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在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列作為將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，在系統(tǒng)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(shè)備對光伏陣列進(jìn)行合理的配置，從而優(yōu)化太陽能電站的設(shè)計(jì)，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(xiàn)場測試設(shè)備功能的不斷完善，其在未來的太陽能電站的設(shè)計(jì)和建設(shè)中將起到越來越重要的作用。

光伏陣列的發(fā)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(fā)電量的總和，但在實(shí)際中光伏陣列的發(fā)電量卻往往大大低于理論設(shè)計(jì)要求，這是由于太陽能發(fā)電所受的制約因數(shù)相當(dāng)多。就其內(nèi)部原因，包括單塊電池自身特性差異引起的聯(lián)接組合效率損失，單塊電池?fù)p壞、電池老化等等，而外界環(huán)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(guī)則等。就是對于同一塊光伏陣列來說，外界環(huán)境溫度、日照強(qiáng)度、風(fēng)速、運(yùn)行時間等外界條件的變化，也均會引起光伏系統(tǒng)的發(fā)電量、系統(tǒng)效率等的變化。這一系列不確定的影響因素會導(dǎo)致理論設(shè)計(jì)合理的光伏系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行時發(fā)電量與設(shè)計(jì)要求誤差較大。因而對于任何的光伏系統(tǒng)都只能在具體實(shí)踐中根據(jù)安裝的實(shí)際環(huán)境條件確定真正的發(fā)電量和系統(tǒng)效率。光伏陣列的現(xiàn)場測試結(jié)果是分析和評價(jià)光伏陣列發(fā)電效率的重要依據(jù)之一。

目前，在對光伏陣列特性的現(xiàn)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(chǎn)品系列推向市場，不過產(chǎn)品價(jià)格都比較高；國內(nèi)的研究相對比較晚，并且多數(shù)研究的重點(diǎn)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(fā)現(xiàn)國產(chǎn)的測量較大功率的光伏陣列特性的設(shè)備。合肥科威爾電源系統(tǒng)有限公司聯(lián)合合肥工業(yè)大學(xué)能源研究所共同研制的光伏陣列I-V特性曲線測試設(shè)備對光伏陣列特性現(xiàn)場測試的研究與加快我國光伏陣列特性現(xiàn)場測試設(shè)備的國產(chǎn)化的速度上，有一定的積極意義。

l 設(shè)計(jì)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(jù)不同的光伏陣列等級，整個數(shù)據(jù)采集的過程覆蓋電容充電的全過程，完整浮現(xiàn)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(shù)據(jù)的平滑處理能夠減少噪聲干擾的影響，因而數(shù)字濾波是必不可少的環(huán)節(jié)。

l 作為和用戶直接聯(lián)系的用戶界面設(shè)計(jì)，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(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，能夠?qū)y量中的異常情況進(jìn)行提示和報(bào)警處理。

l 建立基于短路電流、開路電壓、環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度等參數(shù)的光伏陣列的工程用數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)表達(dá)式對溫度、照度的影響進(jìn)行定量分析。

l 根據(jù)光伏陣列的工程用數(shù)學(xué)物理模型和溫度、照度與光伏陣列特性的關(guān)系式，確定適合計(jì)算機(jī)求解的預(yù)估算法。

l 根據(jù)測量光伏陣列中的測試參數(shù)，結(jié)合光伏陣列的物理數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)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(shè)計(jì)良好的數(shù)據(jù)接口，可以對采集的數(shù)據(jù)、陣列的特征參數(shù)、重要的預(yù)估數(shù)據(jù)等進(jìn)行存儲和管理。

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

本產(chǎn)品采用動態(tài)電容充電方式，動態(tài)電容充電現(xiàn)場測試方法是根據(jù)電容的特性，把電容當(dāng)成光伏陣列的可變負(fù)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(tài)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(guān)初始位置為斷開，在開始進(jìn)行陣列測量時，系統(tǒng)發(fā)出指令閉合開關(guān)K1，此時，電容開始充電，系統(tǒng)也同步開始測量。電容上的電壓Vc和充電電流Ic的關(guān)系也同時反映了陣列的當(dāng)前電壓和電流關(guān)系。充電開始時，在開關(guān)K1閉合的瞬間，充電回路的電流為陣列的短路電流Isc。當(dāng)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(tǒng)對電容的整個充電過程進(jìn)行全程電壓電流采樣，這些采樣點(diǎn)的組合就構(gòu)成了當(dāng)前環(huán)境條件下的陣列I-V特性曲線。由此可見，電容動態(tài)充電過程的測量，其電壓電流特性可以完整地表達(dá)太陽電池陣列的I-V特性曲線，并且測試速度很快。

動態(tài)電容充電現(xiàn)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(jié)果很直觀。

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

系統(tǒng)采用動態(tài)電容充電測試方法，用戶控制端采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作。用戶通過觸摸屏發(fā)送“測試”命令，系統(tǒng)開始工作，對電容的整個充電過程進(jìn)行全程電壓電流采樣，同時測量當(dāng)前環(huán)境條件下光伏陣列接收的日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度，這些采樣點(diǎn)的組合就構(gòu)成了當(dāng)前環(huán)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(guān)數(shù)據(jù)。另外，根據(jù)太陽電池陣列的數(shù)學(xué)物理模型，結(jié)合測量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)預(yù)估出任意規(guī)定環(huán)境條件下的陣列特性曲線，通過觸摸屏上的“預(yù)估”按鈕查看。用戶還可以通過觸摸屏上的按鍵存儲測試數(shù)據(jù)，并可以查看歷史記錄。

圖2

系統(tǒng)開機(jī)后，液晶屏顯示如上圖所示圖片，點(diǎn)擊Enter鍵，出現(xiàn)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(shù)設(shè)置界面為對系統(tǒng)進(jìn)行系數(shù)的修正。

（1）當(dāng)點(diǎn)擊測試界面時，出現(xiàn)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(dāng)點(diǎn)擊Test鍵時，進(jìn)入圖5界面。

圖5

2.        系統(tǒng)對光伏陣列進(jìn)行IV測定，經(jīng)過一段時間，測定結(jié)束并返回到圖4界面，IV曲線顯示在X-Y坐標(biāo)中。

3.        Save：當(dāng)點(diǎn)擊Save鍵時，保存當(dāng)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(dāng)測試結(jié)束時，界面X-Y坐標(biāo)中顯示IV曲線圖，此時點(diǎn)擊圖4中P-V鍵時，在X-Y坐標(biāo)中會同時顯示P-V曲線。

5.        預(yù)估：當(dāng)點(diǎn)擊預(yù)估鍵時，出現(xiàn)圖6所示圖片：

圖6

圖6所示為當(dāng)點(diǎn)擊圖4所示預(yù)估按鈕時出現(xiàn)的界面圖片，通過此界面的溫度和日照強(qiáng)度參數(shù)設(shè)置，溫度范圍為-50℃-70℃，日照強(qiáng)度為0-1000 W/M²可以預(yù)估出此范圍內(nèi)任意條件下溫度和日照強(qiáng)度時的光伏陣列的輸出IV及P-V曲線圖。

點(diǎn)擊Enter鍵時，出現(xiàn)圖4測試界面，對此條件下的參數(shù)進(jìn)行IV及P-V曲線的測試。

點(diǎn)擊Esc鍵，返回圖4所示界面。

6.        查看：當(dāng)點(diǎn)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(xiàn)順序?yàn)樽詈笠淮伪４鎴D片為最先顯示，然后依次往后累加顯示。

7.        Esc：當(dāng)點(diǎn)擊Esc鍵時，系統(tǒng)退出測試界面，返回圖3所示界面。

8.        特征參數(shù)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(dāng)點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)置界面時，出現(xiàn)下圖7所示圖片：

圖7

輸入密碼（2345），點(diǎn)擊Enter鍵，出現(xiàn)圖8所示界面。

點(diǎn)擊Esc鍵，退出參數(shù)設(shè)置，返回圖3界面。

圖8

圖8界面為對修正系數(shù)進(jìn)行設(shè)置，修正結(jié)束時，點(diǎn)擊Enter鍵，返回圖3界面。此時，可以對光伏陣列進(jìn)行IV及P-V曲線的測定。

當(dāng)采樣電阻的實(shí)際值與理論值出現(xiàn)偏差時，測得的電流與電壓等數(shù)據(jù)會有誤差，當(dāng)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(shù)來補(bǔ)償出現(xiàn)的誤差值。

實(shí)驗(yàn)中獲得的IV及P-V曲線圖：