（电力电子与电力传动专业论文）光伏阵列区域特性测试系统的研究与实现.pdf

r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no nt e s t i n gs y s t e mo fp va r r a yc h a r a c r i s t i c s p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rd r i v e h e y i n g l e i f uq i n g a bs t r a c t t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n de n e r g ys h o r t a g ei s o b v i o u s t os e e kas u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tw a yt h ed e v e l o p m e n to fc y c l ee c o n o m y a n dt h en e wp a t t e r no fe c o n o m i cg r o w t hb e c o m et h eh o tt o p i c s o l a re n e r g ya sa q u a l i t yr e n e w a b l ee n e r g yr e c e i v e sm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n t h et e s t i n g , r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f r e g i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sa l s ow i l lb ea f o c 淞 a st h er e g i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so f p h o t o v o l t a i ca r r a ya r ea f f e c t e db ym a n y f a c t o r s , t h ep a r a m e t e r st h a ts o l a rc e l lm a n u f a c t u r e r sp r o v i d e dc a nza c c u r a t e l yr e f l e c tt h e a c t u a lp e r f o r m a n c eo nt h ep h o t o v o l t a i cs y s t e md e s i g n r e s e a r c ho nf i e t at e s t i n go f p h o t o v o l t a i ca r r a yp r o v i d e sa ni m p o r t a n tb a s i s f o rp v s y s t e md e s i g na n da p p l i c a t i o n i th e l p st or e f l e at h ea c t u a lc o n d i t i o no f t h ep v a r r a y i nt h i sp a p e r , t h ep va r r a yt e s t i n gs y s t e mu s ec a p a c i t o rc h a r g i n gm e t h o dt o o b t a i nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f p v a r r a y t h es a m p l e dd a t at h r o u g ht h es e n s o rp u t 切f d t h eh i g h - s p e e dd i g i t a lp r o c e s s i n gc o n t r o lc h i pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2w h i c hc o m p l e t e st h ea dc o n v e r s i o n , d a t as t o r a g ea n dd a t aa n a l y s i sw o r l 【i tr e f l e c ut h er e a l - t i m e c h a r a c t e r i s t i c so f p v a r r a y m e a n w h i l e , a np r e d i c t i v ea l g o r i t h mi su s e dt oi d e n t i f yt h e r e g i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so fp va r r a y su n d e ra r b i t r a r yt e m p e r a t u r ea n di r r a d i a t i o n a c c o r d i n gt ot h er e a l - t i m ep va r r a ym e a s u r e m e n t c o m p u t e ro ral i q u i dc r y s t a li s o p t i o n a lt od i s p l a yc o m b i n e d 耐蠊i m a g e sa n dd a t a c o m p u t e ra n dd s pc o n n e c t t h r o u g ht h eu n i v e r s a ls e r i a li n t e r f a c eo ru s bc o m m u n i c a t i o nm o d u l e j 1 m s 3 2 0 f 2 8 l2 d i g i t a lc h i p 谢f j lh i g hp r e c i s i o n , s p e e d , h i g hi n t e g r a t i o n , g r e a 砂i m p r o v e dt h e a c c u r a c yo f p va r r a yt e s t i n ga n de s t i m a t i n g , p r o v i d e dh i g h - s p e e dd a t as a m p l i n ga n d a n a l y s t s a n de a s yt oc o m p l e t eac o m p l e xn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n t h es y s t e mi ss m a l l a n d p o r t a b l e , 砌纪 c a na p p l y t ol a r g ea r e a so f p v a r r a yi nm e a s u r e m e n t k e y w o r d ：p h o t o v o l t a i c p v ) a r r a y s , t e s t i n gp r e d i c ta r g o r i t h m 。s i m u l a t i o no f l - v c u r v e ，t m s 32 0 f 2 8 1 2c o n t r o l l e r 原创性及学位论文使用授权声明 论文原创性声明内容： 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：彳司粪穆 日期：上口眇年j ，月；矿日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢 利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 与蔓禹 日期：2 0 l o 年j ，月吾oe l 导师签名：何 日期：扫d 年r 月；日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导 师指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程 技术学院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任 何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系 人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其 它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识 到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 司船 日期：2 - o t o 年5 月3 0 日 中m 太学碰十学论z 第一章引言 1 1 太阳能光伏产业发展前景 发展循环低碳经济，转变经济增长方式，谋求可持续发展的出路成为世界的 热点论胚。全球各个国家都在努力开发利用各类绿色可再生能源( 风能、核能、 太阳能、生物能等) 太阳能作为其中最具潜力的可再生能源，受到越来越多的 关注。从图1 1 可以看出世界上石油资源紧缺，煤矿资源也仅能维持约两百多年， 而太阳能的储量预测相对于其他常规能源来说却是无穷大的，有很大的开发利用 空间。因此光伏发电作为太阳能利用的一种重要方式也正在蓬勃发展。光伏发电 就是利用太阳能电池或者组件将太阳能转换为电能。 恻1 1 世界和中国再类能源储量预测 为了激励太阳能光伏发电产业的发展，各国提出了一系列的优惠政策。 2 0 0 4 年，德国最先出台了相关的法律法规，实施购电补偿，推动光伏市场的发 展。随后，西班牙、法国、意大利、希腊等国家也相继效仿而韩国、日本和美 国则开放了市场，中国也于近日通过了可再生能源法，并规定“上网电价” 和“全网平摊”的法规条款。全球常规资源短缺、各类能源补贴法律法规的完善、 人们环保意识的增强，这些都将促使太阳能光伏利用成为未来能源结构的主要组 成部分。 光伏阵列区域特性测试系统的研究5 实现 油攥- 气一槲# - 椭生物质托i 甩b 袱毒臻其t 0 0 拒# 复圈圈_ 圈1 - 2 求米能源结构预测 光伙产业步伐不断加快，越来越多的家脚个人用户开始安装光伏发电设备， 大型光伏发电厂、太阳能光伏屋顶项目工程也如州后春笋般胃出，为寻求降低太 阳能利用成本，提高太阳能利用效率的方法越来越多的研究正在快速丌展。光 伏阵列区域特性的澳4 试、研究和= f = 发也随之成为一个焦点问题 2 1 。 1 2 光伏阵列测试技术研究现状和意义 光伏阵列区域特性的现场测试技术，国外的研究比较成熟，尤其是美国和日 本已经有系列测试设备推向市场，不过其设备的价格都比较高。而在国内，光伏 阵列测试技术的研究相对比较落后。 市场上多数的研究重点都放在了太阳电池单体或者组件的特性测量方面由 于太阳电池制作的随机性，生产出来的电池性能不尽相同，为了有效的将性能一 致或相近的电池组合在一起，应通过电池测试( 即通过测试电池的输出参数电流 和电压的大小对其进行分类，以提高电池的利用率做出质量合格的电池组件。 然而市场上还没发现测量较大功率的光伏阵列特性的配备。但是随着太阳能光 伏发电将发展成为重要的发电方式，大量太阳能电站的出现的同时，就需要越来 越多的光伏阵列区域特性测试设备来优化太阳能电站的设计，提高光扶阵列的利 用效率。 在太阳能光伏发电系统中，光伏阵列作为将太阳能转换成电能的装置无论 从成本卜还是功能上都占有重要的地位。因此合理配置光伏阵列，提高光伏阵列 篮 鼢啪啪瑚啪啪啪瑚。 中山大学硕士学位论文 的利用效率，降低发电生产成本一直是光伏系统设计的重中之重。从理论上来说， 光伏阵列是由若干光伏组件通过串、并联的形式组合而成，光伏系统的发电量约 为光伏组件发电量的总和。但是，在光伏系统应用当中，光伏阵列的实际发电量 却很难满足理论设计要求。这是由于存在着各种影响光伏阵列发电的因素，包括 光伏组件连接带来的联结损耗，以及随着光伏电池使用时间的延长电池损坏造成 的电压不均衡等；还有一系列的外界环境因素包括光伏阵列的高度、倾角、电池 板的洁净程度等。就是对于同一块光伏阵列来说，环境温度、日照强度、风速等 外界条件的变化，也均会引起光伏系统的发电量、系统效率的改变。这一系列不 确定的影响因素会导致理论设计合理的光伏系统，在实际运行时发电量与设计要 求误差较大。因而对于任何的光伏系统都只能根据安装在实际环境条件下的光伏 阵列输出特性来确定真正的发电量和系统效率。如果对光伏阵列进行现场测量， 获得光伏阵列在特定环境下的特性及其参数，再结合安装环境的特点来分析和评 价光伏阵列的设计，可达到更理想的设计效果。光伏阵列的现场测试结果是分析 和评价光伏阵列发电效率的重要依据之一。换而言之，一个精确可靠实用的光伏 阵列测试装置在光伏发电系统中是必不可少的。 随着太阳能行业这几年的飞速发展，太阳能单体和组件的测试的要求就日 益提高。国际电工委员会( i e c ) 和美国的保险实验室( u l ) 都制定了相关的监 测标准，从组件的性能到安全规范都有了相关的条例。这在很大程度上促进了太 阳能检测技术的发展，也对规范业内的生产规范起到了一定作用。在测试仪器方 面，国外有很多已经做得很成熟的生产线上或者实验室用的产品，比如美国的 s p i r e 公司的线上检测设备就很出众。与此同时在国内，各研究机构和公司也纷纷 推出自己的产品，竞争也是十分激烈，这对中国的太阳能产业和太阳能检测行业 来说是件好事。另外，美国的u l 、德国的v d e 等检测机构也纷纷准备在中国国 内寻求合作机构，建立检测实验室。可以说太阳能检测也随着太阳能组件行业的 发展而开始了飞速的发展。【3 】 1 3 本论文主要内容和框架 本论文主要工作是研究光伏阵列区域特性的测试方法，实现大中型功率级 别的光伏组件或阵列的区域特性( i - v 曲线) 的测量，其中区域特性包括开路电 3 光伏阵列区域特性测试系统的研究与实现 压、短路电流k 、最大功率点的电压电流、厶。光伏阵列区域特性测试系 统主要由电容快速充电主电路、数字处理模块t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和数据显示模块三部 分组成。通过电容快速充电法测试得到的电流、电压数据分别经过传感器进入高 速数字处理模块，编程控制t m s 3 2 0 f 2 8 12 完成a d 模数转换、数据存储和数据分 析处理的工作，实时反映光伏阵列的特性。系统还配置温度传感器a d 5 9 0 和标准 太阳电池模块，实时测量当前环境温度和日照强度，这些数据也一并送入 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 进行处理，根据光伏阵列物理数学模型进行区域特性的推算预估， 实现对任意环境下光伏阵列区域特性曲线的准确预估并在上位机或液晶显示模 块以图像和数据结合的方式显示。数据采集单元与上位机是通过通用串行接口或 u s b 通信模块连接的。为光伏系统设计和光伏阵列性能评估提供重要依据，便于 光伏系统的设计和应用。 本文主要框架如下： 第二章将详细介绍太阳电池单体组件和光伏阵列分类、特性、性能指标等， 为深入研究光伏阵列区域特性测试系统的研究与实现建立理论基础。第三章重点 讨论光伏阵列区域特性测试方法。通过各种测试方法与曲线拟合模型的比较，选 取满足工程精度要求的测试方法与曲线拟合模型。第四章展开描述测试系统的实 现与精度分析，最后在第五章提出总结与展望。 1 4 本论文的创新点 1 实现任意条件下的预估 运用此预估算法可根据现场测量数据确定光伏阵列在任意温度和照度条件 下的特性参数，通过曲线模拟的方法得到光伏阵列的特征曲线，更确切地反映光 伏阵列的实际工作状况，达到理想的设计效果。 2 基于高速数字处理芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 实现数据处理和系统控制 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是工业界首批3 2 位的控制专用、内含闪存以及高达1 5 0m i p s 的数字信号处理器，具有精度高、速度快、集成度高等特点，为不同测控领域提 供了高性能解决方案。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的工频为1 5 0m h z ，单周期指令执行时间 为6 6 7 n s ，硅任于处理复杂的大量的数据，在较短的充电时间里可采集到足够多 4 巾山大学硕士学位论文 的数据准确地反映光伏阵列区域特性，因此可以选择数值较小的电容，大大地减 小了系统的体积：其次，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的转换精度较高，有1 2 位之多，同时 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 还有一个单独的外部存储器接口( x i n t f ) 可以扩展1 0 5 6 k 字的 空间，而且可以进行独立寻址。 3 f t 2 4 5 m 芯片实现u s b 通信 u s b 接口不仅具有快速、即插即用、支持热插拔的特点，而且能同时连接 多达1 2 7 个外部设备，可以有效地解决p c 机外围接口不足的问题。目前u s b 这一接口形式在微电子控制系统的设计中得到了广泛应用。在近期参与开发的数 控系统中，应客户要求需要将u s b 接口引入到数控系统中。由于该u s b 数据通 信接口设计仅是系统设计的一个很小的部分，如果仍采用传统的设计方法实现， 那么将耗费较多的时间和精力，而且最终也未必能获得理想的效果。为了摆脱常 规u s b 数据接口设计的难度，加快系统开发进程，于是引入了基于f t 2 4 5 b m 的 快速u s b 接口设计，使系统开发节奏加快，保证整套系统设计周期的缩短。 f t 2 4 5 b m 芯片的主要功能是在内部硬件逻辑的作用下实现u s b 串行数据格式与 并行数据格式的双向转换。上位机( p c 机) 通过u s b 接口与f t 2 4 5 b m 进行数 据交换，f t 2 4 5 b m 则通过并行方式与下位微控制器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 通信。 5 光伏阵列区域特性测试系统的研究与实现 第二章光伏阵列的区域特性 2 1 太阳电池原理以及分类 太阳电池作为光伏系统的核心经过了长达百年的发展历程，技术逐步成熟， 太阳电池的效率也越来越高。目前在市场上占主导地位的太阳电池仍以硅材料为 主。太阳电池是以半导体材料为基础，具有能量转换功能的半导体器件。太阳电 池实现太阳能到电能的转换是基于半导体的光生伏特效应。【4 h 7 】 以晶体硅太阳电池为例作一说明，阐述太阳电池的工作原理，如图2 1 所示。 当太阳光入射太阳电池时，在p - n 结区产生电子空穴对。当内建电场作用于p 1 1 结时，p 、1 1 型区的多子分别向1 1 、p 型区移动，大量电子积累在太阳电池受光上 表面而大量空穴积累的在背光下表面。此时在太阳电池表面装配上电极，即可在 外部电路中形成电流。太阳电池一般都要在受光面上覆盖减反射涂层，以减低因 反射损失的太阳电池能量，提高太阳电池的效率。基于太阳电池可以实现光电转 换的特性，各类工业用和家用的太阳能供电系统正在大力开发和研究当中。 图2 - 1 晶体硅太阳电池原理示意图 ( 代表电子、代表空穴、光子能量h ? ) 市场上的太阳电池主要分为两大类：晶体硅电池和薄膜电池。晶体硅电池可 以进一步分为单晶硅电池和多晶硅电池。而薄膜电池则包括非晶硅太阳电池、铜 铟硒薄膜电池和镉碲薄膜电池。随着太阳能光伏产业的发展，太阳电池的类型也 6 - m 颤 学位论文 越来越多，但是实际应用还是以硅材料的太阳电池为主，特别是晶体硅电池， ( i ) 晶体硅电池 晶体硅电池根据材料内部微观结构不同，分为单晶硅电池和多晶硅电池。单 晶硅电池由硅晶体直接切割出来的薄片制成，而多晶硅电池则由硅铸锭后切割的 薄片制成。由于生产工艺各异两类电池具有不同的转换效率，单品硅电池的转换 效率是最高的，同时其成本也是最高的。 围嚣霜 ( t 0 ) ( c ) 圈2 - 2 太刚电池( a ) 单品硅( b ) 多晶硅( c ) 薄膜电池 ( 2 ) 薄膜电池 非晶硅电池具有较高的转按效率，低廉的成本和重量轻等优势，但是由于非 晶硅材料存在光电效率衰退效应，其稳定性不高，影响非晶硅在实际中的推广利 用。 铜镏硒电池的优点在于不存在光致退化，并且这一类的电池的转换效率在薄 膜电池技术中是晟高的，但它确在湿热的环境中存在性能不稳定的问题。 镉碲电池较非晶硅转换效率高，且成本低廉，但是所用材料有剧毒，在制各 电池时会对环境造成严重的污染，所以此类太阳电池并不是晶体硅电池最为理想 的替代产品。 除了上述常见的各类太阳电池以外，许多研究工作正在开展，试图开发出新 型的电池类型，以提高太阳电池转换效率或降低成本，以下为部分的实例。 有机聚合物太阳电池是太阳电池一个研究的新方向，研究人员尝试采用有机 材料来代替无机材料制备太阳电池，由于有机材料具有制作简易柔性强度好， 材料供给充足成本低廉等优势。对太阳能电池开发利用具有重要意义。 h i t 电池。它是又晶体硅薄片包以超薄的非晶硅层所制造而成，比传统常规 的晶体硅电池由更高的效率，并且没有非晶硅的老化问题，在高温下产生高电量， 光伏阵列区域特性测试系统的研究与实现 具有很好的发展前景。 2 2 太阳电池的特性 2 2 1 太阳电池的特性 。k p _ 7 。 ， 、1 7 ：、 j：，s l j ，7 n 弋 吒 1 ik ， 、 v i 图2 3 太阳电池单体的i v 特性曲线 对光伏阵列整个区域特性或阵列的参数进行测定，主要是获取光伏阵列的 开路电压、短路电流、最大功率点电流、最大功率点电压等参数的数值。 参数定义如下： 短路电流( i l c )给定温度、日照强度下所能输出的最大电流 开路电压( v ) 给定温度、日照强度下所能输出的最大电压 最大功率点电流( i m )给定温度、日照强度下最大功率点上的电流 最大功率点电压( 、k )给定温度、日照强度下最大功率点上的电压 最大功率点功率( p m )给定温度、日照强度下所能输出的最大功率 从太阳电池的i - v 特性曲线中可以很直观地看出太阳电池的输出电流和输 出电压的对应关系，是非线性的函数关系。这表明了太阳电池既非恒压源，也非 恒流源，它不可能为负载提供任意大的功率。太阳电池是一种非线性的直流电源， 输出电流在大部分工作电压范围内约为恒定，最终在一个足够高的电压之后，电 流迅速下降至零；输出电流值即使在短路状态下也不会出现无穷大，而是一个有 限值( 短路电流值i 站) ；太阳电池只有工作在最大功率点p m 时利用效率才达到最 高。 8 t i ，山大学顾+ 学位论立 222 光伏阵列的区域特性 但是太阳电池单体的输出功率是很小的，一般为毫瓦级，不可能作为终端产 品。市场上出售的太阳电池是生产商把若下太阳电池单体进行串并联组合并封装 后的太阳电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦作为单独电源使用的最小单位。 而太阳能光伏阵列是根据实际的用电需求，把一定量的太阳电池组件按串、并联 规则组合在起并安装在支架上为负载提供所需功率。 太阳电池单体、组件、阵列的关系如图2 - 4 所示。 a l l = m rr 一羹 幽2 4 太刚能单体、纽什与阵列示意图 由n 个太阳电池组件按个串联及个并联的方式而构成一个光伏阵列 时，其光伏阵列的电压跟单个太阳电池组件相比提高了n ( 组件串联的数量) 倍而电流与较单个太阳电池组件相比则增大了_ 倍。也就是说光伏阵列的电 压取决于组件串联的数量而电流即取决于组件并联的数量。其发电效率在理想 的情况下保持不变但是由于生产的随机性，每个太阳电池组件必定会存在一些 差异，因此效率会降低。光伏阵列特性曲线近似等于相应的太阳电池组件的叠加 增长( 单个电池或组件的特性仍保持不变) 。至此我们得出光伏阵列的区域特 性与太阳电池单体和组件的形状类似。太阳电池的特性可推广至光伏阵列。 酗2 - 5 太阳能光伏阵列的1 v 特性曲线 光伏阵列区域特性测试系统的研究与实现 2 2 3 光伏阵列区域特性的环境影响因素 光伏阵列i v 、p v 特性曲线深受环境因素的影响，与日照强度和电池温度 密切相关【8 1 。考虑电池温度、日照强度对i v 、p v 特性的影响，可以在设计中 更好的配置太阳电池组件资源。 通常r 照强度s 变化范围从0 到l o o o w m 2 ，阵列温度变化范围从l o 。c 到 7 0 。实际中，影响光伏阵列i v 、p v 特性的各个因素之间也是互相影响的， 为了研究每一个因素各自对i v 、p v 特性的影响，人为仅让一个因素变化而保 持其他条件不变。 l o 一8 吨 6 4 2 1 02 03 04 0 5 0 6 07 08 0 【厂( 乃 图2 - 6 日照强度对光伏阵列的i - v 特性曲线影响 o 5 s n 4 o 3 o 2 o 1 1 0 2 03 04 05 06 07 08 0 u 图2 7 日照强度对光伏阵列的p - v 特性曲线影响 保持其他条件不变，仅改变日照强度，根据数据，可以得出如上特性曲线图。 由图2 4 可看出，随着照度降低，电流明显地减少，而开路电压则略为减少。最 大功率随着照度减少而减少。光伏阵列所输出的最大功率、短路电流都强烈的受 日照强度s 的影响，阵列的伏安特性曲线和日照强度s 呈一一对应关系。进行粗 略地简化可得出短路电流与日照强度变化成正比，开路电压与日照强度呈对数关 系。 l o 中山大学硕士学位论文 首先不得不提的是，这罩所说的电池温度和环境温度并不是同一个概念。环 境温度与电池温度的关系依赖于同照强度： t = 疋护+ t c s ( 2 - 1 9 ) 其中r 为电池温度( ) ，死f r 为环境温度( ) ，s 为同照强度( w m ：) ，几 f c 为温度系数( m 2 w ) 。如的典型值为o 0 3 ，国际上定义标准太阳电池温度为 2 5 。1 1 3 1 6 s 5 a 3 2 1 02 03 04 05 06 07 08 0 矾n 图2 8 电池温度对光伏阵列i v 曲线的影响 l o2 03 04 05 06 07 08 0 u ( 功 图2 - 9 电池温度对光伏阵列p v 曲线的影响 同样，保持照度不变，仅改变电池温度，得出电池温度对光伏阵列i v 、p v 特性的影响如图2 8 与图2 - 9 ，随着光伏阵列温度升高，电压明显减小，而短路 电流仅略为增大，最大功率点也随着温度升高略为减少。 光忧阵列区域特性测试系统的研究与宴现 第三章光伏阵列区域特性测试方法 如何获取光伏阵列的区域特性，在本章将深入进行描述。光伏阵列区域特性 测试实现的框图如图3 一l 所示我们必须先确定测试方法和曲线拟合的算法模型。 工作在光伏发电系统中的光伏阵列可以通过伏安法、电子负载等测试电路得到其 电压，电流等特性数据。但由于数据是零散的，我们必须选择合适的算法模型对 数掘进行拟台处理，通过对d s p 数据处理器进行有效控制，获得实测或是预估 情况下的区域特性，并在p c 端几c d 显示。 熬 * 惆唰 囝3 - 1 光伏阵列区域特性测试框图 3 1 光伏阵列的等效电路模型 显示区埔特性 对光伏阵列区域特性进行研究，首先要了解光伏阵列的等效电路模型，光伏 阵列的等效电池模型是研究光伏阵列测试系统的理论基础，它反映了温度、照度 等因素对太阳电池的影响，太阳电池一般可等效为图3 - 2 电路模型嗍。根据等效 电路图可以得出太阳电池最基本的解析表达式( 3 1 ) ，此表达式已广泛应用于太 阳电池的理论分析中。由上一章的介绍得知，光伏阵列具有与太阳电池单体类似 的特性，太阳电池的表达式同样适用于光伏阵列，在此基础上可推广到光伏阵列 分析上。 图3 - 2 太阳电池的等效电路圈 凰 西露 中山大学硕十学位论文 i = i p h l d 1 w f ，。、 = i 嗡一o e x p q ( v + r j ) a k t 、- 1 一+ r s n r s h “ 式中，为光生电流；厶为二极管饱和电流；厶为光伏阵列短路电流；y 为 光伏阵列输出电压；凡为光伏阵列的串联电阻；彳为二极管特性因子；k 为波尔 兹曼常数；t 为光伏阵列温度；q 为电子的电荷量；为光伏阵列的并联电阻。 光伏阵列的等效电路模型是一个非线性的超越方程，直接求解困难，目前较多采 用拟合算法来求解，在求解当中做出一些简化。 3 2测试方法的选择 3 2 1 变电阻法 最常用的测试伏安特性的方法。通过不断手动改变电阻r ，读出相应的电压 表和电流表的示数，就可以获得光伏阵列的输出特性曲线。 但是电阻法存在有以下的缺点： 1 对于一般的光伏系统，光伏阵列的输出功率都很大，其需要测量电压和电 流较大。为了满足电压和电流的测量等级，必须选用大功率的功率电阻。 由于该电阻体积和重量都很大，不利于现场测量。 2 使用电阻测量光伏阵列，测量过程也很繁琐，一次完整的特性测量需要多 次调节电阻值。由于必须手动调节电阻值，整个测量过程费时费力。 3 手动调节方式仅能在特性曲线上取得有限点数，使得特性曲线呈阶梯状变 化，精度水平很低。同时测量过程不连续，持续过程较长，加之外界环境 条件的不稳定性，温度和照度在整个测量过程中可能会出现变化，因此很 难得到所需环境下的光伏阵列区域特性曲线，将会出现较大的误差。 3 2 2 电子负载法 这是基于变电阻测试原理的一个方法。电子负载阻值变化不需要通过人工手 动实现，可以通过正确控制电子负载的数值，使其等效为阻值从零变化到无穷大 的，并实时采集电子负载两端的工作电压和电流，连接采样点即可得到当前环境 下的光伏阵列的区域特性。当电子负载的等效阻值为零，光伏阵列近似为短路状 态，此时测得的电流为短路电流k ；当电子负载等效阻值为无穷大时，光伏阵 列相当于开路状态，此时测得的电压为开路电压。 1 3 光伏阵列区域特性测试系统的研究与实现 电子负载法需要实现两方面的控制，电子负载数值以及采样电路的控制，控 制比较复杂；其次是当光伏阵列功率较大时，电子负载的体积也相应变大，以致 系统体积增大，同样也不利于现场测试的进行。 3 2 3电容动态充放电法 电容快速充电测试【1 0 】是设计光伏阵列对电容的充电控制主电路，通过测量充 电过程中变化的电压电流来实现阵列区域曲线特性。充电开始时，在功率开关闭 合的瞬间，充电回路的电流为阵列的短路电流k 。当充放电电容的充电电流厶 最终为零时，此时电容电压圪等于阵列的开路电压。测试系统通过电流传感 器和电压传感器对电容的整个充电过程进行全程电流电压采样，这些采样点的组 合就构成了当前环境条件下的光伏阵列伏安特性曲线。 动态电容测试方法优点在于测试过程有控制电路自动完成，测试方便，并且 测试速度快，精度高；控制电路的处理速度快，可均匀采样足够多的点进行处理 分析，得到平滑准确的区域特性曲线，测试得到系统曲线可以直接以曲线形式显 示出来，测试结果很直观。整个测试系统体积小，重量轻，属于便携系统，便于 现场的测试。而其缺点则是需要增加控制电路，并且对采样速度、精度、以及处 理器速度的要求比较高。 综合考虑，根据大功率光伏阵列现场测试的具体情况，电容动态充放电法较 为适合光伏阵列区域特性测试系统的使用。 3 3光伏阵列测试模型选择 光伏阵列测试系统的实现是基于太阳电池的等效电路模型，其外部特性具有 很强的非线性，在使用时，温度、日照强度的变化均可影响系统的p v 及i v 特 性。因此太阳电池的数学模型是否准确合适，控制系统是否稳定可行，是测试系 统设计的关键，也是考核测试系统的主要指标。分析比较各种光伏阵列区域特性 模型，包括多项式模型、指数模型、人工网络模型和工程模型等，并给出他们的 精度评价，选取最适合的算法模型。 3 3 1 泰勒多项式模型 泰勒多项式模型属于线性拟合算法，此算法可以将实测数据平滑处理，达到 很高的拟合精度( 取决于展开的多项式的项数) ，且比较贴近实际应用结果，并 1 4 巾山大学硕十学位论文 从曲线上分辨出光伏阵列组件的缺陷【l l 】。但是其缺点是计算繁复，线性拟合后得 到的大部分参数没有直接的物理意义，展开出来的多项式仅有一个参数( 常数项) 表示短路电流，不能直观得出各个主要的特性参数，要做出理想的拟合效果需要 六次或以上的多项式拟合。泰勒多项式模型形式如下： ，：yc 。v “ ( 3 2 ) _ ” n = o 3 3 2 指数模型 单双指数模型【坦】属于非线性拟合的模型，是拟合算法模型当中较为常用的模 型，与带指数项的太阳电池等效模型i v 特性方程形式相类似。指数拟合算法避 开了大量繁琐的数学问题，只需要少量参数即可完成求解。通过与太阳电池等效 电路模型的类比可知，拟合后得到的参数c o 、c l 、c 2 是有物理意义的，代表、 而、彳等微观物理参量，但是这些微观物理学参量是很难通过测试来确定的，不 利于工程应用。而且使用指数模型做非线性拟合时需要初始参数，算法不够稳定， 非线性拟合问题难点远不是大量反复计算，而是迭代过程发散，因此，需要准确 地选取初值才能得到精度高的拟合模型，指数算法模型达不到工程应用实用简便 的要求。单双指数模型的区别在于是否考虑高低电压暗电流不同的注入方式。因 此较单指数模型而言，双指数模型的精度更高。单指数和双指数模型如下： i = c o + c ie x p ( c 2 y ) ( 3 3 ) i = c o + c te x p ( c 2 y ) + c 3e x p ( c y ) ( 3 - 4 ) 3 3 3 工程模型 考虑到光伏系统设计、数字仿真和模拟时运算速度和计算工作量，提出尽可 能在工程精度下的简化实用工程模型。此模型实质从单指数模型简化得到，它不 需要经过拟合，仅需要阵列几个容易测量的电参数k 、厶、，就能在一 定精度下得到光伏阵列的特性。k 、厶、这四个参数通过电容充电法测 得。此算法实用性强，符合工程应用的需要。 对上述基本的光伏阵列等效电路模型公式( 3 1 ) 进行简化，通常由于( 阳氓，) 低远小于光伏阵列电流，因此可以忽略不计，而尼小于二极管正向导通电阻， 因此近似认为锄= i x 引入待定系数c ，c 2 ，使o = a k t q ，q i x = 厶简化 得出更加实用的光伏阵列工程模型： 1 5 光伏阵列区域特性测试系统的研究与实现 i = ，。一( 1 一c l e x p v ( c 2 v o 。) 】一1 ) ) ( 3 - 5 ) 代入三个主要参数点( 0 ，i ) ，( v m ，i m ) ( v ，o ) 可以计算出 q = ( 1 一l 匕) e x p 一圪( c 2 v 0 9 ( 3 6 ) 一l c 2 = ( v o 。一1 ) 【i n ( 1 一i 。ii 。) 】 ( 3 7 ) 下面通过几组测试数据对三次多项式、单双指数、工程模型的精度水平进行 分析比较。表3 1 可以看出，指数模型的精度是相对较高的，但是与此同时所需 确定的参数也是较多且难测得，在选择算法时只能采取折衷。虽然工程模型的精 度虽然没有指数模型那么高，但是对于运算能力有限的数字处理系统来说，工程 模型较实用简便，运算执行速度快，达到系统的精度要求，更好地提高了数据采 集处理分析的效率。这将为光伏系统在工程精度下的仿真研究和开发带来极大的 方便，因此本测试系统选用工程模型。 表3 1 模型精度比较 u n入 o 0 05 6 4 4 o o5 5 0 8 9 05 3 6 1 3 0 05 1 2 1 5 0 04 8 8 1 7 5 0 4 4 0 1 8 5 04 2 0 1 9 1 04 0 0 2 0 0 03 7 5 2 2 3 2 3 5 02 2 4 0 0 1 8 0 i l i ad l i ：, a 5 7 72 3 0 5 4 8 5 2 83 9 0 5 4 5 5 2 5l 。9 5 5 3 5 5 1 81 0 6 5 1 3 4 9 91 9 5 4 9 3 4 5 i1 9 5 4 5 l 4 2 3o 5 3 4 2 7 4 0 30 5 3 4 1 0 3 6 81 2 4 3 7 9 2 6 75 8 5 2 8 5 l 。6 95 5 0 1 8 l 1 3 28 5 1 1 3 8 d 2 2 8 4 o 8 9 o 。1 8 o 1 8 0 8 9 1 9 5 1 2 4 1 7 7 o 7 l 2 6 舷 3 3 7 7 4 5 1 3 ad 3 5 5 1 2 52 2 6 5 4 7 8 00 3 9 5 3 6 8 lo 1 4 5 1 3 3 5 0 2 似 4 9 2 0 70 7 2 4 4 9 1l1 6 2 4 2 4 4 90 8 0 4 0 7 0 21 2 4 3 7 6 3 0o 2 3 2 8 3 2 02 9 8 1 8 2 1 23 1 7 1 4 | 0 r 7 36 9 6 v a 5 6 4 5 6 0 5 4 8 5 2 3 4 9 9 4 5 3 4 2 5 4 0 6 3 7 2 2 6 9 1 5 7 1 1 l d 4 o o o 1 7 7 2 1 3 1 9 5 1 9 5 2 3 0 0 8 9 1 0 6 0 5 3 5 5 0 7 6 2 1 2 2 3 中山大学硕士学位论文 图3 3 泰勒多项式模型拟合( a ) 三次( b ) 六次 图3 _ 4( a ) 单指数模型( b ) 双指数模型( c ) 工程模型 3 4光伏阵列预估算法的研究 光伏阵列区域特性易受环境因素的影响，其输出功率与日照强度、温度等密 切相关。厂家提供的太阳电池的特征参数都是在标准测试条件下( & ，- = 1 0 0 0 w m 2 ，t r e f = 2 5 c ) 测定的，由于环境条件的多变性，这些参数实际上不能 反映光伏阵列的工作情况。推广算法模型的应用范围，考虑环境因素的影响，基 于上述各种算法模型对光伏阵列区域特性进行预估研究。 3 4 1 基于多项式模型与指数模型的预估 如上文所述，泰勒多项式模型中只显含一个具有物理意义的参数表示短 路电流的常数项，随着环境发生变化模型的各项系数也会发生变化，但是却很难 从泰勒多项式中确定，并没有有效的数论方法去推导任意环境下的泰勒模型，因 此，不采用基于泰勒多项式模型的预估算法利用指数模型进行预估是可行的。 1 7 光伏阵列区域特性测试系统的研究与实现 首先利用一组实测数据通过拟合确定实测环境下的指数模型的各系数值。通过与 光伏阵列的等效电路模型进行类比得出阵列的特性参数值。而针对不同环境可相 应改变指数模型中与环境联系的参数项如温度，可得出任意环境下的特性曲线。 下面简述基于指数模型的预估的实现。运用l s t o p t 软件通过传统的拟合算法与 通用全局算法相结合，可对给定的一组实测数据做出很好的拟合确定模型参数， 该软件的优点是克服在优化计算领域中使用迭代法必须给出合适初始值的 难题，即用户勿需给出参数初始值，而由l s t o p t 软件随机给出，通过其独 特的全局优化算法，最终找出最优解。温度的改变直接体现在指数方程其中， 可代换出，而照度影响反映在短路电流项( 。k ) ，= i 。一i 。e x p ( q v a k t ) ( 3 8 ) i = 疋一i 。e x p ( q v a k t ) ( 3 - 9 ) 图3 - 5 基于指数模型的预估 但是初值的选取对指数模型拟合很关键，而且只能够在接近的环境条件下达 到工程精度要求，不适合工程的应用。 3 4 2 基于工程模型的预估 工程模型仅仅需要与环境联系的四个重要特性参数就可以大致还原光伏阵 列的特性曲线。考虑环境变化对四个重要参数的影响【1 8 】并利用实测环境- f n 得的 k 、厶、，可得到任意环境下的四个参数值，结合工程模型，能以较高的 精度得出任意环境下光伏阵列的输出特性。实现光伏阵列区域特性的预估。 a t t _ 丁l ( 3 1 0 ) s = 旦一l ( 3 1 1 ) s 嘭 1 8 l 一山大学硕十学位论文 ，：! 竖兰! ! ! ! 垒! ! ! ( 3 1 2 ) s ( 1 + a a t ) 矿：v o 。( 1 - c a t ) l n ( e + b a s ) ( 3 - 1 3 ) 7 ( 1 一c a t ) l n ( e + b a s ) ，：厶塑坐旦 ( 3 1 4 ) 砌 s ( 1 + 口a t ) 矿：v m ( 1 - c a t ) l n ( e + b a s ) ( 3 1 5 ) ( 1 一c a t ) l n ( e + b a s ) 系数a ，b ，c 的典型值为：a = o 0 0 2 5 * c ，b = o 5 ，c = o 0 0 2 8 8 为区别各光 伏阵列特征参数，将它们分别定义为标准条件下断，砀；实际测量下k ， 厶、s 、乃预估的新环境下，0 、，、s ，r 。这一种预估算法能 够较准确地拟合出任意条件下的光伏阵列特性，计算简便最适于工程应用，因此 本测试系统洗用此模犁作j 项估友卜理。 1 9 光扶阵列区域特性猫试系统的研究与实现 第四章基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的软硬件实现 4 1 光伏阵列区域特性测试系统整体设计 光伏阵列区域特性测试装置由电容快速充电测试法的主电路，数据采集控制 处理单元(