高精度光伏組件測試儀電控系統(tǒng)設(shè)計

賴其濤

(紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000)

0 引言

光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，由光伏電池片或鋼線切割機或激光切割機切割開，由不同規(guī)格的太陽能電池片組合構(gòu)成。用戶對組件測試的要求越來越高。組件測試的目的是測試其輸出特性，對電池的輸出功率進行標(biāo)定，確定組件的質(zhì)量等級[1-2]。

太陽能組件測試儀專門用于太陽能多晶硅、單晶硅的電性能測試。目前，如何準(zhǔn)確地測試出額定功率卻長期地困擾著組件的生產(chǎn)者和采購者。針對這一情況，本文主要對生產(chǎn)過程中光伏組件需要進行電性能參數(shù)的全自動測試，進行了測試系統(tǒng)的電控系統(tǒng)的研究和設(shè)計。

1 系統(tǒng)控制對象

系統(tǒng)控制對象如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

測試系統(tǒng)的工作原理是，當(dāng)氙燈閃光照射到被測電池上時，控制系統(tǒng)就會下達指令控制電子負載，進而控制光伏組件中電流的變化，由此測出電池的伏安特性曲線上的電壓、電流、溫度和光照輻射強度等數(shù)據(jù)，并把測試數(shù)據(jù)送入計算機進行處理，最后顯示、打印。

1.1 溫度檢測

為確定地面用光伏組件的額定電氣參數(shù)(即電性能參數(shù))，國際電工委員會第82技術(shù)委員會推出了“標(biāo)準(zhǔn)測試條件(standard test condition,STC)”這個概念。其具體條件為：組件溫度25 ℃、輻照度1 000 W/m2、光譜輻照度分布AM1.5。

以晶體硅光伏太陽能電池組件為例，測量其電性能常用的方式是，在精確控制光源照射強度下，進行光伏組件的伏安特性曲線的測試，并嚴(yán)格控制光伏電池表面的溫度[3-4]。由于晶硅電池對溫度和光的強都很敏感，因此在進行測試的時候各種條件都需要仔細控制。對于測試光源，光強和光譜這兩個數(shù)據(jù)都極其重要，必須嚴(yán)格控制在AM1.5光譜[5-7]。當(dāng)測試在一定的溫度范圍內(nèi)，光伏組件溫度升高時，短路電流就會輕微地上升，而開路電壓會產(chǎn)生較大幅度的下降，從而影響填充因子和最大功率。

綜上所述，溫度對于組件測試儀器來說是非常重要的，所以必須給測試儀器配置一個高精度；高準(zhǔn)確度的工業(yè)測溫儀。系統(tǒng)中選取了美國雷泰公司MI3工業(yè)紅外測溫儀。Thermalert-MI3系列為非接觸式紅外溫度測量系統(tǒng)。該紅外探頭系列準(zhǔn)確地測量物體輻射的能量并將其轉(zhuǎn)化成溫度信號，測試精度可達±1 ℃。最大可能地滿足光伏組件測試儀器對溫度的需求。

采用符合IEC 529 (IP65,NEMA-4)的不銹鋼外殼把傳感探頭保護起來，并通過長度為1 m的電纜連接到電路盒上。電路盒和傳感探頭是分離的，這樣傳感探頭就可以工作在較熱的環(huán)境中，環(huán)境溫度溫可高達65 ℃。

1.2 門狀態(tài)檢測

由于儀器對測試環(huán)境要求較高，要求保證1 000 W/m2的測試條件，所以將組件通過傳送帶傳入測試儀器以后，必須防止外界光源對測試結(jié)果的影響，以及測試時候儀器對外界環(huán)境的光污染。系統(tǒng)在組件進入測試儀器以后要自動關(guān)門，再啟動測試，測試完成以后再自動開門，把光伏組件送出。為了防止組件在送入和送出和門相撞，因此要對門的狀態(tài)進行檢測，實現(xiàn)閉環(huán)控制。當(dāng)控制系統(tǒng)下達開門或關(guān)門指令時，由于電氣或機械的原因，門沒有按指令要求執(zhí)行。這個時候，對光伏組件的傳送會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的問題。必須對指令的執(zhí)行進行閉環(huán)控制，來檢測指令是否被執(zhí)行單元執(zhí)行到位；因此，在進門的地方用了兩個霍爾傳感器來檢測門的開關(guān)狀態(tài)。同理，在輸出門也安裝了兩顆霍爾傳感器來檢測門的開關(guān)狀態(tài)，以防止組件在傳送過程碰撞到門，產(chǎn)生經(jīng)濟損失。

1.3 光伏組件位置檢測

由于光伏組件是從流水線傳遞過來的，在整個測試和傳遞過程中要實時檢測流水線上方的狀況(有無光伏組件)，防止在光伏組件的傳遞過程發(fā)生碰撞，產(chǎn)生經(jīng)濟損失。

光伏組件由一個鋁邊框和玻璃板構(gòu)成，傳輸?shù)臅r候面朝上。光伏組件主要是由玻璃構(gòu)成，所以霍爾傳感器不適用。電容式傳感器和電感式傳感器對玻璃可以檢測，但不敏感，容易導(dǎo)致誤測，所以在這里選用了歐姆龍的紅外傳感器對電池板的傳輸位置進行檢測，使光伏組件能夠精確地停在預(yù)定的位置。為了實現(xiàn)電池組件每次都能夠停在相同的位置，使用了歐姆龍的E3Z_Laser系列激光傳感器;該傳感器光點直徑為0.5 mm，數(shù)字信號傳輸，抗干擾性能好，能確?？刂葡到y(tǒng)不誤操作，同時滿足傳輸?shù)轿痪_性。

1.4 開門關(guān)門控制

系統(tǒng)通過控制氣缸的運動來實現(xiàn)對門開關(guān)的控制，而氣缸的運動采用電磁閥控制。系統(tǒng)中，氣缸選用了SMC的薄型長程氣缸CQ2A32-250DCM，電磁閥選用SMC的SYJ7120-C6。為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，要對門開關(guān)狀態(tài)進行實時監(jiān)測。因此，在門的兩端安裝兩個霍爾傳感器對門動作進行嚴(yán)格的確認(rèn)。 由于門的開關(guān)由兩個氣缸完成，當(dāng)一個氣缸的動作出現(xiàn)異常，就可能會導(dǎo)致門發(fā)生傾斜而導(dǎo)致機械卡死。如果只裝有一個傳感器就無法監(jiān)測這種狀態(tài)，導(dǎo)致生產(chǎn)事故。因此控制系統(tǒng)下達對門進行開關(guān)命令以后，要檢測門實際的狀態(tài)，判斷命令是否有效，以決定下一步的動作，防止電磁閥、氣缸、機械零件等發(fā)生故障而導(dǎo)致的生產(chǎn)事故。

1.5 電機的控制

由于傳輸線上傳輸?shù)墓夥M件，封裝在其內(nèi)部的硅片厚度只有100 μm左右，要求傳動平穩(wěn)，并且傳遞到測試儀器內(nèi)部要求定位基本精準(zhǔn)，所以采用變頻器作為電機的驅(qū)動器。

系統(tǒng)選用的變頻器為臺達的VFD002L21A,功率為200 W。項目中只對電機的起停位置和平穩(wěn)度有要求，所以對變頻器只需要配置他們的加速時間和減速時間，保證光伏組件能夠起動和停止平穩(wěn)，增長電機使用壽命。電機的啟動和停止指令通過多功能輸入端子進行操作，接一個繼電器，以便控制系統(tǒng)進行控制。

1.6 電子負載控制

測試中，需要對電子負載進行開關(guān)操作，以便軟件能夠進行短路到開路的測試；或者進行開路到短路的測試，獲得比較精確的短路電流和開路電壓，打印出比較理想的功率曲線[8]。這里只要一個開關(guān)量就可以實現(xiàn)了，但是有一個非常關(guān)鍵的地方就是閃光觸發(fā)以后，必須對電子負載進行控制測量。電子負載的開關(guān)控制由氙燈電源提供，氙燈電源進行點燈以后，延時一段時間以后就對電子負載下達開關(guān)指令，延時的時間是通過上位機可以配置的。

1.7 傳輸線傳動控制

由于光伏組件進入測試儀和傳出測試儀需要和外部的流水線進行通信，項目中選用了CAN通信進行測試儀器和其他傳動裝置的聯(lián)系CAN通信網(wǎng)絡(luò)的實時性非常好，抗干擾性也很優(yōu)秀，并且現(xiàn)在的單片機系統(tǒng)都有內(nèi)置的CAN控制器，大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

2 主控制板設(shè)計

根據(jù)以上分析，項目中需要控制的輸入開關(guān)量為6個，輸出開關(guān)量為3個，CAN接口為2個，RS-485接口為2個。為了將來擴展方便，為該控制系統(tǒng)設(shè)計了12路輸入、10路輸出、2個CAN通信口、2個RS-485通信口。主控芯片采用STM32系列單片機。

3 軟件設(shè)計

由于項目中的測試對象光伏組件是通過傳輸機構(gòu)運輸?shù)綔y試箱體內(nèi)的，為了保證整個傳輸能夠快速、穩(wěn)定、可靠、安全地運行，必須對傳輸系統(tǒng)進行嚴(yán)格的控制，以確保組件在傳動時不發(fā)送碰撞、跌落等安全事故。因此，必須為進箱體傳輸機構(gòu)、箱內(nèi)傳輸機構(gòu)、出箱體傳輸機構(gòu)選擇合適的通信協(xié)議，并編寫程序。由于進箱體和出箱體基本結(jié)構(gòu)相同，把它們稱為A型節(jié)點、箱內(nèi)流水線稱為C型節(jié)點。

4 測試結(jié)果分析

打開上位機軟件，設(shè)置好各參數(shù)開啟采集，串口端口號根據(jù)實際的端口號配置，在每一臺設(shè)備上可能不一樣，設(shè)置電壓為氙燈工作電壓。隨著氙燈的老化，獲得同樣的光強需要更高的電壓，在實際測試中應(yīng)該根據(jù)光強傳感器的數(shù)值調(diào)整氙燈電壓。

軟件編制了組件測試儀電控系統(tǒng)的調(diào)試界面，設(shè)備在調(diào)試階段可以用此界面單獨控制各個傳動控制部

件，查看他是否正常，也可以用在后期的故障排除，工作完成后由系統(tǒng)接管進入自動控制。

設(shè)備的電流-電壓/功率曲線如圖2所示。設(shè)備調(diào)試完成以后，流水線上放置光伏組件，將自動地傳遞到測試儀器內(nèi)部，進行自動測試。測試完成以后，該圖以JPG文件保存在測試者設(shè)置的文件夾中，并生成測試報告。

圖2 電流-電壓的功率曲線圖

5 結(jié)束語

根據(jù)目前國內(nèi)國際光伏組件測試儀器采用手工測試的現(xiàn)狀，以及廣大光伏組件生產(chǎn)廠的實際使用情況，研究了如何實現(xiàn)光伏組件的自動傳輸測試，設(shè)計了符合生成實際需求的多種隔離措施的電控系統(tǒng)。根據(jù)組件廠生產(chǎn)情況表明，該光伏組件測試儀電控系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場，運行情況可靠穩(wěn)定，大大節(jié)省了勞動力，提高了測試效率。