經(jīng)濟的快速發(fā)展導致了自然資源的快速枯竭，從而引發(fā)了人們對可再生性能源日益強烈的需求。因此太陽(yáng)能、風(fēng)能、水力和地熱能等無(wú)污染、永不枯竭的能源將越來(lái)越受到人們的重視。在歐美國家，以太陽(yáng)能為首的可再生能源已經(jīng)得到了廣泛的使用。與中國的情況不同(由政府和大公司出面集中建設太陽(yáng)能發(fā)電站)，歐美國家大力地發(fā)展家用型太陽(yáng)能供電系統，在建筑物屋頂上建立小型的發(fā)電設施。他們所使用的單塊太陽(yáng)能電池板的最大輸出功率一般在100～200瓦左右。通過(guò)連接逆變器可將太陽(yáng)能電池板所產(chǎn)生的直流電能轉化為交流電能并將其并網(wǎng)輸送到市電網(wǎng)絡(luò )。這些電能既可供給自己家庭使用，也可以將多余的電量出售給電力公司。
微型逆變器具有體積小巧、可以靈活安裝在房頂或墻壁上、轉化效率高以及價(jià)格相對便宜等優(yōu)勢，非常適合家庭使用。國內很多公司已經(jīng)開(kāi)始了對微型逆變器的研發(fā)和生產(chǎn)，并形成了很大的出口規模。
太陽(yáng)能電池板的輸出不同于一般直流供電設備的輸出，其輸出I-V特性曲線(xiàn)與光照、溫度等環(huán)境因素密切相關(guān)，工作點(diǎn)的電壓電流值在曲線(xiàn)上隨負載的變化而變化。為最大化太陽(yáng)能電池板的輸出功率，逆變器往往還需要具有峰值功率追蹤功能，保證工作點(diǎn)始終處于I-V曲線(xiàn)上的最大功率點(diǎn)附近。對逆變器進(jìn)行設計、開(kāi)發(fā)與認證的關(guān)鍵是要在不同的環(huán)境條件下(即不同的I-V曲線(xiàn)上) 測試驗證逆變器的輸入輸出特性。
測試的主要內容包括：開(kāi)發(fā)和驗證逆變器峰值功率跟蹤電路(MPPT)算法的性能；
測量和驗證逆變器的效率；
驗證逆變器在極高、極低輸入電壓條件下產(chǎn)生的電網(wǎng)電平輸出的穩定性；
性能認證測試: 確認不同環(huán)境條件下的輸出性能；
性能加速壽命測試：僅用幾周時(shí)間來(lái)推算工作數年后的結果；
針對相關(guān)標準的認證測試。
為達到這些測試目的，必須創(chuàng )造出一種可預期、可重復的太陽(yáng)光照條件，并控制其環(huán)境溫度，以得到固定的I-V輸出曲線(xiàn)。自然界的光照和其他環(huán)境因素難于控制，因此直接使用太陽(yáng)能電池板對逆變器的性能進(jìn)行測試是不可行的。
為了能夠精確仿真太陽(yáng)能電池板在特定環(huán)境條件下的輸出(特別是對于小功率逆變器，仿真精度的要求往往更高)，很多廠(chǎng)家推出了專(zhuān)用的太陽(yáng)能方陣模擬器，用于模擬各種環(huán)境下太陽(yáng)能電池板的輸出特性，精確地復現出不同環(huán)境條件下的I-V輸出特性曲線(xiàn)。I-V曲線(xiàn)的數據多來(lái)自于用戶(hù)對太陽(yáng)能電池板輸出的實(shí)際測量結果。為了簡(jiǎn)化操作，目前國際上通用的曲線(xiàn)設置方式是：通過(guò)I-V曲線(xiàn)上的四個(gè)特征值，即Voc(開(kāi)路電壓值)、Isc(短路電流值)、Vmp(最大功率點(diǎn)電壓值)、Imp(最大功率點(diǎn)電流值)來(lái)擬合得到完整的I-V曲線(xiàn)。所使用到的公式如下所示：
在上述公式的指導下，在太陽(yáng)能方陣模擬器內部可以精確的建立一條I-V曲線(xiàn)，用來(lái)仿真某一特定環(huán)境條件下太陽(yáng)能電池板的輸出，如圖1所示。無(wú)論負載如何改變，太陽(yáng)能方陣模擬器的工作點(diǎn)將始終位于這條曲線(xiàn)之上。
盡管使用四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就可以擬合出一條標準的I-V曲線(xiàn)。但在某些測試條件下，我們會(huì )發(fā)現太陽(yáng)能電池板輸出的I-V曲線(xiàn)并不是理想的單調曲線(xiàn)。由于電池板表面存在遮擋物，或是某些電池單元可能會(huì )損壞，這些都會(huì )造成輸出特性曲線(xiàn)發(fā)生畸變，曲線(xiàn)上將會(huì )出現多個(gè)隆起。對這種情況進(jìn)行仿真需要使用列表法，將I-V曲線(xiàn)離散成若干組電壓-電流點(diǎn)，將它們手動(dòng)輸入到方陣模擬器中。為得到較好的仿真精度，描述曲線(xiàn)的點(diǎn)越多越好，通常需要幾百甚至上千組電壓-電流點(diǎn)，才能得到較為理想的仿真效果。
在實(shí)際工作環(huán)境下，由于光線(xiàn)照度和入射角時(shí)刻發(fā)生著(zhù)變化，另外還有來(lái)自于云層遮擋的影響，太陽(yáng)能電池板的輸出I-V曲線(xiàn)也將不斷發(fā)生變化。為了測試動(dòng)態(tài)條件下太陽(yáng)能逆變器的工作效果，需要事先保存多條I-V曲線(xiàn)，通過(guò)連續地對這些曲線(xiàn)進(jìn)行切換來(lái)實(shí)現動(dòng)態(tài)光照變化的仿真。為取得良好的仿真效果，需要太陽(yáng)能方陣模擬器具有足夠深度的存儲空間來(lái)存儲幾百條I-V曲線(xiàn)，并能及時(shí)快速地在曲線(xiàn)之間進(jìn)行切換，來(lái)模擬連續變化的工作環(huán)境。此外，通過(guò)對已有曲線(xiàn)增加不同的電壓或電流偏置，也可達到動(dòng)態(tài)改變I-V曲線(xiàn)的目的。
如果目標是為了驗證峰值功率追蹤電路的性能，開(kāi)發(fā)出能在不同環(huán)境條件下始終工作在I-V曲線(xiàn)最大功率點(diǎn)上的太陽(yáng)能逆變器，在電路的設計和開(kāi)發(fā)中就必須考慮峰值功率跟蹤范圍和跟蹤頻率。峰值功率跟蹤范圍是I-V曲線(xiàn)最大峰值功率點(diǎn)附近的一段區間，這也是逆變器峰值功率跟蹤電路算法的工作區間，跟蹤頻率則是工作區間內曲線(xiàn)的擺動(dòng)速率，如圖2所示。為確保逆變器在模塊I-V曲線(xiàn)變化時(shí)始終能夠找到最大峰值功率點(diǎn)，它必須具有足夠寬的跟蹤范圍和足夠高的跟蹤頻率。為驗證設計的有效性，需要根據精確復現太陽(yáng)能電池板的I-V曲線(xiàn)來(lái)驗證在不同曲線(xiàn)下逆變器能否穩定地工作在峰值功率點(diǎn)附近。
高效率的逆變器，除了能夠盡可能多地從太陽(yáng)能電池板中獲取電能外，還能夠將輸入的直流電能盡可能多地轉換為交流電能。在逆變器輸入端加上固定的直流電壓來(lái)研究其效率雖然能夠提供一些有意義的信息，但這并不能使設計人員完全了解到最大峰值功率跟蹤(MPPT)電路與DC-AC逆變器的配合效果。使用太陽(yáng)能方陣模擬器對逆變器效率進(jìn)行測試將比使用普通直流電源對其進(jìn)行測試更為精確可靠。
安捷倫推出的E4360A模塊化太陽(yáng)能仿真模擬器，是一款非常高效的微型太陽(yáng)能逆變器測試工具。它提供了三種I-V曲線(xiàn)生成方式，可以靈活的產(chǎn)生出所需要的各種I-V曲線(xiàn)，并可以?xún)Υ娑噙_512條曲線(xiàn)，以及動(dòng)態(tài)地模擬環(huán)境變化對太陽(yáng)能電池板輸出的影響，從而測定逆變器的性能。用戶(hù)可用E4360A執行加速壽命測試：為加快壽命測試，必須大大加快環(huán)境條件的變化速度，同時(shí)增加模塊輸出，這樣僅用短短幾周時(shí)間便可得到工作數年后的結果。利用E4360A，用戶(hù)通過(guò)生成模擬環(huán)境條件變化的I-V曲線(xiàn)，在很短的時(shí)間內對一天中溫度和太陽(yáng)輻射的變化對太陽(yáng)能電池板輸出的影響進(jìn)行重復仿真，便可達到加速測試的目的。 |
