[一种光伏阵列现场测试系统的研究]光伏阵列

　　摘 要：本文采用电容充电动态测试方法，对电容充电过程中的电压、电流进行采样，获取光伏阵列特性曲线及各项参数，为有效评价光伏电站的控制和设计水平提供参考数据。文章详细介绍了系统的工作原理，并在此基础上，基于一种太阳能电池阵列数学模型，对光伏阵列特性曲线进行分析，预估任意条件下的光伏阵列特性曲线。对光伏阵列实际测试结果表明了该系统的合理性及精确性。
　　关键词：光伏阵列；动态电容；数字滤波；预估
　　文献标识码：A
　　引言
　　光伏发电是一种新兴的可再生能源利用方式，利用其核心部件光伏电池的光伏效应，直接将太阳能转换成电能供人们使用。理论上讲，光伏阵列的发电量应该等于阵列上所有单体光伏电池发电量的总和。但在实际使用过程中，由于光伏电池会受到诸多因素的干扰，如：单体光伏电池损坏或者受到遮蔽造成热岛效应；光伏阵列受到外界因素（比如：大风）的作用导致高度角、倾斜角发生改变，使得光伏发电系统的总发电量、系统效率等存在着变化，导致理论上设计合理的光伏阵列在实际运行时会产生较大的误差。因此，需要对光伏阵列进行现场测量。通过测量结果来分析、评价光伏阵列的设计，并进行必要的修正，解决理论设计与实际应用之间存在的误差，使光伏发电系统的设计更为合理，提高光伏阵列利用效率。
　　1光伏阵列特性
　　1.1光伏电池特性
　　光伏电池的特性一般包括伏安特性、照度特性以及温度特性[1]。
　　光伏电池的伏安特性是指光伏电池在一定的温度和日照强度下所表现出来输出电流和输出电压之间的对应关系，常简称为I-V特性。图1为在标准情况下，光伏电池的伏安特性。
　　图1 光伏电池的伏安特性
　　目前，对光伏阵列特性的现场测试方法主要是：可变功率电阻测量法[2]，对电容充放电测量等方法。两种常用测量方法各有优缺点，电容充放电测量方法中，在测量过程中要注意，电容器容量的选择对充放电效果的影响，
　　光伏电池的照度特性是指光伏电池的输出参数与光照强度S之间的关系。如图2所示，光伏电池短路电流Isc与照度S成正比，开路电压Voc随照度S按指数函数规律增加。
　　（a）短路电流Isc与照度E的关系 （b）开路电压Uoc与照度的关系
　　（a）短路电流Isc与照度E的关系 （b）开路电压Uoc与照度的关系
　　图2 单体光伏电池的照度特性
　　光伏电池的温度特性是指光伏电池输出参数与温度T之间的关系，其特性曲线如图3所示。随着温度的上升，光伏电池的短路电流Isc增大，而开路电压Voc减小，输出效率降低。由于温度上升导致光伏电池的输出效率下降，因此，有时需要用通风的方法来降低光伏电池板的温度以便提高光电转换效率，使输出效率增加。光伏电池的温度特性一般用温度系数表示，温度系数小说明即使温度较高，但输出的变化较小。
　　图3单体光伏电池的温度特性
　　1.2光伏电池的等效电路与数学模型[1]
　　光伏电池本身是一个P-N结，基本特性与二极管类似，其等效电路由光生电流源及一系列电阻(内部并联电阻Rsh和串联电阻Rs)组成，如图4所示。
　　图4 光伏电池等效电路
　　由光伏电池等效电路可得出公式：
　　（1）
　　式中：Iph为光伏电池的输出电流；Io为二极管反向饱和电流；U为输出电压；K是玻耳兹曼常数，为1.38×10 -23J/K ；T是绝对温度；A是P-N结的理想因子；q是电子电荷，为1.6×10-19C；Rs为光伏电池的外负载电阻，主要由光伏电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻等组成，通常小于1Ω；Rsh为旁路电阻，通常由光伏电池边缘的泄露电阻组成，一般为几千欧姆。
　　式(1)是根据电子学理论得出的解析表达式，已被广泛应用于光伏电池的理论分析中，但由于表达式中含有5个参数：Iph、Io、A、Rs和Rsh，它们不仅与光伏电池温度和光强有关，而且十分难以确定，因此不便于具体工程的应用，因为光伏电池生产厂商提供的一般为几个在标准测试条件下的重要参数：短路电流Isc、开路电压Voc、最大功率点电流Im和最大功率点电压Vm。因此，为了满足绝大多数工程项目要求，需要一种仅采用生产厂商提供的几个在标准测试条件下的重要参数的工程用数学模型。简单推导如下：
　　首先，在式(1)的基础上，忽略旁路电阻Rsh的影响，得：
　　
　　由式（4）、（7）、（8）可得光伏电池工程用数学模型。
　　2. 光伏阵列测试方法
　　根据太阳电池的特性，提出了一种光伏阵列对电容充放电测量的方法。如图6所示。
　　图6 工作原理
　　如图6所示，手动的单刀双掷开关K初始状态为断开。在开始进行光伏阵列测量时，开关K与a闭合，R1、R3、R4、C、与K组成充电回路，电容C开始充电，系统同步开始测量。此时，电容上的充电电流I和电压V的关系反映了光伏阵列当前电压和电流关系。在开关K与a闭合的瞬间，充电回路的电流为阵列的短路电流Isc。当电容的充电电流I最终为零时，此时电容电压V等于光伏阵列的开路电压Voc。系统对电容的整个充电过程进行全程电压电流采样，这些采样点的组合就构成了当前环境条件下的光伏阵列I-V特性曲线。由此可见，电容充电动态测量的过程，实际上就是在可变功率电阻现场测量中，用电容代替了可变功率电阻，快速读取电流电压数据，其I- V特性可以完整地表达光伏阵列的I-V特性曲线，并且测试速度很快，精度很高。这种方法只要选取适当的电容、开关管(容量足够大)，理论上可以测量任意阵列的特性。
　　充电完毕采样结束后，为了保证下次测量的准确性，必须把电容内的电荷释放，此时，只需要把开关K掷向b，这时C、K与R1、R2、R3、R4就组成了放电回路，释放电容C中的电荷，以待下次使用。
　　3数据处理
　　3.1 平滑处理
　　由于测试设备在运行过程中会受到各种因素的干扰，导致试验数据与实际数据之间可能存在偏差，影响到利用试验数据描绘的I-V特性曲线的效果。因此需要在软件上采用数字滤波的方法对曲线进行进一步的平滑处理，在保持原有曲线的变化趋势基础上，削弱干扰成分。