光伏組件戶外I-V特性測(cè)試問題及分析

王仁書 ，楊愛軍 ，游宏亮

（1 福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）（2 國(guó)家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心 福建 福州 350003）

光伏組件戶外I-V特性測(cè)試問題及分析

王仁書1，2，楊愛軍1，2，游宏亮1，2

（1 福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）（2 國(guó)家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心 福建 福州 350003）

光伏組件戶外I-V測(cè)試受到環(huán)境因素的影響，測(cè)試結(jié)果存在較大的偏差。為提高光伏組件戶外I-V特性測(cè)試的準(zhǔn)確度，分析測(cè)試過程中存在問題，并提出相應(yīng)的解決方法，同時(shí)分析IEC 60891-2009中的修正程序，以確保更準(zhǔn)確地進(jìn)行修正，得到組件在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（STC）下的特性參數(shù)。最后，通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方法的有效性。

光伏組件；I-V特性；標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（STC）；修正程序

1 引言

光伏組件的IV特性曲線是表征光伏組件性能的重要參數(shù)，包括開路電壓、短路電流、最大功率、最大功率點(diǎn)電壓、最大功率點(diǎn)電流。由于組件的IV特性受到多種因素的影響，如輻照度、組件溫度、光譜等，目前組件的IV特性曲線的標(biāo)準(zhǔn)值是在室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下測(cè)得的。而對(duì)于已經(jīng)安裝在戶外的光伏組件，使用戶外測(cè)試方法，則具有顯著的便捷性，但是其測(cè)試結(jié)果精度存在一定誤差。

目前，戶外I-V測(cè)試已經(jīng)廣泛在光伏發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)得到應(yīng)用。為了確保戶外IV測(cè)試的準(zhǔn)確性，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員已開展了許多工作并取得一定成果。國(guó)外研究中文獻(xiàn)[1]指出輻照度、電池溫度影響組件的輸出功率，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模分析[1]；文獻(xiàn)[2]重點(diǎn)討論了溫度對(duì)功率的影響，并綜述了修正方法[2]；國(guó)內(nèi)研究中，文獻(xiàn)[3]探討了光伏組件戶外計(jì)量測(cè)試方法，分析組件故障原因[3]；文獻(xiàn)[4]對(duì)測(cè)得的電壓、電流及最大功率進(jìn)行修正,使其結(jié)果能回推到標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(STC，輻照度為1000W/m2,光譜為AM1.5G，溫度為25℃)下，并分析了產(chǎn)生測(cè)量不確定度的因素[4]。但已有研究還尚未完全解決戶外I-V測(cè)試的問題，文中將對(duì)這些問題展開探討和分析。

2 測(cè)試方法概述

戶外IV測(cè)試主要依據(jù)IEC 61829，并引用IEC 60904-1規(guī)范IV測(cè)試設(shè)備的要求，而測(cè)試的結(jié)果則是根據(jù)IEC 60891進(jìn)行修正。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，采用可變的負(fù)載連接到被測(cè)組件，同時(shí)采用高速的電壓、電流采集裝置，采集組件輸出的電壓和電流值，繪制得到IV曲線。目前，根據(jù)使用的負(fù)載類型可分為電阻式和電容式。電阻式測(cè)試儀有意大利HT的IV400、日本EKO的MP160、中電41所的AV6591等；電容式測(cè)試儀則有高美測(cè)儀的Profitest PV、合肥科威爾的IVT系列測(cè)試儀等。盡管類型多種，其主體結(jié)構(gòu)都包括輻照度探頭、溫度探頭和帶電壓電流測(cè)量功能的可變負(fù)載。如圖1所示。

圖1 戶外I-V測(cè)試儀結(jié)構(gòu)圖

如上圖所示，I-V測(cè)試通過輻照度表測(cè)量組件表面的輻照度，溫度探頭測(cè)量組件溫度，同時(shí)為了避免導(dǎo)線造成影響，采用4線法測(cè)量組件輸出的電壓和電流。

3 戶外測(cè)試存在的問題

3.1 測(cè)試過程問題

戶外光伏組件在測(cè)試過程中存在的問題，主要包括：

（1）組件表面的清潔：組件長(zhǎng)期暴露在戶外環(huán)境下工作，其表面容易粘附污染物，導(dǎo)致進(jìn)入組件的光減少，與輻照度表測(cè)得的輻照度值不一致；

（2）輻照度測(cè)量的影響：輻照度表的精度、響應(yīng)時(shí)間及其光譜響應(yīng)與被測(cè)組件之間的差異，都將導(dǎo)致測(cè)得的輻照度與實(shí)際組件接受輻照度的不同，導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。此外，在戶外條件下，輻照度還隨時(shí)間不斷變化，而戶外I-V測(cè)試通常也需要數(shù)秒時(shí)間，在測(cè)量期間輻照度的變化也將影響I-V測(cè)試的結(jié)果；

（3）光譜變化：實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的模擬器采用光譜接近AM1.5的燈源進(jìn)行測(cè)試。而在戶外環(huán)境下，光譜受地理位置、氣象條件、季節(jié)和時(shí)間的影響不斷變化。由于組件的光譜響應(yīng)具有波段選擇性，即使在輻照度相同的條件下，由于光譜分布的差異，也會(huì)導(dǎo)致組件的輸出產(chǎn)生差異；

（4）組件溫度測(cè)試：I-V測(cè)試中，需要測(cè)量組件電池結(jié)溫，由于電池被封裝，無法直接測(cè)得結(jié)溫。目前都是使用組件背部中心點(diǎn)溫度代表組件的溫度，但實(shí)際情況是組件的溫度并不均勻，尤其是靠近接線盒端處電池的溫度偏高，因此溫度的測(cè)量也對(duì)組件I-V測(cè)試存在較大影響。

3.2 測(cè)試結(jié)果的修正

為了能夠?qū)夥M件進(jìn)行比較，需要將光伏組件的測(cè)試結(jié)果修正到統(tǒng)一的參照條件（即STC條件），IEC 60891-2009中給出了溫度和輻照度的修正算法。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，在修正過程中，需要涉及到組件的內(nèi)部參數(shù)，包括串聯(lián)電阻、電壓溫度系數(shù)、電流溫度系統(tǒng)等參數(shù)，這些參數(shù)主要是依靠組件廠商來提供，參數(shù)是在組件出廠時(shí)測(cè)得的，而隨著組件在戶外工作時(shí)間的增加，組件的參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，因此也對(duì)測(cè)試的結(jié)果造成一定的影響。目前，戶外I-V測(cè)試的參數(shù)修正到STC條件后的誤差在±5%，甚至更高。

4 解決方法分析

結(jié)合上述問題，為能夠得到更好的戶外測(cè)試結(jié)果，給出以下解決方法：

4.1 基本要求條件

根據(jù)上述問題，為了能夠準(zhǔn)確進(jìn)行戶外測(cè)量，應(yīng)從以下幾個(gè)方面解決：

（1）測(cè)量傳感器的精度。IEC 60904中給出了設(shè)備的基本精度要求，目前隨著電子儀器設(shè)備水平的提高，儀器具有較高的精度，可以選用更高精度的設(shè)備：如電壓和電流的采集精度可達(dá)到±0.5%，溫度探頭的準(zhǔn)確度優(yōu)于±0.5℃；輻照度精度可達(dá)到±3%；

（2）規(guī)范測(cè)試操作流程：如測(cè)試前對(duì)組件進(jìn)行表面清洗并確認(rèn)組件表面無遮陰、安裝輻照度探頭與組件保持共平面、溫度探頭與組件背部緊密接觸等；

（3）天氣條件選?。罕苊馓鞖鈼l件波動(dòng)引入影響，如在測(cè)試中的太陽輻照度大于700W/m2，且測(cè)試過程中的輻照度波動(dòng)＜5%，風(fēng)速宜≤2m/s；

（4）組件溫度影響。在測(cè)量過程中，避免因確保組件的溫度變化產(chǎn)生誤差。組件的溫度監(jiān)測(cè)可以根據(jù)IV測(cè)試儀的溫度顯示，同時(shí)由于組件的開路電壓與溫度相關(guān)，同時(shí)通過監(jiān)測(cè)電壓的變化來確定組件溫度。

4.2 修正到STC條件

在測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)IEC 60891-2009規(guī)定的方法進(jìn)行修正，標(biāo)準(zhǔn)中給出了3種修正方法，選取合適的方法將使結(jié)果更接近真實(shí)值[5]。其中，程序1中考慮了溫度和輻照度對(duì)電流和電壓的影響，同時(shí)考慮了組件內(nèi)部阻抗影響，可實(shí)現(xiàn)基本的修正功能，但模型簡(jiǎn)單，存在一定的修正誤差，而且僅適用于輻照度和溫度與目標(biāo)值偏差較小的情況；程序2中，主要采用電壓相對(duì)溫度系數(shù)和電流相對(duì)溫度系數(shù)進(jìn)行修正，同時(shí)考慮了溫度變化時(shí)組件內(nèi)部阻抗的變化以及電池內(nèi)部pn結(jié)熱電壓的影響，具有較高的精度；程序3方法利用線性插值方法對(duì)輻照度和溫度進(jìn)行修正，在實(shí)際過程中要得到較精確的方法需要使用內(nèi)插方法，但是要在戶外環(huán)境下測(cè)得邊界條件參數(shù)具有一定難度。相比之下，程序2較適用于戶外陣列的IV測(cè)試，而且其修正公式參數(shù)可以通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)得到，具有良好的現(xiàn)場(chǎng)可操作性。程序2的IV曲線的修正如下：

5 戶外光伏組件IV測(cè)試結(jié)果

5.1 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

在光伏發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)使用的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試。分別使用MP-160和室內(nèi)超3A太陽模擬器進(jìn)行I-V測(cè)試，其中，MP-160的電壓和電流精度為0.5%，輻照度不確定度為0.7%，溫度傳感器精度為0.2℃；超3A模擬器測(cè)得的組件I-V曲線為STC條件下的參考曲線。同時(shí)，組件的參數(shù)為：

在不同的輻照度和溫度下測(cè)得組件的I-V曲線，并修正到STC條件下，得到的修正后的I-V曲線如圖2所示，其中，STC條件下的曲線是采用超3A的瞬態(tài)模擬器，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)組件進(jìn)行STC條件下的測(cè)試，作為組件I-V特性的參考基準(zhǔn)。

從圖2可以看出，當(dāng)輻照度在700W/m2以上時(shí)，采用修正程序2得到的STC下的曲線比較接近，同時(shí)也證明在條件相近的情況下，設(shè)備具有較好的重復(fù)性。而當(dāng)輻照度過低時(shí)，修正結(jié)果則有較大的偏差。

圖2 修正到STC條件下的I-V曲線圖

表1 不同戶外輻照度條件下測(cè)得的I-V特性測(cè)量的修正結(jié)果與室內(nèi)測(cè)量結(jié)果對(duì)照表

測(cè)得I-V特性曲線的具體數(shù)值如表1所示，其中室內(nèi)環(huán)境下模擬器測(cè)得結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果可知，在輻照度較高（700W/m2以上）的情況下，修正到STC下的開路電壓、短路電流和最大功率值與實(shí)際在STC條件下測(cè)得的最大絕對(duì)偏差分別為0.8%，1.5%和1.2%。

5.2 戶外測(cè)試的不確定度分析

通過上述測(cè)量，可以發(fā)現(xiàn)在室外測(cè)試過程中，組件I-V特性測(cè)試的結(jié)果存在不同程度的差異。目前，組件測(cè)量的不確定度得到了廣泛的關(guān)注，一些權(quán)威計(jì)量測(cè)試機(jī)構(gòu)對(duì)不確定度的來源進(jìn)行了分析。其主要的不確定度影響因素如表2所列。

表2 組件I-V特性測(cè)量主要不確定度影響因素

在戶外條件下，組件溫度、太陽輻照度以及戶外陽光光譜等因素都隨著時(shí)間不斷變化，具有較大的波動(dòng)性。室內(nèi)太陽模擬器法測(cè)試，可以在溫度、輻照度和光譜方面進(jìn)行控制，測(cè)量結(jié)果的不確定度較小。因此，在戶外測(cè)試過程中，需要采取措施盡量降低上述因素對(duì)結(jié)果的影響。

6 結(jié)語

戶外光伏I-V曲線的測(cè)試對(duì)于光伏系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)、性能評(píng)估具有重要意義。文中探討I-V測(cè)試過程中存在的關(guān)鍵問題并進(jìn)行分析，并通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)，同時(shí)依據(jù)IEC 60891中規(guī)定的程序進(jìn)行修正，測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性。但是由于在實(shí)際測(cè)試過程中仍然受到多種因素的影響，戶外光伏組件的I-V測(cè)試存在一定的不確定性，而且對(duì)這些不確定因素的影響還缺乏有效的定量觀測(cè)手段。因此，還需要更深入的理論研究和測(cè)試實(shí)驗(yàn)，建立更完備的模型，實(shí)現(xiàn)戶外環(huán)境下組件I-V特性的準(zhǔn)確測(cè)試。

[1]Hiyama T, Kitabayashi K. Neural network based estimation of maximum power generation from PV module using environmental information[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2002, 12(3):241-247.

[2]Skoplaki E,Palyvos J A.Operating temperature of photovoltaic modules:A survey of pertinent correlations[J].Renewable Energy,2009,34(1): 23-29.

[3]劉丁璞.太陽能光伏組件戶外計(jì)量方法研究[D].中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院, 2013.

[4]高鵬,劉鑫,孫虎,等. 在戶外條件下測(cè)量晶體硅組件最大功率的不確定度分析[J].可再生能源,2014, 32(10):1441-1444.

[5]IEC 60891-2009 Photovoltaic devices–Procedures for temperature and irradiance corrections to measured I-V characteristics [S].

Problem and Analysis of Outdoor I-V Characteristics Measurement of Photovoltaic Module

WANG Ren-Shu1,2,YANG Ai-Jun1,2, YOU Hong-Liang1,2
(1 Fujian Metrology Institute, Fuzhou 350003, Fujian, China)(2 National PV Industry Measurement and Testing Center, Fuzhou 350003, Fujian,China)

The outdoor I-V Characteristics measurement of Photovoltaic Module is in fl uenced by the environment, there is deviation in the test result. To improve the accuracy of outdoor I-V Characteristics measurement, the problems are listed and corresponding solutions are proposed with the correction procedure in IEC 60891-2009 analyzed, ensuring to derive the more accurate characteristic parameters of the module in standard test condition (STC). At last, the test experiment is carried out to testify the effectiveness of the solutions.

Photovoltaic Module; I-V Characteristic; Standard Test Condition (STC); Correction Procedure.

2017-04-10

福建省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015R1033-3），福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016R1031-5)

王仁書，男，福建省計(jì)量科學(xué)研究院/國(guó)家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心，工程師，博士

楊愛軍，女，福建省計(jì)量科學(xué)研究院/國(guó)家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心，高級(jí)工程師

游宏亮，男，福建省計(jì)量科學(xué)研究院/國(guó)家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心，工程師