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(huì)導(dǎo)致光伏模塊的輸出功率隨著時(shí)間的推移而下降。為了進(jìn)行調(diào)試，可通過(guò) PV 模塊的電壓-電流特性曲線的變化來(lái)測(cè)量其性能下降情況。

由于 PV 模塊的功率輸出會(huì)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(cè)量其性能，這一點(diǎn)很重要。此類工作環(huán)境通常是陽(yáng)光充足的戶外區(qū)域，比如屋頂或未開(kāi)發(fā)的空地，在這些地方很難為測(cè)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(duì)模塊性能進(jìn)行特性分析的測(cè)量設(shè)備不會(huì)隨溫度變化出現(xiàn)指標(biāo)漂移。另外，理想的 I-V 測(cè)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(shí)現(xiàn)電池供電型操作，并較大限度延長(zhǎng)電池壽命。其雙路放大器實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)通道（例如，電流和電壓）的同時(shí)測(cè)量。對(duì)于 PV 模塊測(cè)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(dòng)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(cè)量 PV 模塊 I-V 特性

PV 模塊的 I-V 特性曲線是通過(guò)給 PV 模塊施加從短路到開(kāi)路的一系列阻抗、并測(cè)量在每個(gè)負(fù)載上產(chǎn)生的電流和電壓后生成的。一種方法是通過(guò)高額定功率電位計(jì)或負(fù)載箱的多種設(shè)置進(jìn)行迭代，并在每個(gè)點(diǎn)上實(shí)施測(cè)量。這種方法有一個(gè)缺陷：短暫的遮蔽或照明，比如飛鳥(niǎo)、云彩、或明亮反射體越過(guò)頭頂，會(huì)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(kāi)一個(gè)并聯(lián)開(kāi)關(guān)至一個(gè)大電容器，因?yàn)殡娙萜髟谄鋷装?ms 的充電時(shí)間里將高效地對(duì)其阻抗進(jìn)行從短路至開(kāi)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(shì)（即速度、簡(jiǎn)單性和測(cè)量的簡(jiǎn)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(shí)間不超過(guò)幾百毫秒。因此，通過(guò)正確地選擇負(fù)載電容器和檢測(cè)電阻器，可以將該精確的測(cè)量電路用于眾多模塊開(kāi)路電壓和短路電流的測(cè)量，例如，用于大面積 PV 模塊測(cè)試器中。

圖 1. 采用 LTC2058 進(jìn)行 PV 掃描測(cè)量。

用于 PV 電池板模塊的 I-V 掃描測(cè)試電路

圖 1 示出了一款用于對(duì) PV 模塊進(jìn)行特性分析的 I-V 掃描方法實(shí)施方案。C2 是主容性負(fù)載，其大小的選擇需在測(cè)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(shí)，掃描速度較快，可降低出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)；選擇較大的電容器 C2 時(shí)，則掃描速度較慢，同時(shí)可完成更精確的測(cè)量采樣。

在初始狀態(tài)中，SW1 和 SW2 均短路，因此 C2 的兩端上沒(méi)有電壓。這兩個(gè)開(kāi)關(guān)都必須打開(kāi)（先打開(kāi) SW2，然后打開(kāi) SW1），以啟動(dòng)一次持續(xù)時(shí)間為 150 ms 的測(cè)量掃描，并以 C2 兩端達(dá)到模塊的滿電壓為結(jié)束。在測(cè)量之后對(duì) C2 進(jìn)行放電以為下一個(gè)周期做準(zhǔn)備，所需的操作包括：首先將 SW2 閉合，此時(shí)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(xiǎn)，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(shí)施方案而言，這些開(kāi)關(guān)可以是功率 MOSFET，由負(fù)責(zé)控制定時(shí)和開(kāi)關(guān)切換順序的數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)。

LTC2058 穩(wěn)健的 2.5 MHz 增益帶寬乘積對(duì)于精確跟蹤流過(guò) RSENSE 的 PV 電流的掃描速率至關(guān)重要。較大的電流檢測(cè)測(cè)量誤差出現(xiàn)在掃描周期里瞬變最急劇的過(guò)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(jiàn)圖 2），但是運(yùn)放的群延遲將轉(zhuǎn)化為電流檢測(cè)輸出中的實(shí)時(shí)誤差。而且，由于 RSENSE 相當(dāng)大，因此電流檢測(cè)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(gè) 2 V 全標(biāo)度輸出。這個(gè)低增益并不是問(wèn)題，因?yàn)?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(shí)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(cè)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(jià)是 I-V 測(cè)量所需的時(shí)間有所延長(zhǎng)。

二極管 D1 允許電流檢測(cè)通道的輸出一直擺動(dòng)至 0 V，以測(cè)量掃描周期結(jié)束時(shí)開(kāi)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(cè)放大器的 IN+ 免遭電氣應(yīng)力過(guò)載的損壞。

對(duì)于電壓檢測(cè)通道，R1 和 R2 對(duì)模塊的全電壓進(jìn)行分壓，以使 VPV 上的輸出在經(jīng)過(guò)了 5 V/V 的閉環(huán)增益級(jí)之后位于 5 V 電源軌之內(nèi)。R1 和 R2 是可調(diào)整的，以對(duì)任何模塊開(kāi)路電壓 (VOC) 進(jìn)行分壓，只要它們的電流消耗量不太大（相對(duì)于模塊 ISC）即可。在該設(shè)計(jì)中，流過(guò) 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(cè)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(yáng)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(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板性能的精準(zhǔn)測(cè)量。

審核編輯：郭婷