CN104967406B - 一种光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器及其测量方法，用来测量太阳能光伏发电***光伏组件阵列直流发电特性，其中，所述光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器包括：一本体，所述本体上设置有控制面板，所述本体内设置有：用于测量开路输出电压和短路输出电流的静态测量装置和用于测量电流‑电压特性的动态测量装置。在使用时通过静态测量和动态测量得到开路输出电压、短路输出电流、最大输出功率、填充系数以及产生最大功率点的电压和电流。其增大了功率测量范围，且通过现场测得的最大功率推出实验室标准条件下测得的最大功率，具有很好的推广应用前景。

Description

一种光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器及其测量方法

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，特别涉及一种光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器及其测量方法。

背景技术

太阳能发电分为光热发电和光伏发电。通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电”。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏电站是将设备和发电以及监测集成的***，他监视着发电单元和发电量。我国目前已经建成近百座兆瓦级的光伏电站，新的五年发展计划，又在向分布式光伏电站和屋顶光伏电站和建筑一体化光伏电站发展。

光伏发电类型可分为直流光伏发电***（如图1所示，其包括：太阳能电池方阵、控制器、直流负载和蓄电池组，所述控制器分别连接太阳能电池方阵、直流负载和蓄电池组。）、直流—交流发电***（如图2所示，其包括：太阳能电池方阵、控制器、直流负载、直流/交流逆变器、交流负载和蓄电池组），光伏-风电互补发电***等。而无论哪种发电类型，最基本的构造是太阳能电池方阵中的光伏电池板（P-V组件）阵列（简称光伏组件阵列）。光伏组件阵列将太阳的光辐照转换为直流电，再通过逆变器将直流电转换成可以并网或电工电子产品可直接使用的220V交流电。根据电站容量大小，光伏组件阵列可以为20片一组（称为组串），大型光伏电站的光伏组件阵列会超过10万片（分组）。

无论何种类型的光伏电站，建造方、运营方和业主都需要准确知道光伏电站的性能参数、发电量是否满足合同要求。光伏电站的交流发电量可以通过功率表测量，此时交流电网作为光伏发电***的负载。但是，光伏电站最主要工程部分是光伏组件阵列，其发出的是直流高压电，无论从工程合同管理角度还是数据准确性的要求，都不能用逆变器交流并网的电功率数据替代直流侧的光伏组件阵列的直流发电数据，必须另外测量。光伏组件阵列的直流参数主要为开路电压，短路电流和最大输出功率。开路电压和短路电流可以按照传统方法使用直流电压表和电流表测量，但是最大输出功率测量需要配备模拟直流负载。而实践中这种超大功率直流负载由于体积、重量的原因，既不能运到荒漠光伏电站现场（沙漠或山顶），也不能运到分布式光伏电站的屋顶，因此，光伏组件阵列的直流发电特性需要采用特殊方法测量。

目前，国际标准IEC60904-2推荐使用电容充电方法测量。已经有日本、意大利以及国内某大学研究和推出了采用这种测量方法的测量仪器。但是，这类工作原理的仪器存在以下问题:

（1）功率测量范围太小，只能测到10kW；

（2）只能测量电压－电流曲线函数（动态参数）；而国际标准推荐的这种电容充放电测量原理由于测量结果是电压－电流曲线函数，属于非国际单位制（SI单位），在我国目前还没有建立起相应的校准和量值溯源体系；因此这类工作原理的仪器目前还不能计量校准，因此，数据会引起质疑甚至合同纠纷;

（3）目前的测量仪器均采用工业控制计算机进行采样控制，液晶触摸屏操作，实践表明，在露天作业场所，强烈的太阳光光照使得液晶屏数据分辨不清，且电源消耗偏大，除非选择特定的电池，否则很难工作一整天。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器及其测量方法，用来测量太阳能光伏发电***光伏组件阵列直流发电特性，增大了功率测量范围，且通过现场测得的最大功率推出实验室标准条件下测得的最大功率，具有很好的推广应用前景。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器，用于测量太阳能光伏发电***中光伏组件阵列的直流发电特性，其中，所述测量仪器包括一本体，所述本体上设置有控制面板，所述本体内设置有：用于测量开路输出电压和短路输出电流的静态测量装置和用于测量电流-电压特性的动态测量装置；所述控制面板上进一步包括用于选择测量开路输出电压、短路输出电流或电流-电压特性的功能选择开关；

所述功能选择开关与静态测量装置和动态测量装置相连。

所述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器，其中，所述静态测量装置包括：

双显数字电压－电流表，其开路电压测量范围为0－1000Vdc；短路电流测量范围为0－200Adc。

所述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器，其中，所述动态测量装置包括：

直流高压电容器和用于采集充电过程中直流高压电容器上的电压和电流随时间变化的数据采集器。

所述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器，其中，所述本体内还设置有二路充电回路，其中，一路是电容量为3400μF的高容量充电回路；另一路是500μF的小容量充电回路。

所述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器，其中，所述本体内设置有报警装置，所述控制面板上设置有相应的声/光警报器；所述报警装置与声/光警报器相连。

所述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器，其中，所述本体内还设置有两功率开关，其分别连接被测光伏阵列组件正、负输入回路；每一功率开关均并联一继电器开关。

所述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器，其中，所述本体上还具有一外部存储设备连接口，所述外部存储设备连接口与数据采集器相连。

所述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器，其中，还包括一外接的锂聚合物电池。

一种上述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器的测量方法，其中，包括：

根据用户的控制指令，控制面板上的功能选择开关选择测量开路输出电压、短路输出电流或电流-电压特性；则与此相对应的静态测量装置测量开路输出电压和短路输出电流；动态测量装置测量电流-电压特性。

所述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器的测量方法，其中，所述动态测量装置测量电流-电压特性具体包括：

通过光伏组件阵列向直流高压电容器充电，数据采集器以一定的采集速率采集充电过程中电容器上的电压、电流随时间变化，并得出对应的时间函数关系，然后，将数据采集器得到的各个时间点电压与时间的函数关系以及电流与时间的函数关系进行坐标变换，转换成输出电压与输出电流的函数关系，即电流-电压特性。

所述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器的测量方法，其中，还包括：通过现场测得的最大功率推出实验室标准条件下测得的最大功率。

相较于现有技术，本发明提供的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器及其测量方法，用来测量太阳能光伏发电***光伏组件阵列直流发电特性，其中，所述光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器包括：一本体，所述本体上设置有控制面板，所述本体内设置有：用于测量开路输出电压和短路输出电流的静态测量装置和用于测量电流-电压特性的动态测量装置。在使用时通过静态测量和动态测量得到开路输出电压、短路输出电流、最大输出功率、填充系数以及产生最大功率点的电压和电流。其增大了功率测量范围，且通过现场测得的最大功率推出实验室标准条件下测得的最大功率，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1为直流光伏发电***的示意图。

图2为直流—交流发电***的示意图。

图3为本发明实施例提供的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器的本体内的结构与信号示意图。

图4为本发明实施例提供的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器的控制面板的表面示意图。

具体实施方式

本发明提供一种光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器及其测量方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。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。

本发明提供了一种光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器，用于测量太阳能光伏发电***中光伏组件阵列的直流发电特性，其中，所述测量仪器包括一本体，所述本体上设置有控制面板，所述本体内设置有：用于测量开路输出电压和短路输出电流的静态测量装置和用于测量电流-电压特性的动态测量装置；所述控制面板上进一步包括用于选择测量开路输出电压、短路输出电流或电流-电压特性的功能选择开关（其与图2中本体内的功能选择器件10相对应）；所述功能选择开关与静态测量装置和动态测量装置相连。

体来说，如图3所示，所述静态测量装置采取传统的电学测量方法，以0.5％精度的双显数字电压－电流表100直接测量光伏组件阵列的开路输出电压Voc和短路输出电流Isc，开路电压测量范围为0－1000Vdc；短路电流测量范围为0－200Adc，其中，10A的短路电流采用双显数字电压－电流表100直接测量，50A和200A二档位采用专门定制的10mΩ精密大电流取样电阻210，由另一数字电压表（即第二数字电压表）200读取该取样电阻210上的电压降，并由所述第二数字电压表200直接给出被测电流值。由于直流电压和直流电流为国际SI单位，我国早已建立了完善的、可以与国际基准比对的量值溯源体系，因此，该仪表经过校准后，读取的数据可以溯源到国际单位（SI），也必然获得合同各方认可和接受。

所述动态测量装置采用国际标准IEC60904-2推荐的电容充电测量原理。与其它采用工控机的测量原理不同，本仪器采用数据采集器和专用软件测量光伏发电***的I-V特性，包括开路输出电压Voc、短路输出电流Isc和最大输出功率Pm以及导出的填充系数F.F.等共6个参数。其测量原理是：使光伏组件阵列向仪器中的直流高压电容器300充电，数据采集器400以4096kB的采集速率采集充电过程中直流高压电容器300上的电压、电流随时间变化，并得出对应的时间函数关系。显然，充电刚刚开始时，由于直流高压电容器300上还没有电荷，此时可得到最大的充电电流，即短路电流Isc。同样，在充电过程结束时，充电电流已经为0，此时得到最大的直流输出电压，即开路电压Voc，然后将数据采集器400得到的各个时间点电压与时间的函数关系以及电流与时间的函数关系进行坐标变换，也就是把电压－时间函数V ∝ t和电流－时间函数I ∝ t转换成输出电压与输出电流的函数关系，即I∝V特性，并进一步导出包括最大输出功率Pm，以及产生最大功率点的电压Vpm和电流Ipm，以及填充系数F.F.。

如上所述，测得的6个参数属于动态参数，不能通过仪器校准得知动态参数的准确性，但是，由于本仪器配备了传统的电压、电流测量仪表并经过校准，用户可以通过静态数据与动态数据进行比对，根据各个数据之间的内在关系进行修正，也就是通过校准的静态数据推算出最大功率和填充系数。

进一步地，光伏组件阵列最大输出功率的现场测试结果取决于现场太阳光辐照功率、辐照角度条件以及环境温度，导致现场测得的最大功率与实验室标准条件下测得的最大功率不吻合，与电池板出厂所标称的最大功率值也不吻合，经常会导致合同纠纷。本仪器为此增加了将现场测得的实际最大功率数据推算到试验室标准条件（STC）或出厂标准条件下的最大输出功率的功能。该功能基于所使用的数据采集器的直流特性输出与太阳光辐照度在一定范围内成正线性关系；基于光伏电池板输出功率与样品表面温度成负线性关系。测试时，只要把已知的或本仪器给出的辐照度读数和样品表面温度读数输入到测试软件中的对应窗口中，软件就会自动给出推算到标准条件下的最大输出功率。推算功率的辐照度因子和温度系数基于光伏行业公认的数据以及参照国际标准和文献，例如，对于晶体硅光伏电池板，－0.48％每摄氏度。客户也可以自行携带太阳光辐照度仪和温度计，并将测量的辐照度和温度数据填入软件相关窗口中，得出STC条件下的最大功率。

更进一步地，为了获得准确的动态数据，采集器需要读取进入稳态充电过程后的数据，也就是需要选取合适的充电时间。时间过短，初始不稳定状态所占时间比例过大，有效数据不足，会影响数据准确性；时间过长，就会要求充电电容容量足够大，导致仪器体积过大和重量过重，失去了便携式仪器应有的特点。经过反复比对试验，充电时间选定为5ms-30ms之间比较合适。综合考虑到本仪器最小测量单片电池板250W（50V、5A）、而大型荒漠光伏电站最大测量范围约200kW（900V、200A）的测量范围要求，这样宽泛的充电电流和电压，要求的充电时间就会也很宽泛。为此，如图3所示，直流高压电容器300设计为二路充电回路，一路是电容量为3400μF的高容量充电回路，适用于大功率、大电流光伏发电***，例如光伏电站；还有一路是500μF的小容量充电回路，适用于小功率、低电流光伏发电***，例如分布光伏电站。

由于光伏电池板属于恒流输出，以开路电压500V、最大电流200A，最小电流10A为例，可以由公式计算出二个充电回路的充电时间：

另外，光伏电站输出的直流电流不仅取决于光伏电站的功率设计，也取决于太阳光的辐照度。标称值为8A的电池板当早晨或下午光照不足时，输出电流可能降低为2A，此时，25ms的充电时间就会延长到100ms，此充电时间仍属于合适的时间范围。本仪器设计上由操作人员通过面板开关在高容量或低容量的二个充电回路之间手动选择。

另外，除了合理选择充电时间外，合理设计取样电阻也直接关系到仪器的准确度。串接在充电回路的取样电阻上的电压降是恒定的，而电容器上的充电电压是随充电时间线性增加的，如果恒定电压相对线性增加电压超过一定比例，就会影响充电电压的线性度。本仪器适用电流范围从10A－200A，如果选择单一取样电阻，对于大电流，会由于电阻偏大而恒定电压比例过大，影响曲线非线性；对于小电流，又会由于电阻偏小而有用测量数据信号相比背景噪声太弱，影响数据准确性，必须在很宽的使用范围内合理选择取样电阻。本测量仪器设计上采用三级取样电阻，分别对应于10A小电流档，50A中电流档，200A大电流档。由操作人员通过控制面板开关进行选择，如图4所示。

更进一步地，为了避免因操作不慎烧毁取样电阻，本仪器还设计了大电流报警功能，置于200A档时，如果没有正确选择取样电阻，仪器面板（即控制面板）会发出声、光警报，提醒操作人员合适选择，静态取样电阻温度过高时，温控器会切断测量回路，温度回复正常后，会重新复位。采取上述措施，可使得本仪器适用范围和数据准确性、分辨率大大提高，不仅适用于大功率的荒漠电站，也适用于分布式、屋顶式中小功率电站，甚至可用于单片光伏电池板的测试。

更进一步地，如图3所示，本光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器在连接被测光伏阵列组件正、负输入回路各设置了一个大功率开关（如图3所示，即第一测试开关510和第二测试开关520），并且冗余并联了继电器开关（即第一继电器610和第二继电器620），其目的是是本仪器浮地测量，无论手动测量，还是自动测量，都将确保对地为＋900V或对地－900V的高压只是在启动测试瞬间通过仪器的测量回路，确保操作人员的人身安全。

更进一步地，如图3所示，所述本体上还具有一外部存储设备连接口710（比如USB连接口），所述外部存储设备连接口710与数据采集器400相连。光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器静态参数测量（测量开路电压和短路电流）时不需要连接计算机，只要为测量仪器连接外部直流电源即可。为方便测量，可以将测量的数据通过采集器存储到USB上，可以在测量结束后读取和处理数据（客户选用）。本测量仪器动态参数测量（测量开路电压Voc和短路电流Isc最大输出功率Pm，以及产生最大功率点的电压Vpm和电流Ipm，并据此计算出填充系数F.F.）时，需要连接笔记本电脑，读取、处理和保存采集器获取的数据，此测量不需要为仪器供电，笔记本电脑通过USB数据线为采集器供电。

另外，尽管本仪器消耗电量比工控机和液晶显示屏方式的仪器明显要小，考虑到保证现场一天的作业时间，仍需要使用容量足够大的电池。本仪器选用16000mA/12V-16V-19V的高容量锂聚合物电池，设计上采用外接方式，连接仪器后可以显示锂聚合物电池的剩余电压。这种外挂电源的方式一方面确保便携式仪器在航空携带和运输过程中的安全，另一方面分解了本仪器的重量，同时，该电池还可以为笔记本电脑充电。

本发明还提供了一种上述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器的测量方法，其包括：

根据用户的控制指令，控制面板上的功能选择开关选择测量开路输出电压、短路输出电流或电流-电压特性；则与此相对应的静态测量装置测量开路输出电压和短路输出电流；动态测量装置测量电流-电压特性。

进一步地，所述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器的测量方法中，所述动态测量装置测量电流-电压特性具体包括：

通过光伏组件阵列向直流高压电容器充电，数据采集器以一定的采集速率采集充电过程中电容器上的电压、电流随时间变化，并得出对应的时间函数关系，然后，将数据采集器得到的各个时间点电压与时间的函数关系以及电流与时间的函数关系进行坐标变换，转换成输出电压与输出电流的函数关系，即电流-电压特性。另外，还包括：通过现场测得的最大功率推出实验室标准条件下测得的最大功率。

综上所述，本发明提供的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器及其测量方法，用来测量太阳能光伏发电***光伏组件阵列直流发电特性，其中，所述光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器包括：一本体，所述本体上设置有控制面板，所述本体内设置有：用于测量开路输出电压和短路输出电流的静态测量装置和用于测量电流-电压特性的动态测量装置。在使用时通过静态测量和动态测量得到开路输出电压、短路输出电流、最大输出功率、填充系数以及产生最大功率点的电压和电流。其增大了功率测量范围，且通过现场测得的最大功率推出实验室标准条件下测得的最大功率，具有很好的推广应用前景。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器，用于测量太阳能光伏发电***中光伏组件阵列的直流发电特性，其特征在于，所述测量仪器包括一本体，所述本体上设置有控制面板，所述本体内设置有：用于测量开路输出电压和短路输出电流的静态测量装置和用于测量电流-电压特性的动态测量装置；所述动态测量装置包括：直流高压电容器和用于采集充电过程中直流高压电容器上的电压和电流随时间变化的数据采集器；所述本体内还设置有二路充电回路，其中，一路是电容量为3400μF的高容量充电回路；另一路是500μF的小容量充电回路；

所述控制面板上进一步包括用于选择测量开路输出电压、短路输出电流或电流-电压特性的功能选择开关；所述功能选择开关与静态测量装置和动态测量装置相连；

所述数据采集器读取数据的时间为充电过程开始后的5ms-30ms之间。

2.根据权利要求1所述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器，其特征在于，所述静态测量装置包括：

双显数字电压－电流表，其开路电压测量范围为0－1000Vdc；短路电流测量范围为0－200Adc。

3.根据权利要求1所述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器，其特征在于，所述本体内设置有报警装置，所述控制面板上设置有相应的声/光警报器；所述报警装置与声/光警报器相连。

4.根据权利要求1所述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器，其特征在于，所述本体内还设置有两功率开关，其分别连接被测光伏阵列组件正、负输入回路；每一功率开关均并联一继电器开关。

5.根据权利要求1所述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器，其特征在于，所述本体上还具有一外部存储设备连接口，所述外部存储设备连接口与数据采集器相连。

6.根据权利要求1所述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器，其特征在于，还包括一外接的锂聚合物电池。

7.一种权利要求1所述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器的测量方法，其特征在于，包括：

根据用户的控制指令，控制面板上的功能选择开关选择测量开路输出电压、短路输出电流或电流-电压特性；则与此相对应的静态测量装置测量开路输出电压和短路输出电流；动态测量装置测量电流-电压特性。

8.根据权利要求7所述的光伏组件阵列直流发电特性的测量仪器的测量方法，其特征在于，所述动态测量装置测量电流-电压特性具体包括：

通过光伏组件阵列向直流高压电容器充电，数据采集器以一定的采集速率采集充电过程中电容器上的电压、电流随时间变化，并得出对应的时间函数关系，然后，将数据采集器得到的各个时间点电压与时间的函数关系以及电流与时间的函数关系进行坐标变换，转换成输出电压与输出电流的函数关系，即电流-电压特性。