光伏组件用太阳模拟器I-V测试仪校准方法研究

林剑春

(福建省计量科学研究院, 福建 福州 350003)

1 前言

光伏组件是光伏发电系统中的核心部件，其功率大小直接影响到光伏电站的发电量，而光伏组件的功率通常是用太阳模拟器进行测量的[1]。太阳模拟器主要由太阳模拟器I-V测试仪、红外测温探头以及光源等3个部分组成[2]。要保证光伏组件功率的准确测量和I-V特性曲线的准确性，必须对太阳模拟器各组成部分进行校准测试[3，4]。

对于光伏组件用太阳模拟器，其外形尺寸通常较大，且I-V测试仪系统多数整合在机柜中，不便于进行拆卸测试，因此光伏企业迫切要求能够在线开展I-V测试仪的校准测试。此外，对于光伏组件生产企业而言，生产线上配备的光伏组件用太阳模拟器的使用率非常高，如果能够快速对I-V测试仪进行校准将有利于企业提高生产效率，增大效益。根据这些实际情况，文中提出一种基于比较测量标准光伏组件开路电压和短路电流电性参数的方法对太阳模拟器I-V测试仪进行校准，该方法具有操作简单、校准速度快、校准结果直观的特点，可以较好地满足产线对设备进行快速校准的需要。

2 校准方法基本原理与装置

文中基于比较测量法，采用光伏组件生产企业在产线上标定太阳模拟器光源辐照度常用的标准光伏组件作为被测对象。测量时将标准光伏组件依次与太阳模拟器I-V测试仪以及校准装置相连接，保证标准光伏组件放置在太阳模拟器有效辐照面的同一位置，并尽量保持恒定的测试时的温度、湿度等环境条件不变，来监控太阳模拟器的辐照度值变化情况，分别记录下测试系统以及校准装置对同一个标准光伏组件的测试结果，再将太阳模拟器I-V测试仪与校准装置分别测量得到的开路电压值和短路电流值进行比较，从而得到被校准的太阳模拟器I-V测试仪修正系数。主要的校准装置为数字信号采集装置、精密采样电阻、监控太阳电池和标准光伏组件。校准装置的主要计量标准器具的技术要求、量值溯源和校准规范均参考《JJF 1033-2008 计量标准考核规范》进行了考核[6]。

对于开路电压的测量，需要将光伏组件放置在太阳模拟器的工作面上，再将数字信号采集装置的两个测头分别与光伏组件两个电缆线接头连接，组成回路，之后进行光伏组件的I-V测试，并通过数字信号采集装置直接采集光伏组件两端的电压变化信号值，从而得到该光伏组件的开路电压值。测量过程中，利用监控太阳电池对太阳模拟器光源稳定性进行记录，保证测试时的光源重复性较好。之后，保持光伏组件和监控太阳电池位置不变，将太阳模拟器I-V测试仪与光伏组件两个电缆线接头连接，测量得到开路电压值。开路电压的校准方法示意图如图1所示。

图1 开路电压的校准方法示意图

对于短路电流的测量，同样需要将光伏组件放置在太阳模拟器的工作面上，再将采样电阻与光伏组件的正负极两个电缆线接头通过常用的MC4型连接器分别连接，组成串联闭合回路，之后进行光伏组件的I-V测试，并通过数字信号采集装置采集该采样电阻两端的信号值，从而得到该光伏组件的短路电流值。之后，保持光伏组件和监控太阳电池位置不变，将太阳模拟器I-V测试仪与光伏组件两个电缆线接头连接，测量得到短路电流值。短路电流的校准方法示意图如图2所示。

图2 短路电流的校准方法示意图

根据校准方法，主要的影响因素有太阳模拟器光源的重复性、标准光伏组件的稳定性和温度系数、数字信号采集装置的准确度和采样速率、采样电阻的稳定性和温度系数、光伏组件连接器与校准装置之间的接触电阻和接线电阻、以及测试过程中的温度变化和光伏组件位置变化等。

以某瞬态太阳模拟器为例，用晶硅标准光伏组件作为被测对象，可分别得到开路电压的采集曲线和短路电流采集曲线，如下图所示：

图3 开路电压与短路电流采集曲线示意图

根据IEC 60904-1对I-V曲线测量的要求以及太阳模拟器I-V测试仪制造厂商的采样时间、采样方式和数据处理方式[7]，可以将数字信号采集装置采集中得到的电压曲线和电流曲线所对应的开路电压值和短路电流值，进而可通过比较求得被校准I-V测试仪的修正系数。

观察与比较两组心绞痛临床症状疗效及心电图疗效。（1）心绞痛疗效评定标准[3] 。治疗后心绞痛症状降低2级，Ⅰ～Ⅱ级者心绞痛消失，不用硝酸甘油，即显效；若心绞痛症状降低Ⅰ级，硝酸甘油减少幅度＞50%，Ⅰ级者心绞痛消失，不用硝酸甘油，即改善；若硝酸甘油用量没有改变，症状没有改变，即无效。（2）心电图疗效评定标准。如果静息心电图已正常，在次级量运动试验方面，已经从阳性转变为阴性，或在具体的运动乃量上升高至Ⅱ级，即显效；若经次级量运动试验，得知心电图缺血性ST段有明显压低，治疗后升高＞0.5 mv，但没有恢复正常，即有效；若相比治疗前，次级量运动试验心电图与之相同，即无效。

3 开路电压校准结果的不确定度分析

3.1 测量重复性引入的不确定度u1

用数字信号采集装置对太阳电池/组件在稳定的光源和温湿度环境下进行重复测量，以常见的晶硅类光伏组件为例，测量结果如表1所示。

表1 开路电压测量结果实验标准偏差

则由测量重复性导致的测量结果V的A类标准不确定度为：

则相对标准不确定度为：

3.2 太阳模拟器光源稳定性引入的不确定度u2

太阳电池/组件开路电压的产生与太阳模拟器光源相关，太阳电池/组件在太阳模拟器光源作用下就可产生电势差。光伏组件由太阳电池组成，而太阳电池可以等效为一个硅半导体p-n结器件，在光强达到一定数值之后，其开路电压受辐照度变化的影响较小，就可根据实际检测情况，由于太阳模拟器光源的稳定性引入的相对标准不确定度为u2,rel= 0.5%。

3.3 温度偏差引入的不确定度u3

温度偏差引入的不确定度主要来自太阳电池/组件以及数字信号采集装置，且两者的温度相互独立。

取太阳电池/组件的电压温度系数为 - 4mV/℃。测量过程中组件的温度变化5℃时，其对测量结果引入的不确定度u3为0.02V。

数字信号采集装置在工作温度范围内的温度系数为100ppm，则在测量温度变化5℃时，其对测量结果引入的不确定度u3为0.002V。

则由温度偏差引入的不确定度为：

则由温度偏差引入的相对标准不确定度为：u3,rel=0.0005%。

3.4 数字信号采集装置校准结果不确定度u4

对于开路电压范围100V档位的校准，数字信号采集装置的相对扩展不确定度为rel=(0.01～ 0.1)%，=2。

则由数字信号采集装置引入的校准结果相对标准不确定度为u4,rel=0.05%。

3.5 采样区间准确性引入的校准结果不确定度u5

用数字信号采集装置测量开路电压时，采样区间的起始点与太阳模拟器I-V测试仪的I-V曲线扫描采样起始点存在偏差，这样由于采样区间准确性引入的校准结果相对标准不确定度为u5,rel=0.6%。

3.6 合成相对标准不确定度

合成相对标准不确定度汇总表如下：

表2 开路电压校准结果合成相对标准不确定度汇总表

由各个不确定分量计算得到的开路电压校准结果合成相对标准不确定度为：

3.7 相对扩展不确定度

对于常见的晶硅类光伏组件，在开路电压值约38V时，I-V测试仪开路电压校准结果的相对扩展不确定度为rel=1.6%，=2。

4 短路电流校准结果的不确定度分析

短路电流校准的测量过程与开路电压的测量过程相似，主要也受到测量重复性、太阳模拟器光源稳定性、温度偏差、数字信号采集装置校准结果不确定度、接触电阻及连线电阻与采样区间准确性的影响。

4.1 数字信号采集装置测量重复性引入的不确定度u1

用数字信号采集装置对太阳电池/组件在稳定的光源和温湿度环境下进行重复测量，通过采样电阻两端的电压值进行换算可以得到短路电流值。以常见的晶硅类光伏组件为例，其短路电流值约为8A。校准时使用的采样电阻为低温度系数的精密电阻，阻值为25mΩ，温度系数为6ppm/℃。测量结果如下表所示。

表3 短路电流测量结果实验标准偏差

则由测量重复性导致的测量结果I的A类标准不确定度为：

则相对标准不确定度为：u2

4.2 接触电阻及连线电阻等引入的校准结果不确定度

校准装置通过连线将采样电阻与太阳电池/组件相连，常见的连接器为MC4型，其接触电阻约为0.5mΩ～5mΩ。连接用铜导线的电阻约为10mΩ。根据太阳电池I-V曲线特征和校准经验，由接触电阻及连线电阻等引入的短路电流校准结果相对标准不确定度为u2,rel=0.5%。

对于其他因素引起的测量结果不确定分析，短路电流与开路电压基本一致。其中的太阳电池/光伏组件的电流温度系数为0.8mA/℃，由于电流温度系数数值小，因此温度变化对于短路电流校准的影响可忽略。短路电流校准结果合成标准不确定度汇总表如下。

表4 短路电流校准结果合成标准不确定度汇总表

由各个不确定分量计算得到的短路电流校准结果合成相对标准不确定度为：

对于常见的晶硅类光伏组件，在短路电流值约8A时，I-V测试仪短路电流校准结果的相对扩展不确定度为rel=1.8%，=2。

5 总结

采用该校准方法，在经过标准组件校准标定的同一台太阳模拟器下，对多个不同的标准光伏组件进行开路电压和短路电流测量，其重复性好，且数值都与标准光伏组件的标称数值相近。因此，该校准装置能够较好地给出开路电压值和短路电流值，满足光伏组件用太阳模拟器I-V测试仪在厂线上进行快速校准测试的需求，便于企业进行设备维护和产品质量控制，保证光伏组件功率的准确测量。

[1]沈文忠.太阳能光伏技术与应用[M].上海: 上海交通大学出版社, 2013.

[2]SJ/T 11061-1996, 太阳电池电性能测试设备检验方法[S].北京: 电子工业部标准化研究, 1996.

[3]孙皓.太阳电池及相关测试设备的计量方法研究[D].中国计量科学研究院, 2010.

[4]孙皓, 熊利民.太阳模拟器等级评定测试研究[C].中国计量测试学会光辐射计量学术研讨会.2009.

[5]IEC 60904-9, Photovoltaic devices - Part 9:Solar simulator performance requirements[S].Geneva, Switzerland: IEC, 2007.

[6]JJF 1033-2008, 计量标准考核规范[S].北京:中国计量出版社, 2008.

[7]IEC 60904-1, Photovoltaic devices - Part 1:Measurement of photovoltaic current-voltage characteristics[S].Geneva, Switzerland:IEC, 2007.