摘要：光伏组件户外I-V测试受到环境因素的影响，测试结果存在较大的偏差。为提高光伏组件户外I-V特性测试的准确度，分析测试过程中存在问题，并提出相应的解决方法，同时分析IEC60891-2009中的修正程序，以确保更准确地进行修正，得到组件在标准测试条件（STC）下的特性参数。最后，通过测试实验，验证了方法的有效性。 1引言 光伏组件的IV特性曲线是表征光伏组件性能的重要参数，包括开路电压、短路电流、最大功率、最大功率点电压、最大功率点电流。由于组件的IV特性受到多种因素的影响，如辐照度、组件温度、光谱等，目前组件的IV特性曲线的标准值是在室内标准测试条件下测得的。而对于已经安装在户外的光伏组件，使用户外测试方法，则具有显著的便捷性，但是其测试结果精度存在一定误差。目前，户外I-V测试已经广泛在光伏发电系统现场得到应用。为了确保户外IV测试的准确性，国内外相关研究人员已开展了许多工作并取得一定成果。国外研究中文献[1]指出辐照度、电池温度影响组件的输出功率，并利用神经网络进行建模分析[1]；文献[2]重点讨论了温度对功率的影响，并综述了修正方法[2]；国内研究中，文献[3]探讨了光伏组件户外计量测试方法，分析组件故障原因[3]；文献[4]对测得的电压、电流及最大功率进行修正,使其结果能回推到标准测试条件(STC，辐照度为1000W/m2,光谱为AM1.5G，温度为25℃)下，并分析了产生测量不确定度的因素[4]。但已有研究还尚未完全解决户外I-V测试的问题，文中将对这些问题展开探讨和分析。 2测试方法概述 户外IV测试主要依据IEC61829，并引用IEC60904-1规范IV测试设备的要求，而测试的结果则是根据IEC60891进行修正。根据标准的要求，采用可变的负载连接到被测组件，同时采用高速的电压、电流采集装置，采集组件输出的电压和电流值，绘制得到IV曲线。目前，根据使用的负载类型可分为电阻式和电容式。电阻式测试仪有意大利HT的IV400、日本EKO的MP160、中电41所的AV6591等；电容式测试仪则有高美测仪的ProfitestPV、合肥科威尔的IVT系列测试仪等。尽管类型多种，其主体结构都包括辐照度探头、温度探头和带电压电流测量功能的可变负载。如图1所示。
如上图所示，I-V测试通过辐照度表测量组件表面的辐照度，温度探头测量组件温度，同时为了避免导线造成影响，采用4线法测量组件输出的电压和电流。
3户外测试存在的问题
3.1测试过程问题
户外光伏组件在测试过程中存在的问题，主要包括：（1）组件表面的清洁：组件长期暴露在户外环境下工作，其表面容易粘附污染物，导致进入组件的光减少，与辐照度表测得的辐照度值不一致；（2）辐照度测量的影响：辐照度表的精度、响应时间及其光谱响应与被测组件之间的差异，都将导致测得的辐照度与实际组件接受辐照度的不同，导致误差产生。此外，在户外条件下，辐照度还随时间不断变化，而户外I-V测试通常也需要数秒时间，在测量期间辐照度的变化也将影响I-V测试的结果；（3）光谱变化：实验室内的模拟器采用光谱接近AM1.5的灯源进行测试。而在户外环境下，光谱受地理位置、气象条件、季节和时间的影响不断变化。由于组件的光谱响应具有波段选择性，即使在辐照度相同的条件下，由于光谱分布的差异，也会导致组件的输出产生差异；（4）组件温度测试：I-V测试中，需要测量组件电池结温，由于电池被封装，无法直接测得结温。目前都是使用组件背部中心点温度代表组件的温度，但实际情况是组件的温度并不均匀，尤其是靠近接线盒端处电池的温度偏高，因此温度的测量也对组件I-V测试存在较大影响。
3.2测试结果的修正
为了能够对光伏组件进行比较，需要将光伏组件的测试结果修正到统一的参照条件（即STC条件），IEC60891-2009中给出了温度和辐照度的修正算法。根据标准的规定，在修正过程中，需要涉及到组件的内部参数，包括串联电阻、电压温度系数、电流温度系统等参数，这些参数主要是依靠组件厂商来提供，参数是在组件出厂时测得的，而随着组件在户外工作时间的增加，组件的参数会发生改变，因此也对测试的结果造成一定的影响。目前，户外I-V测试的参数修正到STC条件后的误差在±5%，甚至更高。
4解决方法分析
结合上述问题，为能够得到更好的户外测试结果，给出以下解决方法：
4.1基本要求条件
根据上述问题，为了能够准确进行户外测量，应从以下几个方面解决：（1）测量传感器的精度。IEC60904中给出了设备的基本精度要求，目前随着电子仪器设备水平的提高，仪器具有较高的精度，可以选用更高精度的设备：如电压和电流的采集精度可达到±0.5%，温度探头的准确度优于±0.5℃；辐照度精度可达到±3%；（2）规范测试操作流程：如测试前对组件进行表面清洗并确认组件表面无遮阴、安装辐照度探头与组件保持共平面、温度探头与组件背部紧密接触等；（3）天气条件选取：避免天气条件波动引入影响，如在测试中的太阳辐照度大于700W/m2，且测试过程中的辐照度波动＜5%，风速宜≤2m/s；（4）组件温度影响。在测量过程中，避免因确保组件的温度变化产生误差。组件的温度监测可以根据IV测试仪的温度显示，同时由于组件的开路电压与温度相关，同时通过监测电压的变化来确定组件温度。
4.2修正到STC条件
在测量结果数据的基础上，根据IEC608912009规定的方法进行修正，标准中给出了3种修正方法，选取合适的方法将使结果更接近真实值[5]。其中，程序1中考虑了温度和辐照度对电流和电压的影响，同时考虑了组件内部阻抗影响，可实现基本的修正功能，但模型简单，存在一定的修正误差，而且仅适用于辐照度和温度与目标值偏差较小的情况；程序2中，主要采用电压相对温度系数和电流相对温度系数进行修正，同时考虑了温度变化时组件内部阻抗的变化以及电池内部pn结热电压的影响，具有较高的精度；程序3方法利用线性插值方法对辐照度和温度进行修正，在实际过程中要得到较精确的方法需要使用内插方法，但是要在户外环境下测得边界条件参数具有一定难度。相比之下，程序2较适用于户外阵列的IV测试，而且其修正公式参数可以通过现场测试数据得到，具有良好的现场可操作性。程序2的IV曲线的修正如下：
其中，为测量的IV曲线上点对应的电流和电压值，是参考装置测量的辐照度值，是要修正到的目标辐照度值；是测试件的测量温度，是修正的目标温度；a是开路电压修正用的辐照度修正因子，典型值为0.06；是测试件的内部串联电阻；是测试条件下的开路电压；和为测试件的电流和电压温度系数；是内部串联电阻的温度系数。
5户外光伏组件IV测试结果
5.1测试数据结果
在光伏发电系统现场根据使用的测试方法进行测试。分别使用MP-160和室内超3A太阳模拟器进行I-V测试，其中，MP-160的电压和电流精度为0.5%，辐照度不确定度为0.7%，温度传感器精度为0.2℃；超3A模拟器测得的组件I-V曲线为STC条件下的参考曲线。同时，组件的参数为：=0.075Ω，=0.055%/℃，=-0.35%/℃，=0.002。在不同的辐照度和温度下测得组件的I-V曲线，并修正到STC条件下，得到的修正后的I-V曲线如图2所示，其中，STC条件下的曲线是采用超3A的瞬态模拟器，在实验室环境下对组件进行STC条件下的测试，作为组件I-V特性的参考基准。从图2可以看出，当辐照度在700W/m2以上时，采用修正程序2得到的STC下的曲线比较接近，同时也证明在条件相近的情况下，设备具有较好的重复性。而当辐照度过低时，修正结果则有较大的偏差。测得I-V特性曲线的具体数值如表1所示，其中室内环境下模拟器测得结果为标准值。根据数据结果可知，在辐照度较高（700W/m2以上）的情况下，修正到STC下的开路电压、短路电流和最大功率值与实际在STC条件下测得的最大绝对偏差分别为0.8%，1.5%和1.2%。
5.2户外测试的不确定度分析
通过上述测量，可以发现在室外测试过程中，组件I-V特性测试的结果存在不同程度的差异。目前，组件测量的不确定度得到了广泛的关注，一些权威计量测试机构对不确定度的来源进行了分析。其主要的不确定度影响因素如表2所列。
在户外条件下，组件温度、太阳辐照度以及户外阳光光谱等因素都随着时间不断变化，具有较大的波动性。室内太阳模拟器法测试，可以在温度、辐照度和光谱方面进行控制，测量结果的不确定度较小。因此，在户外测试过程中，需要采取措施尽量降低上述因素对结果的影响。
6结语
户外光伏I-V曲线的测试对于光伏系统运行维护、性能评估具有重要意义。文中探讨I-V测试过程中存在的关键问题并进行分析，并通过测试实验，同时依据IEC60891中规定的程序进行修正，测试结果具有较好的一致性。但是由于在实际测试过程中仍然受到多种因素的影响，户外光伏组件的I-V测试存在一定的不确定性，而且对这些不确定因素的影响还缺乏有效的定量观测手段。因此，还需要更深入的理论研究和测试实验，建立更完备的模型，实现户外环境下组件I-V特性的准确测试。
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