中小功率光伏阵列I-V特性测试技术研究

摘要：这里采用一种基于动态电容充电方法，结合高速A／D采样和数据处理，实现对光伏阵列的现场I-V特性测试。该方法具有安全性高、体积小、成本低、精度高等特点，并可用于更大功率的光伏阵列现场测试。详细介绍了系统的结构原理和测试方法，并进行了样机研制和现场测试，实验结果表明该方法满足工程应用需求。
关键词：光伏阵列；特性测试；动态充电电容

1 引言
    太阳能电池阵列是将太阳能转换成电能的装置，是光伏系统的重要组成部分，它决定了光伏系统的发电量。因此合理配置太阳能电池阵列，提高太阳能电池阵列的转换效率一直是光伏系统设计的重点。光伏阵列I-V特性曲线测试仪可实现对光伏电站现场的光伏阵列进行I-V特性曲线测试，并可根据当前辐射强度和太阳电池结温，进行I-V特性曲线的预估，显示现场光伏阵列的I-V，P-V等特性曲线、标示最大功率点等，其所提供的数据可实际评估光伏电站的发电功率设计和可能的实际发电量，是光伏电站系统设计和施工建设的必备测量仪器。

2 光伏阵列的数学模型及伏安特性
    光伏阵列数学物理模型是研究光伏阵列系统的理论基础，也是评价光伏阵列性能的重要依据。通过研究光伏阵列数学物理模型，可利用现场测试得来的阵列数学模型推导出不同温度、光照强度下的阵列数学模型。估算出任意温度、光照强度下I-V特性曲线。光伏电池等效电路如图1所示。

    由图1可知其数学模型为：
   
    式中：I，U分别为输出电流和电压；Iph为光生电流；T为电池内部温度；Io为二极管饱和电流；Rs，Rsh分别为内部等效串联和并联电阻；q为电子电荷量；A为二极管系数；k为波尔兹曼常数，k=1．380 58x10-23J。
    对式(1)进行推导并简化，得到工程上常用的光伏电池输出特性表达式：
   
    根据式(2)可知，仅需输入光伏电池常用的特征参数Uoc，Isc，Um，Im，就可根据式(2)得出C1，C2的数值，将C1，C2代入式(2)中第1式便可得光伏电池的特性曲线表达式。

3 测试原理及实现
    光伏阵列的I-V特性曲线主要反映其输出电流与电压之间的关系，以及输出能力和非线性特征，如要测试其关系曲线，必须实现输出电流和电压全功率范围的变化并予以合理的数据采集和处理，即可实现该阵列的特性曲线测试。
3．1 测试原理及构成
    图2示出基于动态电容充电的光伏阵列特性曲线测试仪结构。主要包括主电路、控制最小系统、外部采样电路、驱动隔离电路、保护电路等。主要技术包括设计合适的充电电容以及在充电过程中对光伏阵列输出电压、电流进行高速、高精度的采集。

    基于动态电容充电的光伏阵列特性测试方法使用电容作为光伏阵列的负载，电容刚开始充电时，电容两端电压为零，光伏阵列相当于短路；当电容充电结束后，电容两端电压为光伏阵列的开路电压，相当于光伏阵列开路。整个测试过程为：由控制电路发出控制信号使K1闭合，光伏阵列开始对电容C充电，电容电压从零变化到开路电压，光伏阵列的工作点就会由短路电流处逐渐变化到开路电压处，在此过程中进行光伏阵列输出电压和电流的采样，从而得到光伏阵列在每个工作点的电压和电流，由这些采样点的组合就构成了当前环境条件下光伏阵列的I-V特性曲线。采样结束后，断开K1，闭合K2，对C进行放电，使电容保持零初始状态。
3．2 充电电容的设计
    电容值大小直接决定了充电时间的长短，从而决定了采样的速率和系统的体积。电容越大，充电时间越长，有利于数据采样，但系统体积增加；选择较小的电容值，能够减小系统体积，但电容充电时问缩短，在采样周期不变的情况下，采样数据点数就会减少，从而由这些点绘制的I-V特性曲线的准确度就会降低。

    图3为电容充电曲线示意图，由图可见电容充电时间介于以曲线(1)和曲线(2)充电方式充电时间之间。
    若以曲线(1)的方式给电容充电，整个充电过程电流始终为短路电流Isc。由电容特性可知电容两端电压u(t)与流过电容的电流i(t)的关系为：

    由以上分析和实际试验经验可知，电容实际充电时间约为由公式t=CUoc／Isc计算的值的3倍。系统中电压测试范围为0～1kV(Umax=1kV)，电流测试范围为0～20 A(Imax=20 A)。在整个充电过程中采样200个点，所选择的A／D采样芯片两次数据转换之间的时间间隔为2μs，故转换时间应不低于400μs，再加上要对转换结果进行判断，考虑一定的安全裕量，采样时间应不低于10ms。
    为保证小电压大电流(Uoc1=Umax×3％=30 V，Isc1=Imax=20A)也能保证足够的采样时间，采样时间应满足：

    根据公式(6)和(7)，选择充电电容为2 mF。
3．3 放电电阻设计
    为了保证不影响下一次充电测量的准确性，需要在每次电容充电完成后通过放电电阻R对电容放电。R越小，放电时间越快，但R上承受的功率越大；R越大，放电时间越长，不利于系统工作快速性的要求。综合实际情况，取放电时间为10s。电容电压U与t关系为：U=Uocexp[-t／(RC)]，当t=5RC时，认为电容两端电压接近零。t=10s，C=2mF，解得R=1kΩ。
3．4 电压、电流采样
    对应不同的开路电压和短路电流，由公式知充电时间也随之而变化，选择合适的电容可以保证系统在不同的开路电压和短路电流情况下都有足够的采样时间。所设计的中小功率光伏阵列I-V曲线测试仪可测试的最大开路电压为1 kV，短路电流为20 A。电压变化范围较大，若电压采样通道仅有一个，在所测试的光伏阵列开路电压较小时，电压采样信号较小，在采样电路中存在噪声的情况下信噪比较大，这将对测试结果造成很大的误差。在如今充满电磁干扰以及电路本身存在噪声情况下，通过合理的PCB布局以及抗干扰技术可减少采样电路的噪声，但若在硬件上提高信噪比，将会大大增大系统的采样精度。测试仪采样电路如图4所示，电压有4个采样通道，通过ARM控制继电器触点S2～S5的开通与关断选择合适的电压采样通道。系统开机时电压采样通道选择最大的采样通道，即S2闭合，其他的继电器触点断开，此时预采样开路电压，然后根据预采样的电压值算出实际开路电压。若算得的开路电压600 V<Uoc≤1 kV，则S2闭合，S3～S5断开；若300 V<Uoc≤600 V，则S3闭合，S2，S4，S5断开，若100 V<Uoc≤300 V，则S4闭合，S2，S3，S5断开；若0<Uoc≤100 V，则S5闭合，S2～S4断开。

    选择好合适的电压采样通道后，闭合S1，开启电容C充电回路，在电容充电的过程中采样电容两端的电压和流过电容的电流，再对这些点进行滤波处理就能绘制出光伏阵列I-V曲线了。

4 数据处理
    因为测试仪采样得到的I-V数据是客观的，存在不可避免的误差。如何根据实测的I-V数据绘制I-V曲线并准确计算太阳能电池特性参数是后期数据处理需要解决的主要问题。虽然硬件上在A／D采样信号入口处设计了RC滤波器，但是干扰因数复杂，还需在软件上采用数字滤波方法对曲线进行进一步的平滑处理。此处采用最小二乘法对数据进行滤波。

5 实验与结果
    基于上述设计方案，这里选用基于ARM7TDMI内核的LPC2214作为控制芯片，成功研制了一台中小功率光伏阵列特性曲线测试仪样机，主要技术指标为：电压0～1 kV；电流0～20 A；环境温度-40～80℃；日照强度0～2 500 W／m2。基于该样机成功对光伏阵列进行了测试实验。所测光伏阵列的I-V曲线波形如图5所示。

     经测试所得到的特征参数为Uoc=448．09 V，Isc=4．08 A，最大功率点对应的电压Um=352．48 V，最大功率点对应的电流Im=3．41A，最大功率点功率Pm=1204W。

6 结论
    这里采用了一种动态电容充电方式的光伏阵列特性测试技术，详细分析了其工作原理、实现及其控制等。利用研制的样机进行了光伏阵列特性的现场测试，结果表明测试仪完全满足一般的工程要求，该方法具有一定的实用价值。