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光能国际期刊

卷2012年，文章ID 843185,13页

doi:10.1155 / 2012/843185

研究论文

使用一个由虚拟仪器控制的直流-直流转换器确定光伏发电机电流-电压/功率-电压特性曲线

E. Duran, J. M. Andujar, J. M. Enrique,and J. M. Perez-Oria

1电子、计算机科学和自动化工程，韦尔瓦大学，21071韦尔瓦,西班牙

2技术和自动系统部门，坎塔布里亚大学，39005桑坦德，西班牙

信件应该写给E. Duran ，邮箱为aranda@uhu.es

2011年6月22日收到；2011年9月12日修订，2011年9月14日接受

学术编辑：宋元戴

版权copy;2012 E. Duran等。这是一个在知识共享归属许可下发布的开放的文章，允许不受限制地使用、分配和复制在任何媒介，提供的原始工作是被正确引用的。

本文中提出了一个通用测量系统，用于系统的测试和测量光伏电池板电流-电压特性曲线的演变或数组(光伏发电机)。测量系统采用了基于直流-直流转换器的电路这种解决方案,相对于传统方法，它的优势有:结构简单、可扩展性强、快速响应、成本低。测量光伏发电所需的特征包括高响应速度和高保真度。原型系统由单片机构建,而且实验结果证明该测量系统有用。在一台电脑上开发一个用于控制全系统的虚拟仪器(VI)。发达的系统能够实时的监控光伏发电进行合适的操作,因为它允许比较由制造商提供的数据和实际曲线里的数据。

1.介绍

定义电池生产功率(W)除以标准测试条件下(STC:1000 W / m2和25◦C)的输入光照强度(W / m2)和太阳能电池的表面面积(平方米)为太阳能电池的转换效率。因此,转换效率取决于许多因素,如光照强度和温度。通常，即使在同一类型的电池中，制造过程的差异也会导致电气参数的差异。此外,如果考虑到损失电池连接在一个模内,则很难找到两个相同的光伏模块。

另一方面,光伏模块制造商提供的参数是在STC测量的。然而,这种情况很少出现在现场。因此,估计一个模块或数组的电气特性需要将这些特性转移到户外条件下,在实际操作中不能可靠地预测其行为(即实际生产的光伏设备)。

最后,通过测量比较，随着时间的推移，光伏设备模块的实际时间退化允许真正的生产预测甚至制造申请过度发现损坏。

综上所述,只有实验测量的电流-电压和功率-电压曲线才能让我们精密的了解光伏电池的电参数、模块或数组。这个测量提供了光伏系统的设计、安装和维护的相关信息[1，2]。电流-电压特性的实验测量是非常重要的,因为它是每个光伏发电机的质量和性能证书[3，4]。

电流-电压和功率-电压曲线特性的要点是短路电流()或者零电压下的最大电流和开路电压()或者零电流下的最大电压。电流-电压曲线上每个点的电流和电压的乘积表示在该操作条件下的输出功率。光伏发电机生产的边际产量达到特性上产品的电流-电压最大值的一点（在图1(b)）。填充因子(FF)被定义为和产品的乘以的比率，显示曲线的垂直度。因此,= FF，越靠近单元填充因子,电池质量就会越好。在光照强度和温度作为参数时，光伏模块的典型特性曲线如图1所示。

测量光伏发电机电流-电压曲线的基本原理是基于当前提供的零电流点()和短路点()之间点的控制。为此提出了不同的方法：可变电阻,电容性负载、电子负载、双极型功率放大器，和四象限电源。然而,必须考虑的因素有：成本、量的测量、速度、可重复性、准确性和易用性和测试系统的维护。用不同方法测量光伏发电机电流-电压曲线的一个广泛审查出现了[5]。在这一节中简要地讨论了最常用的方法。

测量光伏发电机电流-电压曲线的最简单方法是使用可变电阻器R[6]。通过测量每一点的电压和电流，以此来捕捉电流-电压曲线上短路到开路的那个点，R的值应当是在0到无限大之间的任一值。因为实现高功率电阻的可用性是有限的，所以这种方法只适用于低功率光伏发电机。

电容法[7]使用电容器作为负载。当电容器的电荷增加时,电流下降,电压上升。充电完成时,当前光伏发电机提供的电流变成了零,此时达成了开路条件。用电容法获得一个可靠的电流-电压曲线,必需有一个小损失的高质量电容器(低等效串联电阻)。

电子负载方法[8]以晶体管(通常是一个MOSFET)作为负载。通过栅源电压调制耗尽和源之间的电阻和光伏发电机输出电流的流动。当这种方法用于跟踪光伏发电机的电流-电压曲线时,MOSFET必须在其三个操作模式(截止,活跃和饱和地区)中工作。因此,大多数光伏发电机的输出功率必须由MOSFET消散,这限制了其媒介能力的应用。

双极型功率放大器法是基于传统的B类功率放大器而改进的，B类功率放大器使用两个BJTs晶体管分别作为正向和反向电流负载。双极晶体管必须工作在三种运营模式(截止,活跃,饱和区域)中。因此,就像在电子负载法中的一样，大多数的光伏发电机输出功率必须由MOSFET消散,因此限制了其媒介能力的应用。

四象限电源[9]是用来模拟直流电源和其他的用直流输出电压的电源如燃料电池、光伏发电机和电池的真实负载特性，从而进行测试和评估。这些加载也可以用来模拟如电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车等高压直流汽车的负载反射。一个四象限电源即一个电源,它的输出可以由参考输入信号或不同编程扫描一个特定范围的值。这些类型的电力供应在本质上是昂贵的。此外,四象限电源以超过1千瓦的功率工作，其实用性是有限的,所以这种方法并不适用于测量光伏模块的数组。

这项工作旨在提供一个新的测量电流-电压曲线的实验方法。它使用一个基于可控直流负载实现单端初级电感变换器(SEPIC)[10]的电路的解决方案。本应用程序用直流-直流转换器的特性来模拟一个可变电阻[11]。当获得光伏发电机的电流-电压曲线时,最重要的参数是这条曲线上不同点的可靠性是重复的。因此,提出的方法中直流-直流转换器的效率成为了一个二次参数。然而,实际的光伏发电机终端的曲线可以很容易地从质量的曲线和已知的转换效率中实时获得。

开发系统的控制方案是用低成本的单片机PIC16F877产生的PWM信号控制变换器开关频率来实现的。责任周期的扫描允许捕捉上述曲线。PIC单片机也接收光伏模块输出终端产生的电压和电流采样信号，通过使用内部8通道多路10 b A / D转换器。这些值通过rs - 232协议转移到一台计算机。最后,虚拟仪器(VI)是使用NI虚拟仪器软件开发,使系统整体控制电脑。

本文组织如下。第二节分析了作为阻力模拟器的不同拓扑结构的直流-直流转换器的功能。第三节描述了该系统所使用的捕捉一个光伏发电机的电流-电压和功率 -电压曲线的测量技术。此外,不同的优势在捕获模式方面有表示模式、可控参数、可移植性和灵活性。第四部分是致力于开发原型的实验验证。实验结果验证了理论分析。第五部分包括一个传统的方法和本文提出的解决方案的比较。最后,一些结论在第六节被提出。

2.作为可变电阻模拟器的直流-直流转换器

直流-直流转换器可以增加或减少直流电压的大小和其极性的反转。这是通过脉冲宽度调制(PWM)技术的方法来完成的,通常使用一个恒定的频率。责任周期(D)是传导时间(TON)和转换时期(Ts)的比例。转换器的三个基本配置(降压,升压和降压-升压组合)类似于直流变压器的连续和不连续导电模式(CCM和DCM)。一个直流变压器的转换的关系可以控制，通过改变变频器在范围[0,1]内的工作周期这种电子方式。图2显示了在CCM工作周期中基本的直流-直流转换器和输入电阻的表示。输入电阻之间的关系(Ri是模拟光伏模块的输出终端电阻)、等效电感(Leq)和连接到转换器的负载(R)可以在CCM和DCM中获得。假设转换器相比各自的直流分量没有损失且开关纹波比较小，可由下列表达式得到。

2.1降压转换器(图2(a))。下面是在CCM中的实现：

， （1）

而在DCM中：

，

。 （2）

定义有效电阻（Ri）为，下面是计算方法：

，

， （3）

相对于降压（单电感）转换器，此时。因此,电阻的值Ri(CCM)必须在时间间隔内(图2(g)),而电阻的值Ri(DCM)必须在范围：，此时。

这个表达式表明降压转换器不能模仿比负载小的电阻,因此,用于获得电流-电压曲线时不能达到光伏发电机的短路电流附近的值。

2.2升压转换器(图2(b))。下面是在CCM中的实现：

， （4）

而在DCM中：

，

。 （5）

现在，有效电阻（Ri）为：

，

， （6）

相对于升压（单电感）转换器，此时。

在这种情况下，(图3(h))且。

这个表达式表明升压转换器不能模仿比负载大的电阻,因此,不能达到光伏发电机的开路电压附近的值。

2.3降压-升压-组合转换器(图2(c)-2(f))。下面是在CCM中的实现：

， （7）

而在DCM中：

。 （8）

定义有效电阻（Ri）为：

，

， （9）

相对于降压-升压（单电感）转换器，此时。

在这种情况下,(图2(i))且。

因此,这些最后的配置能够在CCM中从开路电压()到短路电流()之间横扫整个光伏发电机的电流-电压曲线。

以前的关于降压、升压和降压-升压-组合转换器的分析总结在表1。无量纲参数K是衡量转换器在DCM中运作倾向的参量。大的K值通向CCM,而小的K值通向CDM。在模式之间的边界K的临界值（Kcrit）是一个周期函数。如果K是单位,然后转换器在CCM中操作所有工作周期。.

根据先前的讨论,我们可以推断,唯一能够完成光伏发电机电流-电压曲线完整扫描(即从到)的拓扑结构是应用降压-升压转换比的这些。几种拓扑结构如降压-升压（单电感）、Zeta、Cuk和SEPIC，提供相同的转化率和输入电阻。然而，输入电流在降压-升压和Zeta拓扑总是不连续的

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