精確的光伏 I-V 特性分析

Catherine Chang, Aaron Schultz, 和 Henry Surtihadi

光伏 (PV) 模塊是普及和經(jīng)濟(jì)適用的可再生能源。大多數(shù)光伏模塊的壽命約為 20 年，但是，熱應(yīng)力和濕度侵入等其他原因會導(dǎo)致光伏模塊的輸出功率隨著時間的推移而下降。為了進(jìn)行調(diào)試，可通過 PV 模塊的電壓-電流特性曲線的變化來測量其性能下降情況。

由于 PV 模塊的功率輸出會隨著溫度發(fā)生很大的變化，因此需在其典型工作環(huán)境中測量其性能，這一點(diǎn)很重要。此類工作環(huán)境通常是陽光充足的戶外區(qū)域，比如屋頂或未開發(fā)的空地，在這些地方很難為測量設(shè)備提供電力或控制溫度。

因此，有一點(diǎn)很重要，即：用于對模塊性能進(jìn)行特性分析的測量設(shè)備不會隨溫度變化出現(xiàn)指標(biāo)漂移。另外，理想的 I-V 測量解決方案還將是便攜式的，并且功率極小。

LTC2058的單電源軌操作和關(guān)斷模式可實現(xiàn)電池供電型操作，并較大限度延長電池壽命。其雙路放大器實現(xiàn)了兩個通道（例如，電流和電壓）的同時測量。對于 PV 模塊測量等需要經(jīng)受寬溫度變化范圍的應(yīng)用，盡管工作溫度的波動幅度很大，LTC2058 極低的最大輸入失調(diào)電壓溫度漂移 (0.025 μV/°C) 可保持其精準(zhǔn)度。例如，在日光照射非常充足的地區(qū)，環(huán)境溫度可達(dá) 45°C (113°F)，這相當(dāng)于在正常的室溫操作條件下額外增加了20°C。LTC2058 在極端條件下產(chǎn)生的最大附加輸入失調(diào)漂移僅為 0.5 μV。

測量 PV 模塊 I-V 特性

PV 模塊的 I-V 特性曲線是通過給 PV 模塊施加從短路到開路的一系列阻抗、并測量在每個負(fù)載上產(chǎn)生的電流和電壓后生成的。一種方法是通過高額定功率電位計或負(fù)載箱的多種設(shè)置進(jìn)行迭代，并在每個點(diǎn)上實施測量。這種方法有一個缺陷：短暫的遮蔽或照明，比如飛鳥、云彩、或明亮反射體越過頭頂，會引起輸出功率的瞬間下降或驟增，從而在 I-V 曲線中引入誤差。一種較快的方法是打開一個并聯(lián)開關(guān)至一個大電容器，因為電容器在其幾百 ms 的充電時間里將高效地對其阻抗進(jìn)行從短路至開路的掃描，可較大限度減少瞬態(tài)效應(yīng)影響 I-V 曲線的機(jī)率。

除了這種方法所具備的明顯優(yōu)勢（即速度、簡單性和測量的簡易性）之外，采用瞬態(tài)電容性掃描所需的高額定功率組件極少。組件承受高功率的持續(xù)時間不超過幾百毫秒。因此，通過正確地選擇負(fù)載電容器和檢測電阻器，可以將該精確的測量電路用于眾多模塊開路電壓和短路電流的測量，例如，用于大面積 PV 模塊測試器中。

圖 1. 采用 LTC2058 進(jìn)行 PV 掃描測量。

用于 PV 電池板模塊的 I-V 掃描測試電路

圖 1 示出了一款用于對 PV 模塊進(jìn)行特性分析的 I-V 掃描方法實施方案。C2 是主容性負(fù)載，其大小的選擇需在測量速度和準(zhǔn)確度之間進(jìn)行權(quán)衡：當(dāng)選擇較小的電容器 C2 時，掃描速度較快，可降低出錯的風(fēng)險；選擇較大的電容器 C2 時，則掃描速度較慢，同時可完成更精確的測量采樣。

在初始狀態(tài)中，SW1 和 SW2 均短路，因此 C2 的兩端上沒有電壓。這兩個開關(guān)都必須打開（先打開 SW2，然后打開 SW1），以啟動一次持續(xù)時間為 150 ms 的測量掃描，并以 C2 兩端達(dá)到模塊的滿電壓為結(jié)束。在測量之后對 C2 進(jìn)行放電以為下一個周期做準(zhǔn)備，所需的操作包括：首先將 SW2 閉合，此時額定功率為 2 W 的串聯(lián)電阻 R3 降低了產(chǎn)生電火花的風(fēng)險，然后將 SW1 閉合，以在 C2 兩端提供真正的短路 (RON = 0.3 ) 并將 C2 兩端的電壓拉至 0。就全系統(tǒng)實施方案而言，這些開關(guān)可以是功率 MOSFET，由負(fù)責(zé)控制定時和開關(guān)切換順序的數(shù)字信號驅(qū)動。

LTC2058 穩(wěn)健的 2.5 MHz 增益帶寬乘積對于精確跟蹤流過 RSENSE 的 PV 電流的掃描速率至關(guān)重要。較大的電流檢測測量誤差出現(xiàn)在掃描周期里瞬變最急劇的過程中。盡管 RSENSE 兩端的輸入電壓具有 3.6 V/s 的較低下降壓擺率（見圖 2），但是運(yùn)放的群延遲將轉(zhuǎn)化為電流檢測輸出中的實時誤差。而且，由于 RSENSE 相當(dāng)大，因此電流檢測電路的閉環(huán)增益可小到 4 V/V，以在 0.5 A 最大短路電流 (ISC) 條件下產(chǎn)生一個 2 V 全標(biāo)度輸出。這個低增益并不是問題，因為 LTC2058 具有穩(wěn)定的單位增益。于是，LTC2058 的高增益帶寬和低閉環(huán)增益要求可實現(xiàn)快速閉環(huán)響應(yīng)，從而較大限度減少由群延遲引起的誤差。

圖 2. 在壓擺率約為 3.6 V/s 情況下檢測電阻器兩端的電壓。

大的電容器 C2 與大的 RSENSE 共同決定了瞬變的壓擺率，因而確定了由固定延遲引起的誤差。采用較大 C2 所付出的代價是 I-V 測量所需的時間有所延長。

二極管 D1 允許電流檢測通道的輸出一直擺動至 0 V，以測量掃描周期結(jié)束時開路情況下的精確電流。二極管 D2 和 200 電阻器 R8 有助于保護(hù)電流檢測放大器的 IN+ 免遭電氣應(yīng)力過載的損壞。

對于電壓檢測通道，R1 和 R2 對模塊的全電壓進(jìn)行分壓，以使 VPV 上的輸出在經(jīng)過了 5 V/V 的閉環(huán)增益級之后位于 5 V 電源軌之內(nèi)。R1 和 R2 是可調(diào)整的，以對任何模塊開路電壓 (VOC) 進(jìn)行分壓，只要它們的電流消耗量不太大（相對于模塊 ISC）即可。在該設(shè)計中，流過 R1 和 R2 的電流產(chǎn)生 19 μA 的誤差，即 ISC 的 0.0038%。

圖 4. PV 電容性掃描電路；模塊連接位于左側(cè)，C2 位于右側(cè)。

結(jié)論

如果測量設(shè)備的安放位置靠近 PV 模塊，那么它也將暴露在寒冷、明亮的陽光或炎熱的沙漠氣候等環(huán)境中的極端溫度之下。然而，它必須保持其精準(zhǔn)度，以捕獲 PV 模塊的性能隨溫度起伏發(fā)生的變化。LTC2058 的最大平均輸入失調(diào)溫度漂移僅為 0.025 μV/°C，因而可在寬廣的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)太陽能電池板性能的精準(zhǔn)測量。

審核編輯：郭婷