北京中盛利合科技有限公司

在太陽能光伏發電系統中，光伏陣列作為將太陽能轉換成電能的裝置，在系統中無論從成本上還是功能上都占有重要地位。因此就需要光伏陣列I-V曲線測試設備對光伏陣列進行合理的配置，從而優化太陽能電站的設計，提高光伏陣列的利用效率。相信隨著光伏陣列特性I-V曲線現場測試設備功能的不斷完善，其在未來的太陽能電站的設計和建設中將起到越來越重要的作用。

光伏陣列的發電量從理論上來說是組成陣列的所有單塊太陽電池組件發電量的總和，但在實際中光伏陣列的發電量卻往往大大低于理論設計要求，這是由于太陽能發電所受的制約因數相當多。就其內部原因，包括單塊電池自身特性差異引起的聯接組合效率損失，單塊電池損壞、電池老化等等，而外界環境因素則包括陣列的電池的安裝、電池板的潔凈程度、組合規則等。就是對于同一塊光伏陣列來說，外界環境溫度、日照強度、風速、運行時間等外界條件的變化，也均會引起光伏系統的發電量、系統效率等的變化。這一系列不確定的影響因素會導致理論設計合理的光伏系統，在實際運行時發電量與設計要求誤差較大。因而對于任何的光伏系統都只能在具體實踐中根據安裝的實際環境條件確定真正的發電量和系統效率。光伏陣列的現場測試結果是分析和評價光伏陣列發電效率的重要依據之一。

目前，在對光伏陣列特性的現場測試方面，國外研究的比較深入，尤其是美國和日本已有成熟的產品系列推向市場，不過產品價格都比較高；國內的研究相對比較晚，并且多數研究的重點在太陽電池單體或組件的特性測量方面，目前市場上還沒發現國產的測量較大功率的光伏陣列特性的設備。合肥科威爾電源系統有限公司聯合合肥工業大學能源研究所共同研制的光伏陣列I-V特性曲線測試設備對光伏陣列特性現場測試的研究與加快我國光伏陣列特性現場測試設備的國產化的速度上，有一定的積極意義。

l 設計針對不同電壓、電流等級，滿足大范圍電壓、電流等級的光伏陣列測量。

l 根據不同的光伏陣列等級，整個數據采集的過程覆蓋電容充電的全過程，完整浮現1-V特性曲線。

l 在測量過程中，可能會遇到各種千擾，對于數據的平滑處理能夠減少噪聲干擾的影響，因而數字濾波是必不可少的環節。

l 作為和用戶直接聯系的用戶界面設計，顯示界面必須簡潔、方便，并能夠以圖形方式顯示I-V 特性曲線，能夠直觀掌握測試系統的運行狀態，能夠對測量中的異常情況進行提示和報警處理。

l 建立基于短路電流、開路電壓、環境溫度和日照強度等參數的光伏陣列的工程用數學物理模型。

l 確定溫度、照度的變化對光伏陣列特性的影響，通過數學表達式對溫度、照度的影響進行定量分析。

l 根據光伏陣列的工程用數學物理模型和溫度、照度與光伏陣列特性的關系式，確定適合計算機求解的預估算法。

l 根據測量光伏陣列中的測試參數，結合光伏陣列的物理數學模型，推導在任意溫度和照度條件下的特性曲線，并以適合的形式顯示。

l 設計良好的數據接口，可以對采集的數據、陣列的特征參數、重要的預估數據等進行存儲和管理。

l 測控軟件具有良好的用戶界面，方便進行各種操作，可以在多組預估曲線中選擇任意一組:對于不需要的曲線可以刪除。

本產品采用動態電容充電方式，動態電容充電現場測試方法是根據電容的特性，把電容當成光伏陣列的可變負載，通過光伏陣列給電容充電整個過程的電流和電壓采樣，來測試光伏陣列的伏安特性曲線。

電容動態充電測量光伏陣列特性的基本原理如圖所示，測試電路接于光伏陣列的輸出端，由太陽電池陣列的I-V特性曲線可知，太陽電池陣列電壓的變化范圍為0至Voc，電流的變化范圍為Isc至0。Voc是指陣列的開路電壓，Isc是指陣列的短路電流。電容的起始電壓為0，功率開關初始位置為斷開，在開始進行陣列測量時，系統發出指令閉合開關K1，此時，電容開始充電，系統也同步開始測量。電容上的電壓Vc和充電電流Ic的關系也同時反映了陣列的當前電壓和電流關系。充電開始時，在開關K1閉合的瞬間，充電回路的電流為陣列的短路電流Isc。當電容的充電電流Ic最終為零時，此時電容電壓Vc等于陣列的開路電壓Voc。系統對電容的整個充電過程進行全程電壓電流采樣，這些采樣點的組合就構成了當前環境條件下的陣列I-V特性曲線。由此可見，電容動態充電過程的測量，其電壓電流特性可以完整地表達太陽電池陣列的I-V特性曲線，并且測試速度很快。

動態電容充電現場測試方法測試速度快，精度高，光伏陣列的特性可以直接以曲線的形式顯示出來，測試結果很直觀。

整機測試控制部分的硬件電路主要包括：電容充放電主電路、驅動電路、采樣電路、LPC2214控制電路、通訊模塊及保護電路等。

系統采用動態電容充電測試方法，用戶控制端采用觸摸屏實現人機交互操作。用戶通過觸摸屏發送“測試”命令，系統開始工作，對電容的整個充電過程進行全程電壓電流采樣，同時測量當前環境條件下光伏陣列接收的日照強度和環境溫度，這些采樣點的組合就構成了當前環境條件下的陣列I-V特性曲線，用戶使用觸摸屏上的“I-V”、“P-V”按鈕觀察特性曲線及相關數據。另外，根據太陽電池陣列的數學物理模型，結合測量數據，系統預估出任意規定環境條件下的陣列特性曲線，通過觸摸屏上的“預估”按鈕查看。用戶還可以通過觸摸屏上的按鍵存儲測試數據，并可以查看歷史記錄。

圖2

系統開機后，液晶屏顯示如上圖所示圖片，點擊Enter鍵，出現如下圖所示圖片。

圖3

此界面有兩個選擇功能，其中測試界面為直接測量光伏陣列的IV曲線，而參數設置界面為對系統進行系數的修正。

（1）當點擊測試界面時，出現如下圖所示圖片：

圖4

此界面為IV曲線的顯示界面，界面中有很多按鈕，他們功能如下：

1.        Test：當點擊Test鍵時，進入圖5界面。

圖5

2.        系統對光伏陣列進行IV測定，經過一段時間，測定結束并返回到圖4界面，IV曲線顯示在X-Y坐標中。

3.        Save：當點擊Save鍵時，保存當前頁面的圖片，供以后需要時查詢，圖片保存最多為10張，超過10張時，原來保存圖片會被覆蓋。

4.        P-V：當測試結束時，界面X-Y坐標中顯示IV曲線圖，此時點擊圖4中P-V鍵時，在X-Y坐標中會同時顯示P-V曲線。

5.        預估：當點擊預估鍵時，出現圖6所示圖片：

圖6

圖6所示為當點擊圖4所示預估按鈕時出現的界面圖片，通過此界面的溫度和日照強度參數設置，溫度范圍為-50℃-70℃，日照強度為0-1000 W/M²可以預估出此范圍內任意條件下溫度和日照強度時的光伏陣列的輸出IV及P-V曲線圖。

點擊Enter鍵時，出現圖4測試界面，對此條件下的參數進行IV及P-V曲線的測試。

點擊Esc鍵，返回圖4所示界面。

6.        查看：當點擊查看鍵時，可以查詢到以前保存的IV及P-V曲線，圖片出現順序為最后一次保存圖片為最先顯示，然后依次往后累加顯示。

7.        Esc：當點擊Esc鍵時，系統退出測試界面，返回圖3所示界面。

8.        特征參數中，Voc，Isc分別代表光伏陣列的開路電壓和短路電流，Vm，Im，Pm代表在最大功率Pm處的電壓Vm和電流Im值。

（2）當點擊參數設置界面時，出現下圖7所示圖片：

圖7

輸入密碼（2345），點擊Enter鍵，出現圖8所示界面。

點擊Esc鍵，退出參數設置，返回圖3界面。

圖8

圖8界面為對修正系數進行設置，修正結束時，點擊Enter鍵，返回圖3界面。此時，可以對光伏陣列進行IV及P-V曲線的測定。

當采樣電阻的實際值與理論值出現偏差時，測得的電流與電壓等數據會有誤差，當通過比較測量值，得出電壓電流等誤差值，然后通過修正系數來補償出現的誤差值。

實驗中獲得的IV及P-V曲線圖：