摘要：這里采用一種基于動態(tài)電容充電方法，結合高速A／D采樣和數(shù)據處理，實現(xiàn)對光伏陣列的現(xiàn)場I-V特性測試。該方法具有安全性高、體積小、成本低、精度高等特點，并可用于更大功率的光伏陣列現(xiàn)場測試。詳細介紹了系統(tǒng)的結構原理和測試方法，并進行了樣機研制和現(xiàn)場測試，實驗結果表明該方法滿足工程應用需求。
關鍵詞：光伏陣列；特性測試；動態(tài)充電電容

1 引言
    太陽能電池陣列是將太陽能轉換成電能的裝置，是光伏系統(tǒng)的重要組成部分，它決定了光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。因此合理配置太陽能電池陣列，提高太陽能電池陣列的轉換效率一直是光伏系統(tǒng)設計的重點。光伏陣列I-V特性曲線測試儀可實現(xiàn)對光伏電站現(xiàn)場的光伏陣列進行I-V特性曲線測試，并可根據當前輻射強度和太陽電池結溫，進行I-V特性曲線的預估，顯示現(xiàn)場光伏陣列的I-V，P-V等特性曲線、標示最大功率點等，其所提供的數(shù)據可實際評估光伏電站的發(fā)電功率設計和可能的實際發(fā)電量，是光伏電站系統(tǒng)設計和施工建設的必備測量儀器。

2 光伏陣列的數(shù)學模型及伏安特性
    光伏陣列數(shù)學物理模型是研究光伏陣列系統(tǒng)的理論基礎，也是評價光伏陣列性能的重要依據。通過研究光伏陣列數(shù)學物理模型，可利用現(xiàn)場測試得來的陣列數(shù)學模型推導出不同溫度、光照強度下的陣列數(shù)學模型。估算出任意溫度、光照強度下I-V特性曲線。光伏電池等效電路如圖1所示。

    由圖1可知其數(shù)學模型為：
   
    式中：I，U分別為輸出電流和電壓；Iph為光生電流；T為電池內部溫度；Io為二極管飽和電流；Rs，Rsh分別為內部等效串聯(lián)和并聯(lián)電阻；q為電子電荷量；A為二極管系數(shù)；k為波爾茲曼常數(shù)，k=1．380 58x10-23J。
    對式(1)進行推導并簡化，得到工程上常用的光伏電池輸出特性表達式：
   
    根據式(2)可知，僅需輸入光伏電池常用的特征參數(shù)Uoc，Isc，Um，Im，就可根據式(2)得出C1，C2的數(shù)值，將C1，C2代入式(2)中第1式便可得光伏電池的特性曲線表達式。

3 測試原理及實現(xiàn)
    光伏陣列的I-V特性曲線主要反映其輸出電流與電壓之間的關系，以及輸出能力和非線性特征，如要測試其關系曲線，必須實現(xiàn)輸出電流和電壓全功率范圍的變化并予以合理的數(shù)據采集和處理，即可實現(xiàn)該陣列的特性曲線測試。
3．1 測試原理及構成
    圖2示出基于動態(tài)電容充電的光伏陣列特性曲線測試儀結構。主要包括主電路、控制最小系統(tǒng)、外部采樣電路、驅動隔離電路、保護電路等。主要技術包括設計合適的充電電容以及在充電過程中對光伏陣列輸出電壓、電流進行高速、高精度的采集。

    基于動態(tài)電容充電的光伏陣列特性測試方法使用電容作為光伏陣列的負載，電容剛開始充電時，電容兩端電壓為零，光伏陣列相當于短路；當電容充電結束后，電容兩端電壓為光伏陣列的開路電壓，相當于光伏陣列開路。整個測試過程為：由控制電路發(fā)出控制信號使K1閉合，光伏陣列開始對電容C充電，電容電壓從零變化到開路電壓，光伏陣列的工作點就會由短路電流處逐漸變化到開路電壓處，在此過程中進行光伏陣列輸出電壓和電流的采樣，從而得到光伏陣列在每個工作點的電壓和電流，由這些采樣點的組合就構成了當前環(huán)境條件下光伏陣列的I-V特性曲線。采樣結束后，斷開K1，閉合K2，對C進行放電，使電容保持零初始狀態(tài)。
3．2 充電電容的設計
    電容值大小直接決定了充電時間的長短，從而決定了采樣的速率和系統(tǒng)的體積。電容越大，充電時間越長，有利于數(shù)據采樣，但系統(tǒng)體積增加；選擇較小的電容值，能夠減小系統(tǒng)體積，但電容充電時問縮短，在采樣周期不變的情況下，采樣數(shù)據點數(shù)就會減少，從而由這些點繪制的I-V特性曲線的準確度就會降低。

    圖3為電容充電曲線示意圖，由圖可見電容充電時間介于以曲線(1)和曲線(2)充電方式充電時間之間。
    若以曲線(1)的方式給電容充電，整個充電過程電流始終為短路電流Isc。由電容特性可知電容兩端電壓u(t)與流過電容的電流i(t)的關系為：

    由以上分析和實際試驗經驗可知，電容實際充電時間約為由公式t=CUoc／Isc計算的值的3倍。系統(tǒng)中電壓測試范圍為0～1kV(Umax=1kV)，電流測試范圍為0～20 A(Imax=20 A)。在整個充電過程中采樣200個點，所選擇的A／D采樣芯片兩次數(shù)據轉換之間的時間間隔為2μs，故轉換時間應不低于400μs，再加上要對轉換結果進行判斷，考慮一定的安全裕量，采樣時間應不低于10ms。
    為保證小電壓大電流(Uoc1=Umax×3％=30 V，Isc1=Imax=20A)也能保證足夠的采樣時間，采樣時間應滿足：

    根據公式(6)和(7)，選擇充電電容為2 mF。
3．3 放電電阻設計
    為了保證不影響下一次充電測量的準確性，需要在每次電容充電完成后通過放電電阻R對電容放電。R越小，放電時間越快，但R上承受的功率越大；R越大，放電時間越長，不利于系統(tǒng)工作快速性的要求。綜合實際情況，取放電時間為10s。電容電壓U與t關系為：U=Uocexp[-t／(RC)]，當t=5RC時，認為電容兩端電壓接近零。t=10s，C=2mF，解得R=1kΩ。
3．4 電壓、電流采樣
    對應不同的開路電壓和短路電流，由公式知充電時間也隨之而變化，選擇合適的電容可以保證系統(tǒng)在不同的開路電壓和短路電流情況下都有足夠的采樣時間。所設計的中小功率光伏陣列I-V曲線測試儀可測試的最大開路電壓為1 kV，短路電流為20 A。電壓變化范圍較大，若電壓采樣通道僅有一個，在所測試的光伏陣列開路電壓較小時，電壓采樣信號較小，在采樣電路中存在噪聲的情況下信噪比較大，這將對測試結果造成很大的誤差。在如今充滿電磁干擾以及電路本身存在噪聲情況下，通過合理的PCB布局以及抗干擾技術可減少采樣電路的噪聲，但若在硬件上提高信噪比，將會大大增大系統(tǒng)的采樣精度。測試儀采樣電路如圖4所示，電壓有4個采樣通道，通過ARM控制繼電器觸點S2～S5的開通與關斷選擇合適的電壓采樣通道。系統(tǒng)開機時電壓采樣通道選擇最大的采樣通道，即S2閉合，其他的繼電器觸點斷開，此時預采樣開路電壓，然后根據預采樣的電壓值算出實際開路電壓。若算得的開路電壓600 V<Uoc≤1 kV，則S2閉合，S3～S5斷開；若300 V<Uoc≤600 V，則S3閉合，S2，S4，S5斷開，若100 V<Uoc≤300 V，則S4閉合，S2，S3，S5斷開；若0<Uoc≤100 V，則S5閉合，S2～S4斷開。

    選擇好合適的電壓采樣通道后，閉合S1，開啟電容C充電回路，在電容充電的過程中采樣電容兩端的電壓和流過電容的電流，再對這些點進行濾波處理就能繪制出光伏陣列I-V曲線了。

4 數(shù)據處理
    因為測試儀采樣得到的I-V數(shù)據是客觀的，存在不可避免的誤差。如何根據實測的I-V數(shù)據繪制I-V曲線并準確計算太陽能電池特性參數(shù)是后期數(shù)據處理需要解決的主要問題。雖然硬件上在A／D采樣信號入口處設計了RC濾波器，但是干擾因數(shù)復雜，還需在軟件上采用數(shù)字濾波方法對曲線進行進一步的平滑處理。此處采用最小二乘法對數(shù)據進行濾波。

5 實驗與結果
    基于上述設計方案，這里選用基于ARM7TDMI內核的LPC2214作為控制芯片，成功研制了一臺中小功率光伏陣列特性曲線測試儀樣機，主要技術指標為：電壓0～1 kV；電流0～20 A；環(huán)境溫度-40～80℃；日照強度0～2 500 W／m2?；谠摌訖C成功對光伏陣列進行了測試實驗。所測光伏陣列的I-V曲線波形如圖5所示。

     經測試所得到的特征參數(shù)為Uoc=448．09 V，Isc=4．08 A，最大功率點對應的電壓Um=352．48 V，最大功率點對應的電流Im=3．41A，最大功率點功率Pm=1204W。

6 結論
    這里采用了一種動態(tài)電容充電方式的光伏陣列特性測試技術，詳細分析了其工作原理、實現(xiàn)及其控制等。利用研制的樣機進行了光伏陣列特性的現(xiàn)場測試，結果表明測試儀完全滿足一般的工程要求，該方法具有一定的實用價值。