光伏組件戶外性能測試平臺設(shè)計(jì)

　　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試平臺，以自動切換工作模式的可編程電子負(fù)載為核心，實(shí)現(xiàn)了對光伏組件IV特性曲線更加精確而完整地測量。它可根據(jù)用戶設(shè)定，使光伏組件在戶外環(huán)境下，長期保持設(shè)定工作狀態(tài)，并實(shí)時監(jiān)測其輸出特性。大量存儲的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)人員通過對比不同類型組件戶外特性，針對特定工作環(huán)境選擇適合的組件。平臺同時也為光伏組件生產(chǎn)商提供了評估產(chǎn)品的可靠依據(jù)。

　　1 引言

　　隨著近年來國內(nèi)光伏市場的擴(kuò)大和分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展，電站設(shè)計(jì)人員對各類光伏組件產(chǎn)品性能也提出更高要求。目前，對于光伏組件的電氣性能測試主要依賴實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的太陽光模擬器，檢測其輸出特性曲線，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，國內(nèi)外對光伏陣列的IV特性測量已提出了部分方法，主要是采用動態(tài)電容充電方法，現(xiàn)場的同步測量光伏陣列IV特性。該方法測量速度較快，對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)場測量方法，它對光伏陣列IV特性曲線上最大功率點(diǎn)附近測量點(diǎn)較多，但對短路和開路點(diǎn)附近測量點(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)對此現(xiàn)象的精確測量。針對如何更細(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試平臺，它使光伏組件長期工作于戶外環(huán)境下，實(shí)時監(jiān)測其輸出特性，并積累測量數(shù)據(jù)，以評估組件長期工作于戶外環(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 戶外測試平臺設(shè)計(jì)方案

　　2.1 光伏組件戶外性能測試要求

　　光伏組件輸出特性主要受太陽輻照度及環(huán)境溫度的影響。當(dāng)光伏組件工作于戶外特定環(huán)境時，需測量環(huán)境輻照度及組件溫度。傳統(tǒng)的IV特性曲線測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)體二極管的對數(shù)曲線形狀，當(dāng)光伏組件工作于恒流段或恒壓段時，僅利用恒流或恒壓工作模式的電子負(fù)載測量將造成曲線相應(yīng)部分的測量點(diǎn)稀少。此外，為測試光伏組件戶外性能，還需根據(jù)用戶設(shè)定，保持被測光伏組件長期工作于開路、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)場電容充電或電子負(fù)載瞬時測量IV特性曲線的方法。

　　因此，提出了一種可自動切換工作模式的可編程電子負(fù)載，對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，全面地測量IV特性曲線上256個工作點(diǎn)。光伏組件輸出能量，通過散熱片耗散。對IV特性曲線的快速掃描減少了戶外環(huán)境下輻照度突變對其輸出特性的影響。當(dāng)測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。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)臨時存儲于平臺內(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試平臺設(shè)計(jì)方案

　　針對上述光伏組件戶外測試要求，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，測量光伏組件背板溫度，同時利用硅電池片輻照度傳感器，與被測組件共面安裝，測量光伏組件吸收的輻照能量。此外，與上位機(jī)之間建立了無線局域網(wǎng)，它由測試平臺的以太網(wǎng)模塊，測試平臺路由器，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)對測試平臺遠(yuǎn)程監(jiān)控與接收數(shù)據(jù)。戶外測試平臺同時還具備了SD卡存儲模塊，以臨時存放近幾周的測量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份。

　　圖1 戶外光伏組件測試平臺

　　3 可編程電子負(fù)載硬件設(shè)計(jì)

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

　　3.1 恒流工作模式控制電路

　　典型的MOSFET有3個工作區(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，通過控制其柵源極之間電壓VGS可實(shí)現(xiàn)對其流過電流Id的控制，最終控制其等效阻抗，從而對電源的輸出性能測試。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，再將該電流信號差分放大接入運(yùn)放U1A 反向輸入端，U1A將電流信號和同向輸入端的控制信號作比較運(yùn)算，控制MOSFET柵極電壓，實(shí)現(xiàn)對MOSFET等效阻抗的控制。

　　圖2 MOSFET子控制電路

　　由于單個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)，對光伏組件的輸出電流分流，并將8個MOSFET均勻固定在散熱片上，避免單個MOSFET因功率過大而燒毀。對各個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通過加法電路疊加成總電流信號，采用外圍反饋電路使總電流信號與DAC模塊給定的控制信號比較，同時將輸出信號接入各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模塊的控制信號做比較運(yùn)算，運(yùn)放輸出端接入各個MOSFET的控制電路，使其等效阻抗受控于DAC給定的電壓信號。

　　所提出的可自動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，需對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關(guān)對上述控制信號進(jìn)行切換。該模擬電子開關(guān)直接由主控制器DSP控制，實(shí)現(xiàn)測量過程中工作模式自動切換。

　　4 測試流程制定

　　如前文所述，單次測量光伏組件IV特性曲線，需同時測量其工作條件下的太陽輻照度，組件溫度及環(huán)境溫度。參照IEC 60904-1中相關(guān)內(nèi)容，制定了光伏組件戶外測試流程，步驟如下：

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

　　2)測量光伏組件開路電壓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)算恒壓模式下測量點(diǎn)數(shù)NCV;

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

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

　　5)計(jì)算電流變化步長ΔI=Iapp/NCC,設(shè)置可編程電子負(fù)載為恒流工作模式，以步長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)測量完成;

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

　　7)根據(jù)測量數(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)測量完成，平臺可根據(jù)用戶設(shè)定，控制光伏組件工作于開路、短路或最大功率等狀態(tài)，直到下1次測量開始，可檢測光伏組件長期處于特定狀態(tài)工作性能。

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

　　在所測數(shù)據(jù)存入SD卡之后，DSP同時將測量數(shù)據(jù)封裝為UDP包，通過以太網(wǎng)模塊，經(jīng)由測試平臺路由器，發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)在接收到每個UDP包后，都給予接收應(yīng)答?；赩B.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)存儲于SQLServer數(shù)據(jù)庫內(nèi)，便于用戶對組件戶外長期工作性能分析和評估。

　　5 測試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證光伏組件戶外測試平臺性能，利用4塊億晶公司生產(chǎn)的EG50W 組件，組成2×2陣列，代替目前市場上常見的200W 組件。于2013年3月19日進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，天氣為陰天，太陽輻照度在200W/m2 附近波動，組件溫度約19℃，戶外測試平臺每隔5s對光伏組件進(jìn)行1次IV特性曲線掃描。為便于和傳統(tǒng)IV 曲線掃描方法對照，依次控制本戶外測試平臺的可編程電子負(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切換工作模式