高精度光伏组件测试仪电控系统设计

赖其涛

(绍兴职业技术学院，浙江 绍兴 312000)

0 引言

光伏组件是光伏发电系统中的核心部分，由光伏电池片或钢线切割机或激光切割机切割开，由不同规格的太阳能电池片组合构成。用户对组件测试的要求越来越高。组件测试的目的是测试其输出特性，对电池的输出功率进行标定，确定组件的质量等级[1-2]。

太阳能组件测试仪专门用于太阳能多晶硅、单晶硅的电性能测试。目前，如何准确地测试出额定功率却长期地困扰着组件的生产者和采购者。针对这一情况，本文主要对生产过程中光伏组件需要进行电性能参数的全自动测试，进行了测试系统的电控系统的研究和设计。

1 系统控制对象

系统控制对象如图1所示。

图1 系统控制框图

测试系统的工作原理是，当氙灯闪光照射到被测电池上时，控制系统就会下达指令控制电子负载，进而控制光伏组件中电流的变化，由此测出电池的伏安特性曲线上的电压、电流、温度和光照辐射强度等数据，并把测试数据送入计算机进行处理，最后显示、打印。

1.1 温度检测

为确定地面用光伏组件的额定电气参数(即电性能参数)，国际电工委员会第82技术委员会推出了“标准测试条件(standard test condition,STC)”这个概念。其具体条件为：组件温度25 ℃、辐照度1 000 W/m2、光谱辐照度分布AM1.5。

以晶体硅光伏太阳能电池组件为例，测量其电性能常用的方式是，在精确控制光源照射强度下，进行光伏组件的伏安特性曲线的测试，并严格控制光伏电池表面的温度[3-4]。由于晶硅电池对温度和光的强都很敏感，因此在进行测试的时候各种条件都需要仔细控制。对于测试光源，光强和光谱这两个数据都极其重要，必须严格控制在AM1.5光谱[5-7]。当测试在一定的温度范围内，光伏组件温度升高时，短路电流就会轻微地上升，而开路电压会产生较大幅度的下降，从而影响填充因子和最大功率。

综上所述，温度对于组件测试仪器来说是非常重要的，所以必须给测试仪器配置一个高精度；高准确度的工业测温仪。系统中选取了美国雷泰公司MI3工业红外测温仪。Thermalert-MI3系列为非接触式红外温度测量系统。该红外探头系列准确地测量物体辐射的能量并将其转化成温度信号，测试精度可达±1 ℃。最大可能地满足光伏组件测试仪器对温度的需求。

采用符合IEC 529 (IP65,NEMA-4)的不锈钢外壳把传感探头保护起来，并通过长度为1 m的电缆连接到电路盒上。电路盒和传感探头是分离的，这样传感探头就可以工作在较热的环境中，环境温度温可高达65 ℃。

1.2 门状态检测

由于仪器对测试环境要求较高，要求保证1 000 W/m2的测试条件，所以将组件通过传送带传入测试仪器以后，必须防止外界光源对测试结果的影响，以及测试时候仪器对外界环境的光污染。系统在组件进入测试仪器以后要自动关门，再启动测试，测试完成以后再自动开门，把光伏组件送出。为了防止组件在送入和送出和门相撞，因此要对门的状态进行检测，实现闭环控制。当控制系统下达开门或关门指令时，由于电气或机械的原因，门没有按指令要求执行。这个时候，对光伏组件的传送会产生非常严重的问题。必须对指令的执行进行闭环控制，来检测指令是否被执行单元执行到位；因此，在进门的地方用了两个霍尔传感器来检测门的开关状态。同理，在输出门也安装了两颗霍尔传感器来检测门的开关状态，以防止组件在传送过程碰撞到门，产生经济损失。

1.3 光伏组件位置检测

由于光伏组件是从流水线传递过来的，在整个测试和传递过程中要实时检测流水线上方的状况(有无光伏组件)，防止在光伏组件的传递过程发生碰撞，产生经济损失。

光伏组件由一个铝边框和玻璃板构成，传输的时候面朝上。光伏组件主要是由玻璃构成，所以霍尔传感器不适用。电容式传感器和电感式传感器对玻璃可以检测，但不敏感，容易导致误测，所以在这里选用了欧姆龙的红外传感器对电池板的传输位置进行检测，使光伏组件能够精确地停在预定的位置。为了实现电池组件每次都能够停在相同的位置，使用了欧姆龙的E3Z_Laser系列激光传感器;该传感器光点直径为0.5 mm，数字信号传输，抗干扰性能好，能确保控制系统不误操作，同时满足传输到位精确性。

1.4 开门关门控制

系统通过控制气缸的运动来实现对门开关的控制，而气缸的运动采用电磁阀控制。系统中，气缸选用了SMC的薄型长程气缸CQ2A32-250DCM，电磁阀选用SMC的SYJ7120-C6。为了实现闭环控制，要对门开关状态进行实时监测。因此，在门的两端安装两个霍尔传感器对门动作进行严格的确认。 由于门的开关由两个气缸完成，当一个气缸的动作出现异常，就可能会导致门发生倾斜而导致机械卡死。如果只装有一个传感器就无法监测这种状态，导致生产事故。因此控制系统下达对门进行开关命令以后，要检测门实际的状态，判断命令是否有效，以决定下一步的动作，防止电磁阀、气缸、机械零件等发生故障而导致的生产事故。

1.5 电机的控制

由于传输线上传输的光伏组件，封装在其内部的硅片厚度只有100 μm左右，要求传动平稳，并且传递到测试仪器内部要求定位基本精准，所以采用变频器作为电机的驱动器。

系统选用的变频器为台达的VFD002L21A,功率为200 W。项目中只对电机的起停位置和平稳度有要求，所以对变频器只需要配置他们的加速时间和减速时间，保证光伏组件能够起动和停止平稳，增长电机使用寿命。电机的启动和停止指令通过多功能输入端子进行操作，接一个继电器，以便控制系统进行控制。

1.6 电子负载控制

测试中，需要对电子负载进行开关操作，以便软件能够进行短路到开路的测试；或者进行开路到短路的测试，获得比较精确的短路电流和开路电压，打印出比较理想的功率曲线[8]。这里只要一个开关量就可以实现了，但是有一个非常关键的地方就是闪光触发以后，必须对电子负载进行控制测量。电子负载的开关控制由氙灯电源提供，氙灯电源进行点灯以后，延时一段时间以后就对电子负载下达开关指令，延时的时间是通过上位机可以配置的。

1.7 传输线传动控制

由于光伏组件进入测试仪和传出测试仪需要和外部的流水线进行通信，项目中选用了CAN通信进行测试仪器和其他传动装置的联系CAN通信网络的实时性非常好，抗干扰性也很优秀，并且现在的单片机系统都有内置的CAN控制器，大大缩短产品的开发周期。

2 主控制板设计

根据以上分析，项目中需要控制的输入开关量为6个，输出开关量为3个，CAN接口为2个，RS-485接口为2个。为了将来扩展方便，为该控制系统设计了12路输入、10路输出、2个CAN通信口、2个RS-485通信口。主控芯片采用STM32系列单片机。

3 软件设计

由于项目中的测试对象光伏组件是通过传输机构运输到测试箱体内的，为了保证整个传输能够快速、稳定、可靠、安全地运行，必须对传输系统进行严格的控制，以确保组件在传动时不发送碰撞、跌落等安全事故。因此，必须为进箱体传输机构、箱内传输机构、出箱体传输机构选择合适的通信协议，并编写程序。由于进箱体和出箱体基本结构相同，把它们称为A型节点、箱内流水线称为C型节点。

4 测试结果分析

打开上位机软件，设置好各参数开启采集，串口端口号根据实际的端口号配置，在每一台设备上可能不一样，设置电压为氙灯工作电压。随着氙灯的老化，获得同样的光强需要更高的电压，在实际测试中应该根据光强传感器的数值调整氙灯电压。

软件编制了组件测试仪电控系统的调试界面，设备在调试阶段可以用此界面单独控制各个传动控制部

件，查看他是否正常，也可以用在后期的故障排除，工作完成后由系统接管进入自动控制。

设备的电流-电压/功率曲线如图2所示。设备调试完成以后，流水线上放置光伏组件，将自动地传递到测试仪器内部，进行自动测试。测试完成以后，该图以JPG文件保存在测试者设置的文件夹中，并生成测试报告。

图2 电流-电压的功率曲线图

5 结束语

根据目前国内国际光伏组件测试仪器采用手工测试的现状，以及广大光伏组件生产厂的实际使用情况，研究了如何实现光伏组件的自动传输测试，设计了符合生成实际需求的多种隔离措施的电控系统。根据组件厂生产情况表明，该光伏组件测试仪电控系统在生产现场，运行情况可靠稳定，大大节省了劳动力，提高了测试效率。