太陽(yáng)能電池伏安特性現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黎 泳，張前進(jìn)（.廣東發(fā)展控股投資有限公司，廣東佛山 528000；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東佛山528000）

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太陽(yáng)能電池伏安特性現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黎 泳1，張前進(jìn)2＊
（1.廣東發(fā)展控股投資有限公司，廣東佛山 528000；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東佛山528000）

摘 要：設(shè)計(jì)了一種可用于光伏發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)的便攜式太陽(yáng)能電池伏安特性測(cè)試系統(tǒng)，主要包含了DSP芯片、可控電光源和可調(diào)電子負(fù)載等模塊.原理樣機(jī)的各項(xiàng)功能測(cè)試均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)且系統(tǒng)資源沒有太多冗余，證明該系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案的合理性正確性.系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵從GB/T18210－2000的相關(guān)指引，力求攜帶方便和低成本，但仍需進(jìn)一步地進(jìn)行性能認(rèn)證、用戶界面優(yōu)化和工業(yè)外觀設(shè)計(jì).

關(guān)鍵詞：光電池；伏安特性；快速測(cè)試

0　引言

單個(gè)太陽(yáng)能電池的開路電壓、短路電流和功率輸出等均比較微小，故在實(shí)際應(yīng)用中的太陽(yáng)能模塊都是由若干太陽(yáng)能電池單體串聯(lián)和并聯(lián)集成.如果一個(gè)太陽(yáng)能電池在應(yīng)用中損壞，則它所在的串聯(lián)支路的電流會(huì)減小，且與該支路并聯(lián)的開路電壓亦會(huì)減小［1，2］.也就是說，若其中一個(gè)電源單體損壞，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)模塊的發(fā)電效率降低，一個(gè)模塊的效率降低，將導(dǎo)致整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)效率的降低.該問題是一個(gè)無法回避的原理性問題.

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)顯示發(fā)電效率嚴(yán)重降低時(shí)，則需要維修人員在所有發(fā)電模塊中定位損壞的模塊，并將其更換［2，3］.一個(gè)太陽(yáng)能電池的損壞，是在其工作動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的伏安特性劣化，其無法通過靜態(tài)的簡(jiǎn)單測(cè)量來實(shí)現(xiàn).因此，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)需要一個(gè)便攜式的伏安特性測(cè)試儀.

近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)太陽(yáng)能電池現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備的研究已經(jīng)有了很大進(jìn)步，多項(xiàng)技術(shù)超過了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求［4，5］.但在工程實(shí)踐中，過多超越技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的性能要求，意味著設(shè)備資源的冗余、可靠性的降低和設(shè)備成本的上升.

針對(duì)上述問題，本研究工作致力于設(shè)計(jì)一款依從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求、低成本、高可靠性的便攜式太陽(yáng)能電池現(xiàn)場(chǎng)伏安特性測(cè)試儀.該設(shè)計(jì)以可控電光源和可調(diào)電子負(fù)載為主體，并對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)，分析了其存在的問題以及進(jìn)一步改進(jìn)的方向.

1　測(cè)量原理

如圖1所示，其是太陽(yáng)能電池伏安特性曲線的測(cè)量原理示意圖.太陽(yáng)能電池按照?qǐng)D1所示關(guān)系與測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行連接.在符合規(guī)范要求的光照條件下，測(cè)量?jī)x給定負(fù)載并通過接入回路的電壓傳感器和電流傳感器而獲得電壓和電流值（v，i），從而實(shí)現(xiàn)了伏安特性曲線的一個(gè)點(diǎn)測(cè)量.再按照預(yù)設(shè)的步距改變負(fù)載完成下一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量，依次進(jìn)行直到測(cè)量點(diǎn)遍布整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍.

圖1　太陽(yáng)能電池伏安特性測(cè)量系統(tǒng)原理

在陰天和其它不符合規(guī)范要求的光照條件下，則需要在人工光源照射下完成測(cè)量.如果人工光源采用連續(xù)工作的方式，無疑將需要較大功率的電力供應(yīng)，這便增大了系統(tǒng)移動(dòng)和便攜式工作的難度.因此，電光源應(yīng)采用脈沖工作的方式，在脈沖寬度大于光源建立的動(dòng)態(tài)過程時(shí)間與太陽(yáng)能電池的發(fā)電動(dòng)態(tài)時(shí)間之和的時(shí)間上，系統(tǒng)完成一個(gè)測(cè)量周期.

IEC（International Electrotechnical Commission）規(guī)定太陽(yáng)能電池測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)條件（Standard test condition）如下［5，6］：

（1）輻射照度（Radiant intensity）：1 000W/m2；

（2）光譜分布（Spectral distribution）：AM1.5 global（IEC 904－3）；

（3）電池溫度（Cell temperature）：25℃.

若創(chuàng)建同時(shí)滿足IEC三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試條件，將導(dǎo)致太陽(yáng)能電池或組件的測(cè)試成本急劇升高.基于此，GB/T18210－2000“測(cè)量方法”對(duì)上述條件做了適當(dāng)?shù)姆艑挘试S對(duì)測(cè)得的伏安特性進(jìn)行溫度和照度修正.

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了輻射照度和溫度測(cè)量電路，在測(cè)試太陽(yáng)能電池組件的同時(shí)，實(shí)時(shí)測(cè)量了當(dāng)時(shí)的輻射照度和溫度，并據(jù)此將測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)條件下的值，以便與太陽(yáng)能電池的出廠性能進(jìn)行比較.其測(cè)試條件的轉(zhuǎn)換公式［5，6］如式（1）和式（2）所示：式（1）～（2）中：IO、UO、TO和EO分別是標(biāo)準(zhǔn)條件下的電流、電壓、溫度和輻射照度；I、U、T和E分別是實(shí)測(cè)的電流、電壓、溫度和輻射照度；α是電流溫度系數(shù)，＋0.02（mA/cm2）/℃；γ是電流輻射照度系數(shù)，＋0.27（mA/cm2）/（mW/cm2）；β是電壓溫度系數(shù)，－0.25mV/℃（Si單晶電池）；K是電壓輻射照度系數(shù)，＋0.5mV/（mW/cm2）.

在應(yīng)用式（1）和式（2）進(jìn)行換算時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的誤差.當(dāng)輻射照度大于600～700 W/m2時(shí)，換算結(jié)果比較準(zhǔn)確.這就要求測(cè)試時(shí)的實(shí)際輻射照度應(yīng)不低于600～700W/m2.當(dāng)測(cè)量時(shí)的實(shí)際照度低于上述值時(shí)，則需要用人工電光源進(jìn)行補(bǔ)充照明.

式（1）和式（2）只考慮了輻射照度和溫度對(duì)太陽(yáng)能電池測(cè)試結(jié)果的影響，而沒有考慮光譜的影響.這是因?yàn)橐雽?shí)現(xiàn)測(cè)試光源的光譜和標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜（AM1.5）完全一致是非常困難的.故從現(xiàn)場(chǎng)故障診斷的目的出發(fā)，本系統(tǒng)預(yù)先采集并存儲(chǔ)了同類標(biāo)準(zhǔn)光電池在同等測(cè)試條件下的伏安特性，以作為故障診斷的參考模板.

2　整體結(jié)構(gòu)和模塊設(shè)計(jì)

2.1 整體硬件和軟件

系統(tǒng)功能是需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得伏安特性曲線，還需要控制輔助光源，且測(cè)量后需同時(shí)采集測(cè)量數(shù)據(jù)、組件溫度數(shù)據(jù)和即時(shí)光強(qiáng)數(shù)據(jù)等并加以換算，然而上述功能所要求的處理器技術(shù)性能，是單片計(jì)算機(jī)無法滿足的，因此選用了DSP芯片作為系統(tǒng)的處理器.如圖2所示，以DSP作為系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)，向外設(shè)置電壓、電流、溫度及光強(qiáng)測(cè)量電路等組成測(cè)量模塊，以及人機(jī)界面模塊（鍵盤、顯示器和打印機(jī)等）.

圖2　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)軟件主要包括光強(qiáng)測(cè)試程序、溫度測(cè)試程序、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)程序、液晶菜單顯示程序、打印機(jī)程序及伏安特性曲線測(cè)試程序等.其主程序流程如圖3所示，啟動(dòng)主程序，系統(tǒng)初始化程序完成后進(jìn)入液晶菜單操作程序.系統(tǒng)測(cè)試、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理、查詢和打印等都是通過在相應(yīng)的菜單選項(xiàng)中來實(shí)現(xiàn).

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，必須在液晶屏顯示較詳細(xì)的菜單，以方便操作.本系統(tǒng)菜單可實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、光強(qiáng)調(diào)節(jié)、系統(tǒng)校準(zhǔn)、太陽(yáng)能電池伏安特性曲線測(cè)試、數(shù)據(jù)管理及查看波形等多種功能，從而滿足了實(shí)時(shí)測(cè)量的各種要求.系統(tǒng)菜單顯示采用樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以很方便地添加或刪除子菜單.液晶在顯示某一屏內(nèi)容時(shí)，只需找到相應(yīng)樹形表中的索引號(hào)，然后按照索引號(hào)執(zhí)行相應(yīng)程序即可.

2.2 電子負(fù)載

本系統(tǒng)的電子負(fù)載選用程控電流型電子負(fù)載，即通過改變太陽(yáng)能電池組件的電流，從而測(cè)出各點(diǎn)相應(yīng)的電壓、電流參數(shù)，并繪出I－U曲線，其原理圖如圖4所示.其中，給定電壓UDAC2來自控制模塊的D/A轉(zhuǎn)換器TLV5619.

圖3　系統(tǒng)軟件流程圖

由圖4可以看出，被測(cè)太陽(yáng)能電池組件、補(bǔ)償電源、運(yùn)算放大器IC1、MOS管Q及電流采樣電阻R等構(gòu)成了閉環(huán)負(fù)反饋.因?yàn)閁1＝U2，U2＝I＊R，上述I是流過被測(cè)太陽(yáng)能電池組件的電流，R是電流采樣電阻的阻值，I與U1成正比關(guān)系.因此，只需改變給定電壓UDAC2，即可改變流過被測(cè)太陽(yáng)能電池組件的電流.補(bǔ)償電源的作用是補(bǔ)償采樣電阻R和MOS管Q上的壓降，使被測(cè)電池組件工作到短路狀態(tài)，從而測(cè)得完整的I－U曲線.儀表放大器AD620［7］用來對(duì)被測(cè)太陽(yáng)能電池組件的電壓進(jìn)行差分放大.AD620增益范圍是1～1000，由一個(gè)外接電阻RG來調(diào)節(jié).RG通過模擬開關(guān)選擇不同的阻值.由于本系統(tǒng)測(cè)量范圍很寬，所以對(duì)被測(cè)電池組件分壓時(shí)采用繼電器選擇不同的分壓系數(shù)，配合AD620的增益系數(shù)即可滿足各個(gè)量程的需要.

圖4　程控電子負(fù)載原理圖

2.3 電光源和系統(tǒng)電源

便攜式恒定光強(qiáng)脈沖氙燈的觸發(fā)脈沖波形及閃光光強(qiáng)波形如圖5所示.其中，通道1為觸發(fā)脈沖波形，通道2為脈沖氙燈閃光光強(qiáng)波形.便攜式恒定光強(qiáng)脈充氙燈既可以直接作為測(cè)試光源，亦可以在太陽(yáng)光強(qiáng)不足時(shí)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償.該氙燈具有體積小、重量輕、可用直流供電等特點(diǎn).

圖5　恒定光強(qiáng)脈沖氙燈觸發(fā)脈沖及光強(qiáng)波形

本系統(tǒng)電源采用直流24V供電方式，以實(shí)現(xiàn)便攜式的需要.輸入的＋24V直流電經(jīng)過DC－DC模塊變換成穩(wěn)定的＋5V以及±12V電源給系統(tǒng)的各個(gè)部分供電.由于系統(tǒng)所用DSP及其SRAM等外圍芯片很多都是3.3V供電的芯片，因此在DSP板上專門集成了一個(gè)5V～3.3V的電路來提供穩(wěn)定的3.3V電源.

2.4 人機(jī)界面

為了實(shí)時(shí)地顯示被測(cè)太陽(yáng)能電池的I－U曲線及各項(xiàng)參數(shù)，選用了內(nèi)嵌SED1335控制器的MTG－S32240圖形液晶模塊.該模塊是320×240點(diǎn)陣的圖形液晶顯示模塊，采用單一＋5V供電模式，外帶藍(lán)色背光［8，9］.

由于TMS320LF2407A的最高工作頻率為40 MHz，而SED1335的最高工作頻率只有10MHz，因此DSP要全速訪問SED1335是不可能的，必須考慮速度匹配的問題.通常解決的方法有兩種：一種是設(shè)置DSP中的等待狀態(tài)寄存器WSGR，通過增加等待狀態(tài)的方法解決兩個(gè)器件的速度匹配問題；另一種方法是在每一條指令前加入一定的延時(shí)，從而使TMS320LF2407A與SED1335的速度得以匹配［10，11］.

3　測(cè)試和分析

3.1 精度測(cè)試

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)能電池電性能測(cè)試設(shè)備檢驗(yàn)方法，用一個(gè)理想電壓源和電阻的串聯(lián)代替太陽(yáng)能電池組件，用測(cè)試系統(tǒng)的電壓檔測(cè)量電源E的電壓作為開路電壓，用電流檔測(cè)得E短路時(shí)流過電阻R的電流作為短路電流.

在電源E電壓為4.502V、電阻R阻值為1.08時(shí)，測(cè)得一組10個(gè)數(shù)據(jù)，按照（序號(hào)，開路電壓v，短路電流A）的格式列表如下：（1，4.51，4.16）、（2，4.53，4.17）、（3，4.48，4.17）、（4，4.48，4.14）、（5，4.47，4.16）、（6，4.51，4.16）、（7，4.48，4.16）、（8，4.52，4.19）、（9，4.49，4.16）、（10，4.48，4.17）.

按照上述數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到了開路電壓的最大相對(duì)誤差為0.6%，短路電流的最大相對(duì)誤差為0.7%.

3.2 一致性測(cè)試

本測(cè)試系統(tǒng)在相似條件下使用便攜式光源（氙燈）連續(xù)測(cè)得一太陽(yáng)能電池標(biāo)準(zhǔn)組件的20組數(shù)據(jù)，如表1所示.

表1　樣本電池的一致性測(cè)試結(jié)果

其中，參數(shù)Uoc是開路電壓；Isc為短路電流；Pmax是最大功率；Imax是最大功率時(shí)的電流；Umax是最大功率時(shí)的電壓，η是效率.

統(tǒng)計(jì)計(jì)算的結(jié)果是，上述各變量的標(biāo)準(zhǔn)差分別為（0.052，0.006，0.105，0.006，0.16，0.17），最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.17.

3.3 誤差分析

對(duì)照GB/T18210－2000（晶體硅光伏PV方陣I－V特性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量）的要求，“電壓和電流測(cè)量準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于±1%［12］”，該系統(tǒng)的測(cè)量誤差能夠滿足此要求.測(cè)量誤差的形成主要來自以下兩個(gè)方面.

（1）測(cè)試環(huán)境誤差

測(cè)試環(huán)境誤差主要是光源引入的誤差.當(dāng)本系統(tǒng)使用自帶便攜式光源作為主光源測(cè)量時(shí)，由于光源中心與測(cè)試平面各點(diǎn)光程長(zhǎng)短不均，導(dǎo)致測(cè)試平面光輻射照度不均勻，而且隨機(jī)性很強(qiáng).這對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大，并且不可避免.而采用自然光做主光源，自帶便攜式光源作為輔助光源時(shí)，這種影響則相對(duì)較小.完全使用自然光源測(cè)試時(shí)，誤差主要來自其它方面.

（2）測(cè)試系統(tǒng)誤差

測(cè)試系統(tǒng)的誤差主要來自A/D轉(zhuǎn)換器誤差、計(jì)算誤差和電子噪聲等.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差包括量化誤差、偏移誤差、增益誤差等，其中量化誤差是A/D轉(zhuǎn)換器本身固有的一種誤差.本系統(tǒng)采用10位A/D，其滿量程的相對(duì)誤差約為0.1%；數(shù)據(jù)處理引起的誤差是由于太陽(yáng)能電池組件的測(cè)試都是在非標(biāo)準(zhǔn)的條件下進(jìn)行的，數(shù)據(jù)需要換算到標(biāo)準(zhǔn)條件下的結(jié)果；電子噪聲誤差包括電子元件的實(shí)際參數(shù)與其標(biāo)稱值所示有一定誤差，這些誤差集中在一起便會(huì)增大系統(tǒng)誤差.

4　結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能電池在光伏發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)的便攜式快速測(cè)試系統(tǒng).系統(tǒng)以可控電光源和可調(diào)電子負(fù)載為主體，以DSP器件為系統(tǒng)控制核心，以電池為自備運(yùn)行電源.

（2）原理樣機(jī)的各項(xiàng)功能均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，且系統(tǒng)資源沒有太多的冗余，證明系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案是合理、正確的.

（3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn)模塊故障診斷功能的前提下，力求做到低成本和便攜式操作.

（4）系統(tǒng)的測(cè)量誤差，符合GB/T18210－2000的相應(yīng)要求，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)故障診斷的精度要求和便攜式工作方式要求.但系統(tǒng)還需要進(jìn)行計(jì)量認(rèn)證、用戶界面的優(yōu)化和可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化等.

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Design of voltage－current characteristics testing system for solar cells

LI Yong1，ZHANG Qian－jin2＊
（1.Guangdong Development Investment Holding Co.，Ltd.，F(xiàn)oshan 528000，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，F(xiàn)oshan University，F(xiàn)oshan 528000，China）

Abstract：A solar cell volt－ampere characteristic test system is designed for photovoltaic power generation field.The testing system based on DSP chip，controlled lighting and adjustable electronic load.The functions of the prototype test has achieved the design goal，and the system resources has no too much redundant，prove that the system′s overall design is reasonable and correct.The system is designed to comply with relevant guidelines issued by GB/T18210－2000.Portable and low cost systems is committed to the goal，the system also requires further authentication，user interface performance optimized and industrial designs.

Key words：solar cells；voltage－current characteristics；fast testing

通訊作者：張前進(jìn)（1964－），男，陜西周至人，高級(jí)工程師，博士，研究方向：智能化電網(wǎng)，qianjin＠fosu.edu.cn

作者簡(jiǎn)介：黎 泳（1970－），女，廣東佛山人，工程師，研究方向：現(xiàn)代電子技術(shù)的電力應(yīng)用

收稿日期：2015－05－16

文章編號(hào)：1000－5811（2015）04－0162－05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TM914.4