一种光伏阵列I-V特性检测装置及检测方法

摘要

本发明涉及一种光伏阵列I‑V特性检测装置及其检测方法，设置充电测试电路为两只电容值不相等的电容器并联连接，分别形成各自的充电测试支路，控制电路用于通过控制至少一条充电测试支路的通断，改变接入光伏阵列的充电测试电路的电容值，并在不同电容值下采集获得充电测试电路的充电电流及其两端电压，根据不同电容值下采集获得的充电测试电路的充电电流和两端电压计算获得线路电感和线路电阻，利用线路电感和线路电阻计算获得光伏阵列的I‑V特性，本发明能够有效地提高光伏阵列I‑V特性检测的精度，其操作简单、安全、体积小、重量轻。

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测装置及其检测方法，具体是一种太阳能光伏阵列I-V特性检测装置及其检测方法。

背景技术

光伏阵列是光伏电站的核心部件，即使是在投入运行之后的几十年时间里，也需要对光伏阵列的I-V特性进行检测，以准确获得光伏系统发电量，便于维修维护。光伏阵列检测装置是一种在现场对光伏阵列进行检测，以获得光伏阵列准确的I-V特性曲线的装置。

现有技术中的光伏阵列I-V特性检测方法是对一大电容充电的方法，在光伏阵列两端并联电容，在测试开始时，首先通过功率电阻将电容残余的电量消耗完，使得电容保持零初始状态，阻抗很低几乎为零，认为此时采样装置采集的电流为短路电流，当电容充电结束后，阻抗非常大，充电回路相当于开路，认为此时采样装置采集的电压为开路电压。在电容的充电过程中，即认为电阻的阻抗从零到无穷大，相当于光伏阵列的负载从零增加到无穷大，通过记录这一过程电压和电流的变化情况，得到光伏阵列的I-V特性曲线，并在显示屏上进行显示。

但是，由于光伏阵列I-V特性检测时存在线路电感和线路电阻，线路电感和电阻会在电容充电检测的时候进行分压，现有的光伏阵列I-V特性检测方法仅仅检测了电容上的I-V特性曲线，却忽略了线路电感和电阻的影响，造成最后的测量结果并不是准确的光伏阵列I-V特性。同时，由于线路电感的存在，电流在零时刻并不能够进行突变，所以在一开始电容电压为零，电流也为零，对于短路电流的测量就会存在较大的误差，最终导致I-V特性曲线存在较大的误差。这种方法要提高测量的精度，必须增加电容量，因此增加体积和重量。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术的不足，提供一种体积小、重量轻、成本低且精度高的光伏阵列I-V检测装置及其检测方法。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明光伏阵列I-V特性检测装置包括控制电路、充电测试电路与显示电路，其特点是：所述充电测试电路为两只电容值不相等的电容器并联连接，两只电容器分别形成各自的充电测试支路，即第一充电测试支路和即第二充电测试支路，所述控制电路用于通过控制至少一条充电测试支路的通断，改变接入光伏阵列的充电测试电路的电容值，并在不同电容值下采集获得充电测试电路的充电电流及其两端电压，根据不同电容值下采集获得的充电测试电路的充电电流和两端电压计算获得线路电感L和线路电阻R，利用所述线路电感L和线路电阻R计算获得光伏阵列的I-V特性。

本发明光伏阵列I-V特性检测装置的特点也在于：所述控制电路包括电流电压采样电路和用于进行数据处理的DSP信号处理电路，所述电流电压采样电路包括与所述充电测试电路并联连接的电流取样开关S和与电容器并联连接的功率电阻，所述电流电压采样电路用于在不同电容值下采集获得所述充电测试电路的充电电流和两端电压，分别作为采样电流和采样电压。

本发明光伏阵列I-V特性检测装置的特点也在于：所述充电测试支路的电路结构为：以电容器通断开关的一端为充电测试支路的端点A，以二极管的正向端为充电测试支路的端点B，电容器串联设置在电容器通断开关和二极管的负极端之间；所述功率电阻的一端通过功率电阻通断开关连接在充电测试支路的端点A，功率电阻的另一端连接在二极管的负极端，形成功率电阻与电容器的并联结构；所述充电测试支路以其端点A和端点B并联连接在充电测试电路的两端。

本发明光伏阵列I-V特性测试方法的特点是：应用所述的光伏阵列I-V特性测试装置，按如下步骤进行测试：

步骤1、在0～t₁阶段，闭合电流取样开关S，断开各充电测试支路中的电容器通断开关和功率电阻通断开关，各充电测试支路中的电容器保持在零初始状态，充电测试电路被短路，由于线路电感L的作用，采样电流由0逐渐增加，并在t₁时刻达最大值，记录t₁时刻的采样电流I₀，所述采样电流I₀为光伏阵列短路电流；

步骤2、在t₁～t₂阶段，断开电流取样开关S，接通第一充电测试支路中的电容器通断开关，光伏阵列向第一充电测试支路中的电容器进行充电，在t₂时刻第一充电测试支路中电容器的充电电流降低为零，充电过程结束，记录t₂时刻的采样电压V₁，以及本阶段电流电压特性曲线P1，所述采样电压V₁为第一充电测试支路的开路电压；

步骤3、在t₂～t₃阶段，断开第一充电测试支路中的电容器通断开关，接通第二充电测试支路中的电容器通断开关，光伏阵列向第二充电测试支路中的电容器进行充电，在t₃时刻第二充电测试支路中电容器的充电电流降低为零，充电过程结束，记录t₃时刻的采样电压V₂，以及本阶段电流电压特性曲线P2，所述采样电压V₂为第二充电测试支路的开路电压；

步骤4、在t₃～t₄阶段，闭合第一充电测试支路中电容器通断开关，并且闭合第一充电测试支路和第二充电测试支路中功率电阻通断开关，利用功率电阻在t₄时刻完成对第一充电测试支路和第二充电测试支路中电容器的放电；

步骤5、在t₄～t₅阶段，断开第一充电测试支路和第二测试支路中的功率电阻通断开关，光伏阵列同时向第一充电测试支路和第二充电测试支路中的电容器进行充电，在t₅时刻第一充电测试支路和第二充电测试支路中电容器的充电均为零，充电过程结束，记录t₅时刻的采样电压V₃，以及本阶段电流电压特性曲线P3，所述采样电压V₃为充电测试电路的开路电压；

步骤6、设定同一采样电流值I_k，

在电流电压特性曲线P1中获得对应所述电流I_k的采样电压U₁；

在电流电压特性曲线P2中获得对应所述电流I_k的采样电压U₂；

在电流电压特性曲线P3中获得对应所述电流I_k的采样电压U₃；

设定另一采样电流值I_k+1

确定在电流电压特性曲线P1中，I_k+1与I_k之间的时间间隔为Δt₁；

确定在电流电压特性曲线P2中，I_k+1与I_k之间的时间间隔为Δt₂；

确定在电流电压特性曲线P3中，I_k+1与I_k之间的时间间隔为Δt₃；

由式(1)计算获得在电流电压特性曲线P1、P2和P3中采样电流值I_k的微分值d1、d2和d3：

利用方程组(2)计算获得线路电感L和线路电阻R：

其中U表征光伏阵列端电压；

步骤7、根据所述线路电感L和线路电阻R，经过误差优化获得光伏阵列在消除由于线路电感L和线路电阻R产生的误差之后的待测光伏阵列电压值和电流值；

步骤8、检测结束，闭合第一充电测试支路和第二测试支路中的功率电阻通断开关，将各电容器的残余电量全部消耗完，使各电容器回到零初始状态，然后断开各功率电阻通断开关。

本发明光伏阵列I-V特性测试方法的特点也在于：所述误差优化是按如下步骤进行：

步骤5.1、重复步骤1到步骤6，获得关于线路电感L和线路电阻R的n组数据，利用式(3)计算获得目标函数值Yi：

Y_i＝L_i+R_iI_ki>

式(3)中，I_Ki是第i组数据中I_K的值，Li为第i组数据中的线路电感值，Ri为第i组数据中的线路电阻的值，i＝1,2,3...n；

步骤5.2、定义最小二乘法拟合函数如式(4)：

Y_i＝L+RI_ki>

将I_ki和计算获得的目标函数值Yi按照式(4)所示的拟合函数，应用最小二乘法进行曲线拟合，得到最小二乘法拟合曲线方程组(5)：

步骤5.3、利用所述方程组(5)计算获得能够使得误差最小的线路电感L和线路电阻R的值，完成误差优化。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明采用两个电容器并联充电的方式，能够有效地减少检测装置的体积和重量，并且可以提高检测速度。

2、本发明将电压采样点取在充电测试回路两端，消除了线路电感对开路电压检测的误差，提高开路电压的检测精度。

3、本发明充分考虑了线路电感和电阻对于光伏阵列I-V特性检测的影响，三组不同的电容器进行I-V特性检测后，求解出了线路电感和电阻的值，可以大大提高光伏阵列I-V特性检测的精度，还原出真实的光伏阵列I-V特性曲线。

4、本发明增加了短路电流采样开关结构，充分考虑了由于线路电感存在，电流不能发生突变的情况，可以大大提高短路电流检测的精度。

附图说明

图1为本发明光伏阵列I-V特性测试装置电路结构示意图；

图2为本发明中短路电流测量示意图；

图3为本发明充电测试时电容器两端电压与电流示意图；

图4为本发明中光伏阵列I-V特性测试方法示意图；

图5为具有线路电感误差的I-V特性曲线示意图；

图6为利用图1所示测试装置获得的光伏阵列I-V检测曲线示意图；

图7为本发明中测试装置另一实施方式电路结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本实施例中光伏阵列I-V特性检测装置包括控制电路2、充电测试电路1与显示电路。充电测试电路1为两只电容值不相等的电容器C1、C2并联连接，采用两只电容器并联连接能够有效减少装置体积和重量，两只电容器分别形成各自的充电测试支路，即第一充电测试支路和即第二充电测试支路，控制电路2用于通过控制至少一条充电测试支路的通断，改变接入光伏阵列的充电测试电路的电容值，并在不同电容值下采集获得充电测试电路的充电电流及其两端电压，根据不同电容值下采集获得的充电测试电路的充电电流和两端电压计算获得线路电感L和线路电阻R，利用线路电感L和线路电阻R计算获得光伏阵列的I-V特性，同时消除了由线路电阻R和线路电感L对待测光伏阵列I-V特性测量造成的误差。

如图1所示，本实施例中，控制电路2包括电流电压采样电路和用于进行数据处理的DSP信号处理电路，电流电压采样电路包括与充电测试电路并联连接的电流取样开关S和与电容器并联连接的功率电阻R_P1、R_P2，电流电压采样电路用于在不同电容值下采集获得充电测试电路的充电电流和两端电压，分别作为采样电流和采样电压。

如图1所示，本实施例中，充电测试支路的电路结构为：以电容器通断开关的一端为充电测试支路的端点A，以二极管的正向端为充电测试支路的端点B，电容器串联设置在电容器通断开关和二极管的负极端之间；功率电阻的一端通过功率电阻通断开关连接在充电测试支路的端点A，功率电阻的另一端连接在二极管的负极端，形成功率电阻与电容器的并联结构；充电测试支路以其端点A和端点B并联连接在充电测试电路1的两端。

本实施例中光伏阵列I-V特性测试方法是应用光伏阵列I-V特性测试装置，按如下步骤进行测试：

步骤1、如图2所示，在0～t₁阶段，闭合电流取样开关S，断开各充电测试支路中的电容器通断开关和功率电阻通断开关，各充电测试支路中的电容器保持在零初始状态，充电测试电路被短路，由于线路电感L的作用，电流不能突变，采样电流由0逐渐增加，并在t₁时刻达最大值，记录t₁时刻的采样电流I₀，采样电流I₀为光伏阵列短路电流。

步骤2、如图3所示，在t₁～t₂阶段，断开电流取样开关S，接通第一充电测试支路中的电容器通断开关S₁₁，光伏阵列向第一充电测试支路中的电容器进行充电，电容通断开关S₁₁刚闭合时，流过电容器C1的充电电流是光伏阵列1的短路电流I₀，随着光伏阵列开始充电，充电电流慢慢减小，相当于光伏阵列的负载慢慢减小，最终在t₂时刻第一充电测试支路中电容器的充电电流降低为零，充电过程结束，记录t₂时刻的采样电压V₁，以及本阶段电流电压特性曲线P1，采样电压V₁为第一充电测试支路的开路电压。如图3所示，在电容通断开关刚闭合时，此时电容保持零初始状态，电压为0，随后在光伏阵列的充电下，第一充电测试回路两端电压逐渐升高，由于线路电感L的作用，在充电电流下降的过程中，线路电感L上会产生一个负向的电压，这导致第一测试充电回路两端的电压产生一个高于光伏阵列1开路电压的峰值，随着充电电流降为0，第一测试充电回路两端电压逐渐下降至开路电压V₁。

步骤3、在t₂～t₃阶段，断开第一充电测试支路中的电容器通断开关S₁₁，接通第二充电测试支路中的电容器通断开关S₂₁，光伏阵列向第二充电测试支路中的电容器进行充电，在t₃时刻第二充电测试支路中电容器的充电电流降低为零，充电过程结束，记录t₃时刻的采样电压V₂，以及本阶段电流电压特性曲线P2，采样电压V₂为第二充电测试支路的开路电压。

步骤4、在t₃～t₄阶段，闭合第一充电测试支路中电容器通断开关S₁₁，并且闭合第一充电测试支路和第二充电测试支路中功率电阻通断开关S₁₂、S₂₂，利用功率电阻R_P1、R_P2在t₄时刻完成对第一充电测试支路和第二充电测试支路中电容器的放电。

步骤5、在t₄～t₅阶段，断开第一充电测试支路和第二测试支路中的功率电阻通断开关S₁₂、S₂₂，光伏阵列同时向第一充电测试支路和第二充电测试支路中的电容器C1、C2进行充电，在t₅时刻第一充电测试支路和第二充电测试支路中电容器的充电电流均为零，充电过程结束，记录t₅时刻的采样电压V₃，以及本阶段电流电压特性曲线P3，采样电压V₃为充电测试电路的开路电压。

步骤6、如图4所示，设定同一采样电流值I_k，

在电流电压特性曲线P1中获得对应电流I_k的采样电压U₁；

在电流电压特性曲线P2中获得对应电流I_k的采样电压U₂；

在电流电压特性曲线P3中获得对应电流I_k的采样电压U₃；

设定另一采样电流值I_k+1

确定在电流电压特性曲线P1中，I_k+1与I_k之间的时间间隔为Δt₁

确定在电流电压特性曲线P2中，I_k+1与I_k之间的时间间隔为Δt₂

确定在电流电压特性曲线P3中，I_k+1与I_k之间的时间间隔为Δt₃

由式(1)计算获得在电流电压特性曲线P1、P2和P3中采样电流值I_k的微分值d1、d2和d3：

利用方程组(2)计算获得线路电感L和线路电阻R：

其中U表征光伏阵列端电压。

步骤7、根据线路电感L和线路电阻R，经过误差优化获得光伏阵列在消除由于线路电感L和线路电阻R产生的误差之后的待测光伏阵列电压值和电流值；

步骤8、检测结束，闭合第一充电测试支路和第二测试支路中的功率电阻通断开关S₁₂、S₂₂，将各电容器的残余电量全部消耗完，使各电容器回到零初始状态，然后断开各功率电阻通断开关。

具体实施中，误差优化是按如下步骤进行：

步骤1.1、重复步骤1到步骤6，获得关于线路电感L和线路电阻R的n组数据，利用式(3)计算获得目标函数值Yi：

Y_i＝L_i+R_iI_ki>

式(3)中，I_Ki是第i组数据中I_K的值，Li为第i组数据中的线路电感值，Ri为第i组数据中的线路电阻的值，i＝1,2,3...n。

步骤1.2、定义最小二乘法拟合函数如式(4)：

Y_i＝L+RI_ki>

将I_ki和计算获得的目标函数值Yi按照式(4)所示的拟合函数，应用最小二乘法进行曲线拟合，得到最小二乘法拟合曲线方程组(5)：

步骤1.3、利用方程组(5)计算获得能够使得误差最小的线路电感L和线路电阻R的值，完成误差优化。

如图5所示，即为未考虑线路电感L和电阻R的误差检测出的待测光伏阵列I-V特性曲线，由于线路电感L的作用，电流不能突变，在电压为0的时候，电流从0逐渐增加至最大值，导致在一开始测量的时候，检测装置测量的电流并不是短路电流，在充电电流下降的过程中，线路电感L和线路电阻R上会产生一个负向的电压，导致光伏阵列两端电压的测量值大于光伏阵列两端电压的真实值，对比于如图6所示，使用本发明的光伏阵列I-V检测装置检测出的准确的光伏阵列I-V曲线，可以看出，线路电感和线路电阻会造成很大的误差，在使用本发明的光伏阵列I-V检测装置测量之后，明显消除了线路电感和线路电阻造成的误差，检测的精度大大地提高了。

如图7所示，在充电测试回路中，由于使用两个电容器并联进行第三次充电检测之前，电容要进行第二次放电，会增加检测的时间，为了缩短检测周期，可以并联第三只电容器进行第三次测量，以减少电容第二次放电的时间，从而缩短检测周期。