù)打包，存儲(chǔ)于SD卡內(nèi)，本次IV特性曲線掃描結(jié)束。

當(dāng)1組數(shù)據(jù)測(cè)量完成，平臺(tái)可根據(jù)用戶設(shè)定，控制光伏組件工作于開(kāi)路、短路或最大功率等狀態(tài)，直到下1次測(cè)量開(kāi)始，可檢測(cè)光伏組件長(zhǎng)期處于特定狀態(tài)工作性能。

為避免環(huán)境輻照度或溫度變化對(duì)所測(cè)IV特性曲線的影響，使所測(cè)曲線更加光滑，能否快速的掃描IV特性曲線至關(guān)重要。在上述測(cè)量流程中，AD轉(zhuǎn)換器對(duì)光伏組件IV特性曲線上每個(gè)點(diǎn)同步測(cè)量時(shí)間約80μs，測(cè)量一組IV特性曲線數(shù)據(jù)需用時(shí)約22ms,一般而言，該測(cè)量時(shí)間內(nèi)幾乎不會(huì)出現(xiàn)環(huán)境輻照度或溫度突變的狀況。

在所測(cè)數(shù)據(jù)存入SD卡之后，DSP同時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)封裝為UDP包，通過(guò)以太網(wǎng)模塊，經(jīng)由測(cè)試平臺(tái)路由器，發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)在接收到每個(gè)UDP包后，都給予接收應(yīng)答。基于VB.NET編程技術(shù)，設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控程序，它與DSP通信，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，便于用戶對(duì)組件戶外長(zhǎng)期工作性能分析和評(píng)估。

5測(cè)試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證光伏組件戶外測(cè)試平臺(tái)性能，利用4塊億晶公司生產(chǎn)的EG50W組件，組成2×2陣列，代替目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的200W組件。于2013年3月19日進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，天氣為陰天，太陽(yáng)輻照度在200W/m2附近波動(dòng)，組件溫度約19℃，戶外測(cè)試平臺(tái)每隔5s對(duì)光伏組件進(jìn)行1次IV特性曲線掃描。為便于和傳統(tǒng)IV曲線掃描方法對(duì)照，依次控制本戶外測(cè)試平臺(tái)的可編程電子負(fù)載工作于傳統(tǒng)的恒流模式、恒壓模式和本文提出的可自動(dòng)切換工作模式下，采用3種方法分別對(duì)光伏組件的IV特性曲線掃描，所測(cè)曲線如圖4~6所示。

圖6可自動(dòng)切換工作模式電子負(fù)載所測(cè)曲線

從圖4可見(jiàn)，在IV特性曲線接近短路電流部分，由于組件工作電流變化較小，采用固定步長(zhǎng)的恒流工作模式電子負(fù)載難以將該段曲線完整掃描，出現(xiàn)了前文中所述的測(cè)量點(diǎn)稀少問(wèn)題。相應(yīng)地，圖5表明，采用恒壓工作模式電子負(fù)載掃描IV特性曲線，在接近開(kāi)路電壓處，同樣出現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)明顯減少的現(xiàn)象。若采用上文所提出的測(cè)試流程，通過(guò)自動(dòng)切換工作模式的可編程電子負(fù)載掃描IV特性曲線，可以更完整地測(cè)量整條曲線。如圖6所示，所測(cè)曲線上256個(gè)點(diǎn)排列緊密，數(shù)據(jù)無(wú)需平滑處理。同時(shí)，在其最大功率點(diǎn)附近，被測(cè)點(diǎn)分布更密集，保證了更精確地對(duì)光伏組件最大功率值測(cè)量。

6結(jié)論

所研制的戶外光伏組件測(cè)試平臺(tái)，其靈活的編程性，有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件戶外IV特性曲線精確而完整的測(cè)量，通過(guò)分析測(cè)量數(shù)據(jù)，可對(duì)光伏組件在特定環(huán)境中的性能予以評(píng)估。對(duì)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言，通過(guò)分析不同組件在特定戶外環(huán)境中的輸出能力，可更好地選擇適于該環(huán)境下工作的光伏組件，使光伏系統(tǒng)的輸出效能達(dá)到最優(yōu)。為光伏組件生產(chǎn)商也提供了產(chǎn)品測(cè)試依據(jù)。