CN103235250A - 一种光伏阵列i-v特性测试装置及其测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光伏阵列I-V特性测试装置及其测试方法。该测试装置用于测量待测光伏阵列的I-V特性，其包括控制电路、驱动电路、显示电路。驱动电路为至少一个场效应功率管，该控制电路用于通过控制至少一个场效应功率管的驱动电压VGS的大小来改变待测光伏阵列的输出电流大小，以模拟待测光伏阵列的可变负载，同时还用于在不同负载下采样待测光伏阵列的电压值和电流值。该显示电路显示待测光伏阵列在不同负载下的电压值和电流值，并由此描绘出该待测光伏阵列的I-V曲线。本发明的优点在于：仅采用场效应功率管（MOSFET）作为控制电路的功率开关，因而体积小、重量轻、成本低且可靠性高。本发明还公开了该测试装置的测试方法。

Description

一种光伏阵列I-V特性测试装置及其测试方法
技术领域
本发明涉及一种测试装置及其测试方法，尤其涉及一种光伏阵列I-V特性测试装置及其测试方法。
背景技术
光伏阵列作为光伏发电***中的核心部件之一，其实际发电量往往容易受自身内部因素和外界环境因素影响，因此，为较准确对实际光伏***发电量进行预估，须对现场安装的光伏阵列进行相应测试。光伏阵列I-V测试仪便是一种对光伏阵列进行现场测试的装置，以获得光伏阵列伏安特性曲线，从而为光伏电站控制及设计水品评价提供参考数据。
目前光伏阵列I-V测试仪通常采用动态电容充电的方法，主电路结构如图1所示，其基本工作原理是，首先将开关S2打开，通过电阻R1放电回路将电容C1储存电荷放完，保持电容C1处于零电压初始状态。然后关断开关S2同时打开开关S1进行测试，开关S1开通瞬间由于电容阻抗几乎为零即负载最大，光伏阵列相当于短路，所采集的电流即为短路电流。其中，DSP通过发出信号T1、T2对开关S1、开关S2进行控制；ADC对通过阵列电流A与阵列电压V进行采样。随后在光伏阵列充电下，电容电压逐渐升高，阵列电流慢慢减小，也就相当于光伏阵列负载减小。最后当电容电压上升到阵列开路电压时，充电电流降为零，此时相当于负载为零，测得电压即为光伏阵列开路电压。通过记录这一工作过程的电压电流值，就可得到光伏阵列的I-V曲线，并在显示屏上进行显示。
然而，尽管这一方法可获得光伏阵列I-V曲线，但主要存在以下不足：由于采用电容器作为可变负载，电流的大小对充放电时间影响很大，因此，不同的日照强度，其充放电时间变化较大，如果电压电流变化太快，则会影响测量精度。如果要满足电压电流变化率要求，就必须增加电容量，也就是增加体积和重量。此外，由于电流电压不存在稳定状态，在测量精度校验方面存在困难。
发明内容
针对目前光伏阵列I-V测试装置存在的上述不足，本发明提供一种体积小、重量轻、成本低且可靠性高的光伏阵列I-V测试装置及其测试方法。本发明仅采用场效应功率管（MOSFET）作为主电路功率开关，省去一般光伏阵列I-V测试仪中的电容器组及放电回路，根据MOSFET控制特性，通过控制MOSFET驱动信号电压VGS大小来模拟待测光伏阵列的负载，从而得到待测光伏阵列的I-V曲线。
本发明是这样实现的，一种光伏阵列I-V特性测试装置，其用于测量待测光伏阵列的I-V特性，该测试装置包括控制电路、以及均与该控制电路电性连接的驱动电路与显示电路，该驱动电路还电性连接于该待测光伏阵列，其中：该驱动电路为至少一个场效应功率管，该控制电路用于通过控制该至少一个场效应功率管的驱动电压VGS的大小来改变该待测光伏阵列的输出电流大小，以模拟该待测光伏阵列的可变负载，同时还用于在不同负载下采样该待测光伏阵列的电压值和电流值，该显示电路用于显示该待测光伏阵列在不同负载下的该电压值和该电流值，并根据不同负载下的该电压值和该电流值描绘出该待测光伏阵列的I-V曲线。
作为上述方案的进一步改进，该控制电路具有与该至少一个场效应功率管对应的至少一个控制端，该至少一个场效应功率管的栅极电性连接于该控制电路的相应控制端，源极与漏极分别连接于该待测光伏阵列的输入端与输出端，因而当场效应功率管的数量为多个时，所有的场效应功率管呈并联的连接方式。
优选地，该控制电路包括电压和电流采样调理电路、以及数据处理DSP最小***电路，该电压和电流采样调理电路用于采集该待测光伏阵列的电压值和电流值，该至少一个控制端设置在该数据处理DSP最小***电路上，该数据处理DSP最小***电路还电性连接于该显示电路与该电压和电流采样调理电路之间。
作为上述方案的进一步改进，该显示电路为PC机或液晶屏。
作为上述方案的进一步改进，该至少一个场效应功率管的驱动电压VGS形成的曲线为任意曲线。
优选地，该至少一个场效应功率管的驱动电压VGS形成的曲线为斜线。
本发明还提供一种光伏阵列I-V特性测试方法，其应用于上述光伏阵列I-V特性测试装置中。该测试装置包括控制电路、以及均与该控制电路电性连接的驱动电路与显示电路，该驱动电路还电性连接于该待测光伏阵列，其中：该驱动电路为至少一个场效应功率管，该控制电路用于通过控制该至少一个场效应功率管的驱动电压VGS的大小来改变该待测光伏阵列的输出电流大小，以模拟该待测光伏阵列的可变负载，同时还用于在不同负载下采样该待测光伏阵列的电压值和电流值，该显示电路用于显示该待测光伏阵列在不同负载下的该电压值和该电流值，并根据不同负载下的该电压值和该电流值描绘出该待测光伏阵列的I-V曲线。该测试方法包括以下步骤：
0~t0起始阶段，该控制电路控制该至少一个场效应功率管的驱动电压VGS从零开始增加，这一阶段由于该至少一个场效应功率管的驱动电压VGS小于门槛电压Vth，该至少一个场效应功率管处于关断状态，该待测光伏阵列开路，采样期间该待测光伏阵列的电压和电流，该待测光伏阵列的电压即为开路电压U0，该待测光伏阵列的电流则为零；
t0~t1阶段，该控制电路控制该至少一个场效应功率管的驱动电压VGS继续增加，由于驱动电压VGS大于门槛电压Vth，该至少一个场效应功率管导通工作于饱和区，此时该至少一个场效应功率管等效为一个电压控制电流源，该待测光伏阵列的电流增大同时伴随着该待测光伏阵列的电压减小，在t1时刻，驱动电压VGS增加到最大值，此时该至少一个场效应功率管相当于短路，该待测光伏阵列的电流也增加到最大值即为短路状态，同时该待测光伏阵列的电压下降为零；
t1~t2阶段，该控制电路控制该至少一个场效应功率管的驱动电压VGS保持不变，维持一定时间短路状态后，在t2时刻封锁该至少一个场效应功率管的驱动信号，在t0~t2时间内，该控制电路实时采集该待测光伏阵列的电压值和电流值，并由该显示电路显示数据及描绘显示阵列I-V曲线，所得该待测光伏阵列的I-V曲线。
作为上述方案的进一步改进，该控制电路具有与该至少一个场效应功率管对应的至少一个控制端，该至少一个场效应功率管的栅极电性连接于该控制电路的相应控制端，源极与漏极分别连接于该待测光伏阵列的输入端与输出端，因而当场效应功率管的数量为多个时，所有的场效应功率管呈并联的连接方式。
优选地，该控制电路包括电压和电流采样调理电路、以及数据处理DSP最小***电路，该电压和电流采样调理电路用于采集该待测光伏阵列的电压值和电流值，该至少一个控制端设置在该数据处理DSP最小***电路上，该数据处理DSP最小***电路还电性连接于该显示电路与该电压和电流采样调理电路之间。
作为上述方案的进一步改进，该至少一个场效应功率管的驱动电压VGS形成的曲线为任意曲线。
与已有技术相比，本发明的光伏阵列I-V测试装置及其测试方法，其电路结构简单，仅由一MOSFET（或多个并联）组成，利用MOSFET控制特性来模拟待测光伏阵列的负载，省去了一般光伏阵列I-V测试仪中电容器和辅助放电回路，因而***装置无论从体积和成本，还是从可靠性方面，都具有极大优势，目前动态电容法中，一旦电容确定则充电时间固定，测量过程不可控，而本发明中MOSFET驱动电压VGS曲线并非一定为斜线，可通过该控制电路的数据处理DSP最小***电路设定任意曲线，从而得到不同的光伏阵列负载曲线，这也使得测试精度大大提高且控制更为灵活。
附图说明
图1是目前光伏阵列I-V测试仪的主电路结构图。
图2是本发明较佳实施方式提供的光伏阵列I-V特性测试装置的电路结构示意图。
图3是图1中测试装置的场效应功率管的驱动信号VGS控制及待测光伏阵列的电压电流示意图。
图4是应用图1中测试装置获得的光伏阵列I-V测试曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图2，其是本发明较佳实施方式提供的光伏阵列I-V特性测试装置的电路结构示意图。光伏阵列I-V特性测试装置用于测量待测光伏阵列1的I-V特性，该测试装置包括控制电路2、以及均与该控制电路2电性连接的驱动电路3与显示电路4，该驱动电路3还电性连接于该待测光伏阵列1。
该驱动电路3为至少一个场效应功率管（MOSFET）S11，在本实施方式中，场效应功率管S11的数量以一个为例进行举例说明。
该控制电路2通过控制场效应功率管S11的驱动电压VGS的大小来改变该待测光伏阵列1的输出电流大小，以模拟该待测光伏阵列1的可变负载，同时还用于在不同负载下采样该待测光伏阵列1的电压值和电流值。该控制电路2包括电压和电流采样调理电路（ADC）5、以及数据处理DSP最小***电路（DSP）6。
数据处理DSP最小***电路6设置有与场效应功率管S11数量相同的控制端T11，场效应功率管S11的栅极G电性连接于相应的控制端T11，源极S与漏极D分别连接于该待测光伏阵列1的输入端与输出端，因而当场效应功率管S11的数量为多个时，所有的场效应功率管S11呈并联的连接方式。
该数据处理DSP最小***电路6还电性连接于该显示电路4与该电压和电流采样调理电路5之间。该电压和电流采样调理电路5用于采集该待测光伏阵列1的电压值和电流值。
该显示电路4用于显示该待测光伏阵列1在不同负载下的该电压值和该电流值，并根据不同负载下的该电压值和该电流值描绘出该待测光伏阵列1的I-V曲线。该显示电路4可为显示屏、显示器或PC机，在本实施方式中为显示屏。
在光伏发电***中，为准确预估光伏阵列发电量，须现场对光伏阵列在不同负载下的伏安特性进行测试。因而，作为光伏阵列I-V曲线测试装置（即光伏阵列I-V特性测试装置），需要满足两点：一是负载模拟；二是不同负载下光伏阵列电压电流信号采集。
本实施方式的光伏阵列I-V曲线测试装置的驱动电路3仅有一个MOSFET组成，该测试装置的基本工作原理是：***通过对功率管MOSFET驱动信号电压控制，进而控制MOSFET漏源电流即光伏阵列输出电流，利用MOSFET漏源电流变化来模拟光伏阵列1的可变负载，同时快速采集这一工作过程下阵列电压和电流值，以获得光伏阵列I-V曲线。
请结合图3，本实施方式的光伏阵列I-V曲线测试装置的具体工作过程为：如图3中的(a)所示，0~t0起始阶段，利用数字信号处理器DSP(也可采用其他主控芯片如单片机等)的数模DA转换器，即数据处理DSP最小***电路6，使MOSFET的驱动电压VGS从零开始增加，这一阶段由于MOSFET驱动电压VGS小于门槛电压Vth，MOSFET处于关断状态，待测光伏阵列1开路，期间待测光伏阵列1的电压即为开路电压Uo(如图3(c)所示)，待测光伏阵列1的电流则为零。利用电压电流传感器检测光伏阵列电压电流值并保存，此时所测得电压即为待测光伏阵列1的开路电压U0。
t0~t1阶段，通过DSP数模DA转换器继续增加驱动电压VGS，由于驱动电压VGS大于门槛电压Vth，MOSFET导通工作于饱和区，此时MOSFET等效为一个电压控制电流源，该待测光伏阵列1的电流增大同时伴随着该待测光伏阵列1的电压减小，如图3(b)和(c)所示。这里MOSFET驱动电压VGS曲线并非一定为斜线，可通过DSP数模DA控制器设定任意曲线，从而得到不同的待测光伏阵列1的负载曲线，这也使得控制更为灵活。从图3中可看出，在t1时刻，驱动电压VGS增加到最大值，此时MOSFET相当于短路，待测光伏阵列1的电流也增加到最大值即为短路状态，同时待测光伏阵列1的电压下降为零。
t1~t2时间内，保持驱动电压VGS不变，维持一定时间短路状态后，在t2时刻封锁驱动信号VGS。在t0~t2时间内，AD采样电路即电压和电流采样调理电路5实时采集待测光伏阵列1的电压值和电流值，并送入DSP主控芯片，经DSP处理后通过通讯接口传送至显示屏，由显示屏显示数据及描绘显示阵列I-V曲线，所得光伏阵列I-V曲线示意图如图4所示。由此可见，通过MOSFET驱动信号电压控制的方法，可模拟得到不同负载下光伏阵列的I-V曲线，与一般光伏阵列I-V测试仪相比，本发明的测试装置中省去了电容器和放电电路，具有体积小、重量轻以及成本低等优势。
总是所述，本发明的光伏阵列I-V测试装置及其测试方法，其电路结构简单，仅由一MOSFET（或多个并联）组成，利用MOSFET控制特性来模拟待测光伏阵列的负载，省去了一般光伏阵列I-V测试仪中电容器和辅助放电回路，因而***装置无论从体积和成本，还是从可靠性方面，都具有极大优势，且测试精度得到大大提高；MOSFET驱动电压VGS曲线并非一定为斜线，可通过该控制电路的数据处理DSP最小***电路设定任意曲线，从而得到不同的光伏阵列负载曲线，这也使得控制更为灵活。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光伏阵列I-V特性测试装置，其用于测量待测光伏阵列的I-V特性，该测试装置包括控制电路、以及均与该控制电路电性连接的驱动电路与显示电路，该驱动电路还电性连接于该待测光伏阵列，其特征在于：该驱动电路为至少一个场效应功率管，该控制电路用于通过控制该至少一个场效应功率管的驱动电压VGS的大小来改变该待测光伏阵列的输出电流大小，以模拟该待测光伏阵列的可变负载，同时还用于在不同负载下采样该待测光伏阵列的电压值和电流值，该显示电路用于显示该待测光伏阵列在不同负载下的该电压值和该电流值，并根据不同负载下的该电压值和该电流值描绘出该待测光伏阵列的I-V曲线。
2.如权利要求1所述的光伏阵列I-V特性测试装置，其特征在于：该控制电路具有与该至少一个场效应功率管对应的至少一个控制端，该至少一个场效应功率管的栅极电性连接于该控制电路的相应控制端，源极与漏极分别连接于该待测光伏阵列的输入端与输出端，因而当场效应功率管的数量为多个时，所有的场效应功率管呈并联的连接方式。
3.如权利要求2所述的光伏阵列I-V特性测试装置，其特征在于：该控制电路包括电压和电流采样调理电路、以及数据处理DSP最小***电路，该电压和电流采样调理电路用于采集该待测光伏阵列的电压值和电流值，该至少一个控制端设置在该数据处理DSP最小***电路上，该数据处理DSP最小***电路还电性连接于该显示电路与该电压和电流采样调理电路之间。
4.如权利要求1所述的光伏阵列I-V特性测试装置，其特征在于：该显示电路为PC机或液晶屏。
5.如权利要求1所述的光伏阵列I-V特性测试装置，其特征在于：该至少一个场效应功率管的驱动电压VGS形成的曲线为任意曲线。
6.如权利要求5所述的光伏阵列I-V特性测试装置，其特征在于：该至少一个场效应功率管的驱动电压VGS形成的曲线为斜线。
7.一种光伏阵列I-V特性测试方法，其应用于如权利要求1所述的光伏阵列I-V特性测试装置中，其特征在于：该测试方法包括以下步骤：
0~t0起始阶段，该控制电路控制该至少一个场效应功率管的驱动电压VGS从零开始增加，这一阶段由于该至少一个场效应功率管的驱动电压VGS小于门槛电压Vth，该至少一个场效应功率管处于关断状态，该待测光伏阵列开路，采样期间该待测光伏阵列的电压和电流，该待测光伏阵列的电压即为开路电压U0，该待测光伏阵列的电流则为零；
t0~t1阶段，该控制电路控制该至少一个场效应功率管的驱动电压VGS继续增加，由于驱动电压VGS大于门槛电压Vth，该至少一个场效应功率管导通工作于饱和区，此时该至少一个场效应功率管等效为一个电压控制电流源，该待测光伏阵列的电流增大同时伴随着该待测光伏阵列的电压减小，在t1时刻，驱动电压VGS增加到最大值，此时该至少一个场效应功率管相当于短路，该待测光伏阵列的电流也增加到最大值即为短路状态，同时该待测光伏阵列的电压下降为零；
t1~t2阶段，该控制电路控制该至少一个场效应功率管的驱动电压VGS保持不变，维持一定时间短路状态后，在t2时刻封锁该至少一个场效应功率管的驱动信号，在t0~t2时间内，该控制电路实时采集该待测光伏阵列的电压值和电流值，并由该显示电路显示数据及描绘显示阵列I-V曲线，所得该待测光伏阵列的I-V曲线。
8.如权利要求7所述的光伏阵列I-V特性测试方法，其特征在于：该控制电路具有与该至少一个场效应功率管对应的至少一个控制端，该至少一个场效应功率管的栅极电性连接于该控制电路的相应控制端，源极与漏极分别连接于该待测光伏阵列的输入端与输出端，因而当场效应功率管的数量为多个时，所有的场效应功率管呈并联的连接方式。
9.如权利要求8所述的光伏阵列I-V特性测试方法，其特征在于：该控制电路包括电压和电流采样调理电路、以及数据处理DSP最小***电路，该电压和电流采样调理电路用于采集该待测光伏阵列的电压值和电流值，该至少一个控制端设置在该数据处理DSP最小***电路上，该数据处理DSP最小***电路还电性连接于该显示电路与该电压和电流采样调理电路之间。
10.如权利要求7所述的光伏阵列I-V特性测试方法，其特征在于：该至少一个场效应功率管的驱动电压VGS形成的曲线为任意曲线。
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