光伏组件户外性能测试平台设计

        在传统工作模式电子负载的基础上提出的一种户外光伏组件测试平台，以自动切换工作模式的可编程电子负载为核心，实现了对光伏组件IV特性曲线更加精确而完整地测量。它可根据用户设定，使光伏组件在户外环境下，长期保持设定工作状态，并实时监测其输出特性。大量存储的IV特性曲线及环境参数数据，有助于分析光伏组件户外实际工作性能。光伏系统设计人员通过对比不同类型组件户外特性，针对特定工作环境选择适合的组件。平台同时也为光伏组件生产商提供了评估产品的可靠依据。
1 引言
随着近年来国内光伏市场的扩大和分布式光伏发电系统的发展，电站设计人员对各类光伏组件产品性能也提出更高要求。目前，对于光伏组件的电气性能测试主要依赖实验室内的太阳光模拟器，检测其输出特性曲线，该方法便于控制辐照度及温度等环境参数。但光伏组件实际工作于户外复杂环境，其输出功率易受到灰尘、沙砾、雨雪等因素影响，输出特性也可能因建筑、树荫等周期性阴影改变，因此光伏组件实际输出功率一般远低于实验室内理想环境下的输出功率。目前，国内外对光伏阵列的IV特性测量已提出了部分方法，主要是采用动态电容充电方法，现场的同步测量光伏阵列IV特性。该方法测量速度较快，对控制器的采样速率要求也较高。此外，也有基于可变电子负载的现场测量方法，它对光伏阵列IV特性曲线上最大功率点附近测量点较多，但对短路和开路点附近测量点数量较少，当光伏阵列处于轻微失配或遮蔽等工况下，该方法难以实现对此现象的精确测量。针对如何更细致的反应光伏组件户外输出性能，提出了户外光伏组件测试平台，它使光伏组件长期工作于户外环境下，实时监测其输出特性，并积累测量数据，以评估组件长期工作于户外环境下的输出性能，使电站设计人员针对具体环境，选用更合理的光伏组件搭建光伏系统。也为组件生产商和科研实验工作提供了更好的保障与技术支持。
2 户外测试平台设计方案
2.1 光伏组件户外性能测试要求
光伏组件输出特性主要受太阳辐照度及环境温度的影响。当光伏组件工作于户外特定环境时，需测量环境辐照度及组件温度。传统的IV特性曲线测量方法是使可编程电子负载工作于恒压或者恒流工作模式，以固定步长扫描，由于光伏组件IV 特性曲线具有类似半导体二极管的对数曲线形状，当光伏组件工作于恒流段或恒压段时，仅利用恒流或恒压工作模式的电子负载测量将造成曲线相应部分的测量点稀少。此外，为测试光伏组件户外性能，还需根据用户设定，保持被测光伏组件长期工作于开路、短路或最大功率等工作状态，因此不可使用传统的现场电容充电或电子负载瞬时测量IV特性曲线的方法。
因此，提出了一种可自动切换工作模式的可编程电子负载，对IV特性曲线上恒流段和恒压段分别采用电子负载的恒压和恒流控制方式，全面地测量IV特性曲线上256个工作点。光伏组件输出能量，通过散热片耗散。对IV特性曲线的快速扫描减少了户外环境下辐照度突变对其输出特性的影响。当测量光伏组件电气特性及环境参数后，将数据发送至上位机并存储。为避免上位机关机或网络通信故障，还需将数据临时存储于平台内，以保证数据的安全性和完整性。
2.2 光伏组件户外性能测试平台设计方案
针对上述光伏组件户外测试要求，建立了如图1所示的框图。利用DSP作为主控制器，通过DAC模块控制电子负载等效阻值，使得光伏组件工作于相应工作点，再由DSP自带的12位A/D转换器对负载电压和电流采样。选用了较高线性度的Pt100铂热电阻作为温度传感器，测量光伏组件背板温度，同时利用硅电池片辐照度传感器，与被测组件共面安装，测量光伏组件吸收的辐照能量。此外，与上位机之间建立了无线局域网，它由测试平台的以太网模块，测试平台路由器，上位机路由器和上位机网络端口组成，使上位机对测试平台远程监控与接收数据。户外测试平台同时还具备了SD卡存储模块，以临时存放近几周的测量数据，实现数据备份。


图1 户外光伏组件测试平台


       
3 可编程电子负载硬件设计
目前，市场上常见的光伏组件在标准测试条件(STC)下的输出最大功率约为200~300W，短路电流约8~9A，开路电压约30~40V，因此设计了额定负载300W 的可自动切换工作模式的可编程电子负载，并作为组件测试过程中的负载，将测试过程中组件输出功率以热能的形式持续耗散。可测量的电流和电压范围分别为0~10A和0~90V，满足目前常见商业组件测量需求。
3.1 恒流工作模式控制电路
典型的MOSFET有3个工作区，即截止区、线性区和饱和区。当MOSFET工作于线性区时，通过控制其栅源极之间电压VGS可实现对其流过电流Id的控制，最终控制其等效阻抗，从而对电源的输出性能测试。其子控制电路如图2所示，选用低温漂采样电阻采集电流信号，再将该电流信号差分放大接入运放U1A 反向输入端，U1A将电流信号和同向输入端的控制信号作比较运算，控制MOSFET栅极电压，实现对MOSFET等效阻抗的控制。


图2 MOSFET子控制电路

由于单个MOSFET可耗散的功率有限，因此选用了8路MOSFET并联的结构，对光伏组件的输出电流分流，并将8个MOSFET均匀固定在散热片上，避免单个MOSFET因功率过大而烧毁。对各个MOSFET分别采用上述的子控制电路，使得各MOSFET 工作状态大致相同，减小不同MOSFET工作温度差。最后将8路差分放大的电流信号通过加法电路叠加成总电流信号，采用外围反馈电路使总电流信号与DAC模块给定的控制信号比较，同时将输出信号接入各MOSFET控制电路中，形成外围反馈控制。如图3 所示。


图3 恒流工作模式外围反馈控制电路

3.2 恒压工作模式及模式切换
对于恒压工作模式电路，其控制原理与恒流工作模式相同。将负载电压差分处理后，与DAC模块的控制信号做比较运算，运放输出端接入各个MOSFET的控制电路，使其等效阻抗受控于DAC给定的电压信号。
所提出的可自动切换工作模式的可编程电子负载，在扫描光伏组件的IV特性曲线时，需对光伏组件输出的恒流段和恒压段分别采用恒压和恒流工作模式扫描曲线。因此选用了模拟电子开关对上述控制信号进行切换。该模拟电子开关直接由主控制器DSP控制，实现测量过程中工作模式自动切换。


       
4 测试流程制定
如前文所述，单次测量光伏组件IV特性曲线，需同时测量其工作条件下的太阳辐照度，组件温度及环境温度。参照IEC 60904-1中相关内容，制定了光伏组件户外测试流程，步骤如下:
1)同步测量环境中太阳辐照度，组件温度及环境气温，并记录数据;
2)测量光伏组件开路电压VOC及短路电流ISC，计算近似最大功率点处电压Vapp =0.8VOC，计算恒压模式下测量点数NCV;
3)计算电压变化步长ΔV =Vapp/NCV，设置可编程电子负载为恒压工作模式，以步长ΔV 依次测量IV特性曲线上各点;
4)当NCV个点测量完成，此时光伏组件工作电压为Vapp ，测量相应的工作电流Iapp ，由Iapp 计算恒流模式下测量点数NCC;
5)计算电流变化步长ΔI=Iapp/NCC，设置可编程电子负载为恒流工作模式，以步长ΔI 从当前工作点继续扫描IV特性曲线，直至剩余点测量完成;
6)再次同步测量环境中太阳辐照度、组件温度及环境气温，确保在IV特性曲线测量期间，辐照度和温度并未发生突变;
7)根据测量数据，计算IV特性曲线上最大功率点，填充系数等特征参数，将所有数据打包，存储于SD卡内，本次IV特性曲线扫描结束。
当1组数据测量完成，平台可根据用户设定，控制光伏组件工作于开路、短路或最大功率等状态，直到下1次测量开始，可检测光伏组件长期处于特定状态工作性能。
为避免环境辐照度或温度变化对所测IV特性曲线的影响，使所测曲线更加光滑，能否快速的扫描IV特性曲线至关重要。在上述测量流程中，AD转换器对光伏组件IV特性曲线上每个点同步测量时间约80μs，测量一组IV特性曲线数据需用时约22ms，一般而言，该测量时间内几乎不会出现环境辐照度或温度突变的状况。
在所测数据存入SD卡之后，DSP同时将测量数据封装为UDP包，通过以太网模块，经由测试平台路由器，发送至上位机，上位机在接收到每个UDP包后，都给予接收应答。基于VB.NET编程技术，设计了上位机监控程序，它与DSP通信，并将数据存储于SQLServer数据库内，便于用户对组件户外长期工作性能分析和评估。
5 测试结果与分析
为验证光伏组件户外测试平台性能，利用4块亿晶公司生产的EG50W 组件，组成2×2阵列，代替目前市场上常见的200W 组件。于2013年3月19日进行了实验，天气为阴天，太阳辐照度在200W/m2 附近波动，组件温度约19℃，户外测试平台每隔5s对光伏组件进行1次IV特性曲线扫描。为便于和传统IV 曲线扫描方法对照，依次控制本户外测试平台的可编程电子负载工作于传统的恒流模式、恒压模式和本文提出的可自动切换工作模式下，采用3种方法分别对光伏组件的IV 特性曲线扫描，所测曲线如图4~6所示。




图6　可自动切换工作模式电子负载所测曲线

从图4可见，在IV特性曲线接近短路电流部分，由于组件工作电流变化较小，采用固定步长的恒流工作模式电子负载难以将该段曲线完整扫描，出现了前文中所述的测量点稀少问题。相应地，图5表明，采用恒压工作模式电子负载扫描IV特性曲线，在接近开路电压处，同样出现测量点明显减少的现象。若采用上文所提出的测试流程，通过自动切换工作模式的可编程电子负载扫描IV 特性曲线，可以更完整地测量整条曲线。如图6所示，所测曲线上256个点排列紧密，数据无需平滑处理。同时，在其最大功率点附近，被测点分布更密集，保证了更精确地对光伏组件最大功率值测量。
6 结论
所研制的户外光伏组件测试平台，其灵活的编程性，有效地实现对光伏组件户外IV特性曲线精确而完整的测量，通过分析测量数据，可对光伏组件在特定环境中的性能予以评估。对光伏系统设计人员而言，通过分析不同组件在特定户外环境中的输出能力，可更好地选择适于该环境下工作的光伏组件，使光伏系统的输出效能达到最优。为光伏组件生产商也提供了产品测试依据。