太阳能电池伏安特性现场快速测试系统的设计

黎 泳，张前进（.广东发展控股投资有限公司，广东佛山 528000；2.佛山科学技术学院机械与电气工程学院，广东佛山528000）



太阳能电池伏安特性现场快速测试系统的设计

黎 泳1，张前进2＊
（1.广东发展控股投资有限公司，广东佛山 528000；2.佛山科学技术学院机械与电气工程学院，广东佛山528000）

摘 要：设计了一种可用于光伏发电现场的便携式太阳能电池伏安特性测试系统，主要包含了DSP芯片、可控电光源和可调电子负载等模块.原理样机的各项功能测试均达到了设计目标且系统资源没有太多冗余，证明该系统整体设计方案的合理性正确性.系统设计遵从GB/T18210－2000的相关指引，力求携带方便和低成本，但仍需进一步地进行性能认证、用户界面优化和工业外观设计.

关键词：光电池；伏安特性；快速测试

0　引言

单个太阳能电池的开路电压、短路电流和功率输出等均比较微小，故在实际应用中的太阳能模块都是由若干太阳能电池单体串联和并联集成.如果一个太阳能电池在应用中损坏，则它所在的串联支路的电流会减小，且与该支路并联的开路电压亦会减小［1，2］.也就是说，若其中一个电源单体损坏，将会导致整个模块的发电效率降低，一个模块的效率降低，将导致整个发电系统效率的降低.该问题是一个无法回避的原理性问题.

在实际应用中，当发电监控系统显示发电效率严重降低时，则需要维修人员在所有发电模块中定位损坏的模块，并将其更换［2，3］.一个太阳能电池的损坏，是在其工作动态范围内的伏安特性劣化，其无法通过静态的简单测量来实现.因此，应用现场需要一个便携式的伏安特性测试仪.

近年来，国内对太阳能电池现场测试设备的研究已经有了很大进步，多项技术超过了国家标准的要求［4，5］.但在工程实践中，过多超越技术标准的性能要求，意味着设备资源的冗余、可靠性的降低和设备成本的上升.

针对上述问题，本研究工作致力于设计一款依从国家标准要求、低成本、高可靠性的便携式太阳能电池现场伏安特性测试仪.该设计以可控电光源和可调电子负载为主体，并对原理样机进行了测试评价，分析了其存在的问题以及进一步改进的方向.

1　测量原理

如图1所示，其是太阳能电池伏安特性曲线的测量原理示意图.太阳能电池按照图1所示关系与测量系统进行连接.在符合规范要求的光照条件下，测量仪给定负载并通过接入回路的电压传感器和电流传感器而获得电压和电流值（v，i），从而实现了伏安特性曲线的一个点测量.再按照预设的步距改变负载完成下一个点的测量，依次进行直到测量点遍布整个动态范围.

图1　太阳能电池伏安特性测量系统原理

在阴天和其它不符合规范要求的光照条件下，则需要在人工光源照射下完成测量.如果人工光源采用连续工作的方式，无疑将需要较大功率的电力供应，这便增大了系统移动和便携式工作的难度.因此，电光源应采用脉冲工作的方式，在脉冲宽度大于光源建立的动态过程时间与太阳能电池的发电动态时间之和的时间上，系统完成一个测量周期.

IEC（International Electrotechnical Commission）规定太阳能电池测试的标准条件（Standard test condition）如下［5，6］：

（1）辐射照度（Radiant intensity）：1 000W/m2；

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

（3）电池温度（Cell temperature）：25℃.

若创建同时满足IEC三个标准的测试条件，将导致太阳能电池或组件的测试成本急剧升高.基于此，GB/T18210－2000“测量方法”对上述条件做了适当的放宽，允许对测得的伏安特性进行温度和照度修正.

系统设计了辐射照度和温度测量电路，在测试太阳能电池组件的同时，实时测量了当时的辐射照度和温度，并据此将测试结果转化为标准条件下的值，以便与太阳能电池的出厂性能进行比较.其测试条件的转换公式［5，6］如式（1）和式（2）所示：式（1）～（2）中：IO、UO、TO和EO分别是标准条件下的电流、电压、温度和辐射照度；I、U、T和E分别是实测的电流、电压、温度和辐射照度；α是电流温度系数，＋0.02（mA/cm2）/℃；γ是电流辐射照度系数，＋0.27（mA/cm2）/（mW/cm2）；β是电压温度系数，－0.25mV/℃（Si单晶电池）；K是电压辐射照度系数，＋0.5mV/（mW/cm2）.

在应用式（1）和式（2）进行换算时，会产生一定的误差.当辐射照度大于600～700 W/m2时，换算结果比较准确.这就要求测试时的实际辐射照度应不低于600～700W/m2.当测量时的实际照度低于上述值时，则需要用人工电光源进行补充照明.

式（1）和式（2）只考虑了辐射照度和温度对太阳能电池测试结果的影响，而没有考虑光谱的影响.这是因为要想实现测试光源的光谱和标准太阳光谱（AM1.5）完全一致是非常困难的.故从现场故障诊断的目的出发，本系统预先采集并存储了同类标准光电池在同等测试条件下的伏安特性，以作为故障诊断的参考模板.

2　整体结构和模块设计

2.1 整体硬件和软件

系统功能是需要在现场进行测量，测得伏安特性曲线，还需要控制辅助光源，且测量后需同时采集测量数据、组件温度数据和即时光强数据等并加以换算，然而上述功能所要求的处理器技术性能，是单片计算机无法满足的，因此选用了DSP芯片作为系统的处理器.如图2所示，以DSP作为系统控制的基础，向外设置电压、电流、温度及光强测量电路等组成测量模块，以及人机界面模块（键盘、显示器和打印机等）.

图2　系统硬件结构图

本系统软件主要包括光强测试程序、温度测试程序、数据处理和存储程序、液晶菜单显示程序、打印机程序及伏安特性曲线测试程序等.其主程序流程如图3所示，启动主程序，系统初始化程序完成后进入液晶菜单操作程序.系统测试、参数设置、数据管理、查询和打印等都是通过在相应的菜单选项中来实现.

系统运行时，必须在液晶屏显示较详细的菜单，以方便操作.本系统菜单可实现参数设置、光强调节、系统校准、太阳能电池伏安特性曲线测试、数据管理及查看波形等多种功能，从而满足了实时测量的各种要求.系统菜单显示采用树形拓扑结构，可以很方便地添加或删除子菜单.液晶在显示某一屏内容时，只需找到相应树形表中的索引号，然后按照索引号执行相应程序即可.

2.2 电子负载

本系统的电子负载选用程控电流型电子负载，即通过改变太阳能电池组件的电流，从而测出各点相应的电压、电流参数，并绘出I－U曲线，其原理图如图4所示.其中，给定电压UDAC2来自控制模块的D/A转换器TLV5619.

图3　系统软件流程图

由图4可以看出，被测太阳能电池组件、补偿电源、运算放大器IC1、MOS管Q及电流采样电阻R等构成了闭环负反馈.因为U1＝U2，U2＝I＊R，上述I是流过被测太阳能电池组件的电流，R是电流采样电阻的阻值，I与U1成正比关系.因此，只需改变给定电压UDAC2，即可改变流过被测太阳能电池组件的电流.补偿电源的作用是补偿采样电阻R和MOS管Q上的压降，使被测电池组件工作到短路状态，从而测得完整的I－U曲线.仪表放大器AD620［7］用来对被测太阳能电池组件的电压进行差分放大.AD620增益范围是1～1000，由一个外接电阻RG来调节.RG通过模拟开关选择不同的阻值.由于本系统测量范围很宽，所以对被测电池组件分压时采用继电器选择不同的分压系数，配合AD620的增益系数即可满足各个量程的需要.

图4　程控电子负载原理图

2.3 电光源和系统电源

便携式恒定光强脉冲氙灯的触发脉冲波形及闪光光强波形如图5所示.其中，通道1为触发脉冲波形，通道2为脉冲氙灯闪光光强波形.便携式恒定光强脉充氙灯既可以直接作为测试光源，亦可以在太阳光强不足时对其进行补偿.该氙灯具有体积小、重量轻、可用直流供电等特点.

图5　恒定光强脉冲氙灯触发脉冲及光强波形

本系统电源采用直流24V供电方式，以实现便携式的需要.输入的＋24V直流电经过DC－DC模块变换成稳定的＋5V以及±12V电源给系统的各个部分供电.由于系统所用DSP及其SRAM等外围芯片很多都是3.3V供电的芯片，因此在DSP板上专门集成了一个5V～3.3V的电路来提供稳定的3.3V电源.

2.4 人机界面

为了实时地显示被测太阳能电池的I－U曲线及各项参数，选用了内嵌SED1335控制器的MTG－S32240图形液晶模块.该模块是320×240点阵的图形液晶显示模块，采用单一＋5V供电模式，外带蓝色背光［8，9］.

由于TMS320LF2407A的最高工作频率为40 MHz，而SED1335的最高工作频率只有10MHz，因此DSP要全速访问SED1335是不可能的，必须考虑速度匹配的问题.通常解决的方法有两种：一种是设置DSP中的等待状态寄存器WSGR，通过增加等待状态的方法解决两个器件的速度匹配问题；另一种方法是在每一条指令前加入一定的延时，从而使TMS320LF2407A与SED1335的速度得以匹配［10，11］.

3　测试和分析

3.1 精度测试

依据国家标准的太阳能电池电性能测试设备检验方法，用一个理想电压源和电阻的串联代替太阳能电池组件，用测试系统的电压档测量电源E的电压作为开路电压，用电流档测得E短路时流过电阻R的电流作为短路电流.

在电源E电压为4.502V、电阻R阻值为1.08时，测得一组10个数据，按照（序号，开路电压v，短路电流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）.

按照上述数据统计计算，得到了开路电压的最大相对误差为0.6%，短路电流的最大相对误差为0.7%.

3.2 一致性测试

本测试系统在相似条件下使用便携式光源（氙灯）连续测得一太阳能电池标准组件的20组数据，如表1所示.

表1　样本电池的一致性测试结果

其中，参数Uoc是开路电压；Isc为短路电流；Pmax是最大功率；Imax是最大功率时的电流；Umax是最大功率时的电压，η是效率.

统计计算的结果是，上述各变量的标准差分别为（0.052，0.006，0.105，0.006，0.16，0.17），最大标准差为0.17.

3.3 误差分析

对照GB/T18210－2000（晶体硅光伏PV方阵I－V特性的现场测量）的要求，“电压和电流测量准确度应优于±1%［12］”，该系统的测量误差能够满足此要求.测量误差的形成主要来自以下两个方面.

（1）测试环境误差

测试环境误差主要是光源引入的误差.当本系统使用自带便携式光源作为主光源测量时，由于光源中心与测试平面各点光程长短不均，导致测试平面光辐射照度不均匀，而且随机性很强.这对测量结果影响较大，并且不可避免.而采用自然光做主光源，自带便携式光源作为辅助光源时，这种影响则相对较小.完全使用自然光源测试时，误差主要来自其它方面.

（2）测试系统误差

测试系统的误差主要来自A/D转换器误差、计算误差和电子噪声等.A/D转换器的转换误差包括量化误差、偏移误差、增益误差等，其中量化误差是A/D转换器本身固有的一种误差.本系统采用10位A/D，其满量程的相对误差约为0.1%；数据处理引起的误差是由于太阳能电池组件的测试都是在非标准的条件下进行的，数据需要换算到标准条件下的结果；电子噪声误差包括电子元件的实际参数与其标称值所示有一定误差，这些误差集中在一起便会增大系统误差.

4　结论

（1）设计了一种太阳能电池在光伏发电现场的便携式快速测试系统.系统以可控电光源和可调电子负载为主体，以DSP器件为系统控制核心，以电池为自备运行电源.

（2）原理样机的各项功能均达到了设计目标，且系统资源没有太多的冗余，证明系统的整体设计方案是合理、正确的.

（3）系统设计的特点是在实现模块故障诊断功能的前提下，力求做到低成本和便携式操作.

（4）系统的测量误差，符合GB/T18210－2000的相应要求，能够满足现场故障诊断的精度要求和便携式工作方式要求.但系统还需要进行计量认证、用户界面的优化和可靠性设计优化等.

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［12］GB/T18210－2000，晶体硅光伏（PV）方阵I－V特性的现场测量［S］.

Design of voltage－current characteristics testing system for solar cells

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

通讯作者：张前进（1964－），男，陕西周至人，高级工程师，博士，研究方向：智能化电网，qianjin＠fosu.edu.cn

作者简介：黎 泳（1970－），女，广东佛山人，工程师，研究方向：现代电子技术的电力应用

收稿日期：2015－05－16

文章编号：1000－5811（2015）04－0162－05

文献标志码：A

中图分类号：TM914.4