|
在傳統工作模式電子負載的基礎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載為核心，實現了對光伏組件IV特性曲線更加精確而完整地測量。它可根據用戶設定，使光伏組件在戶外環境下，長期保持設定工作狀態，并實時監測其輸出特性。大量存儲的IV特性曲線及環境參數數據，有助于分析光伏組件戶外實際工作性能。光伏系統設計人員通過對比不同類型組件戶外特性，針對特定工作環境選擇適合的組件。平臺同時也為光伏組件生產商提供了評估產品的可靠依據。 1 引言 隨著近年來國內光伏市場的擴大和分布式光伏發電系統的發展，電站設計人員對各類光伏組件產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驗室內的太陽光模擬器，檢測其輸出特性曲線，該方法便于控制輻照度及溫度等環境參數。但光伏組件實際工作于戶外復雜環境，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，因此光伏組件實際輸出功率一般遠低于實驗室內理想環境下的輸出功率。目前，國內外對光伏陣列的IV特性測量已提出了部分方法，主要是采用動態電容充電方法，現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載的現場測量方法，它對光伏陣列IV特性曲線上最大功率點附近測量點較多，但對短路和開路點附近測量點數量較少，當光伏陣列處于輕微失配或遮蔽等工況下，該方法難以實現對此現象的精確測量。針對如何更細致的反應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境下，實時監測其輸出特性，并積累測量數據，以評估組件長期工作于戶外環境下的輸出性能，使電站設計人員針對具體環境，選用更合理的光伏組件搭建光伏系統。也為組件生產商和科研實驗工作提供了更好的保障與技術支持。 2 戶外測試平臺設計方案 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境溫度的影響。當光伏組件工作于戶外特定環境時，需測量環境輻照度及組件溫度。傳統的IV特性曲線測量方法是使可編程電子負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體二極管的對數曲線形狀，當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載測量將造成曲線相應部分的測量點稀少。此外，為測試光伏組件戶外性能，還需根據用戶設定，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，因此不可使用傳統的現場電容充電或電子負載瞬時測量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載，對IV特性曲線上恒流段和恒壓段分別采用電子負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。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境下輻照度突變對其輸出特性的影響。當測量光伏組件電氣特性及環境參數后，將數據發送至上位機并存儲。為避免上位機關機或網絡通信故障，還需將數據臨時存儲于平臺內，以保證數據的安全性和完整性。 2.2 光伏組件戶外性能測試平臺設計方案 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模塊控制電子負載等效阻值，使得光伏組件工作于相應工作點，再由DSP自帶的12位A/D轉換器對負載電壓和電流采樣。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，與上位機之間建立了無線局域網，它由測試平臺的以太網模塊，測試平臺路由器，上位機路由器和上位機網絡端口組成，使上位機對測試平臺遠程監控與接收數據。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據，實現數據備份。 圖1 戶外光伏組件測試平臺 3 可編程電子負載硬件設計 目前，市場上常見的光伏組件在標準測試條件(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，因此設計了額定負載300W 的可自動切換工作模式的可編程電子負載，并作為組件測試過程中的負載，將測試過程中組件輸出功率以熱能的形式持續耗散�？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，即截止區、線性區和飽和區。當MOSFET工作于線性區時，通過控制其柵源極之間電壓VGS可實現對其流過電流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算，控制MOSFET柵極電壓，實現對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并聯的結構，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。將負載電壓差分處理后，與DAC模塊的控制信號做比較運算，運放輸出端接入各個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對上述控制信號進行切換。該模擬電子開關直接由主控制器DSP控制，實現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，組件溫度及環境溫度。參照IEC 60904-1中相關內容，制定了光伏組件戶外測試流程，步驟如下: 1)同步測量環境中太陽輻照度，組件溫度及環境氣溫，并記錄數據; 2)測量光伏組件開路電壓VOC及短路電流ISC，計算近似最大功率點處電壓Vapp =0.8VOC，計算恒壓模式下測量點數NCV; 3)計算電壓變化步長ΔV =Vapp/NCV，設置可編程電子負載為恒壓工作模式，以步長ΔV 依次測量IV特性曲線上各點; 4)當NCV個點測量完成，此時光伏組件工作電壓為Vapp ，測量相應的工作電流Iapp ，由Iapp 計算恒流模式下測量點數NCC; 5)計算電流變化步長ΔI=Iapp/NCC，設置可編程電子負載為恒流工作模式，以步長ΔI 從當前工作點繼續掃描IV特性曲線，直至剩余點測量完成; 6)再次同步測量環境中太陽輻照度、組件溫度及環境氣溫，確保在IV特性曲線測量期間，輻照度和溫度并未發生突變; 7)根據測量數據，計算IV特性曲線上最大功率點，填充系數等特征參數，將所有數據打包，存儲于SD卡內，本次IV特性曲線掃描結束。 當1組數據測量完成，平臺可根據用戶設定，控制光伏組件工作于開路、短路或最大功率等狀態，直到下1次測量開始，可檢測光伏組件長期處于特定狀態工作性能。 為避免環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特性曲線至關重要。在上述測量流程中，AD轉換器對光伏組件IV特性曲線上每個點同步測量時間約80μs，測量一組IV特性曲線數據需用時約22ms，一般而言，該測量時間內幾乎不會出現環境輻照度或溫度突變的狀況。 在所測數據存入SD卡之后，DSP同時將測量數據封裝為UDP包，通過以太網模塊，經由測試平臺路由器，發送至上位機，上位機在接收到每個UDP包后，都給予接收應答�；赩B.NET編程技術，設計了上位機監控程序，它與DSP通信，并將數據存儲于SQLServer數據庫內，便于用戶對組件戶外長期工作性能分析和評估。 5 測試結果與分析 為驗證光伏組件戶外測試平臺性能，利用4塊億晶公司生產的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日進行了實驗，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對光伏組件進行1次IV特性曲線掃描。為便于和傳統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載工作于傳統的恒流模式、恒壓模式和本文提出的可自動切換工作模式下，采用3種方法分別對光伏組件的IV 特性曲線掃描，所測曲線如圖4~6所示。 圖6 可自動切換工作模式電子負載所測曲線 從圖4可見，在IV特性曲線接近短路電流部分，由于組件工作電流變化較小，采用固定步長的恒流工作模式電子負載難以將該段曲線完整掃描，出現了前文中所述的測量點稀少問題。相應地，圖5表明，采用恒壓工作模式電子負載掃描IV特性曲線，在接近開路電壓處，同樣出現測量點明顯減少的現象。若采用上文所提出的測試流程，通過自動切換工作模式的可編程電子負載掃描IV 特性曲線，可以更完整地測量整條曲線。如圖6所示，所測曲線上256個點排列緊密，數據無需平滑處理。同時，在其最大功率點附近，被測點分布更密集，保證了更精確地對光伏組件最大功率值測量。 6 結論 所研制的戶外光伏組件測試平臺，其靈活的編程性，有效地實現對光伏組件戶外IV特性曲線精確而完整的測量，通過分析測量數據，可對光伏組件在特定環境中的性能予以評估。對光伏系統設計人員而言，通過分析不同組件在特定戶外環境中的輸出能力，可更好地選擇適于該環境下工作的光伏組件，使光伏系統的輸出效能達到最優。為光伏組件生產商也提供了產品測試依據。 |
