HT IV400 光伏组件测试仪器的校准方法探讨

刘 琼，李世民，包建勤，刘 伟

(甘肃省太阳能光伏重点实验室，甘肃自然能源研究所，甘肃 兰州 730000)

HT-IV400 是意大利HT 公司生产的户外或现场进行单个太阳电池组件或光伏电站组串的I‐V 输出特性测试的多功能智能型仪器，是目前光伏业内应用最为广泛的组件和阵列性能检测仪器之一。但是由于该类多功能检测仪器检测内容繁多，功能复杂，传感器信号收集处理系统繁多，测试结果多为拟合值，该类仪器的校准一直是一个比较困难的问题。

经长期使用后，HT-IV400 相关传感元件和内部电路会发生灵敏度下降和衰减和变化等问题，原有测试精度会发生较大变化。此类仪器无法通过常规手段进行校准，因而导致测试不准等很多工作不便。因此，开展多此类多类传感器集成式测试仪器的校准十分必要。

1 校准原理

本仪器连接光伏组件输出端后，在阳光下可直接检测光伏组件或组件串的输出特性，测量内容有光伏组件输出电压、输出电流、组件（串）内阻、太阳辐射、光伏组件板温等参数，经过数秒钟快速收集检测数据后经内部电脑处理，不仅显示实测开路电压、短路电流、最大输出功率、太阳辐射、组件板温以及IV 特性曲线等参数，测量结果会自动“转换”成标准条件（STC）即太阳辐照度1000W/m2，板温25℃下的测试参数并直接显示在显示屏上。

尽管该仪器属于智能化专用仪器，功能复杂，无法找到某一种专用设备对其进行校准，但是正如所有智能化检测仪器一样，该仪器集成了电压、电流、辐射、温度等检测功能，并进行内部智能化运算，达到了一系列运算和分析结果，丰富了检测内容。而这些结果和内容实质上不是直接检测数据，而是分析计算的二次结果。由于设备内部计算机程序是固定不变的，其数据处理和计算结果不会因仪器使用年限产生误差，因此只要对最初始的检测探头或传感器进行校准，就可以达到对该仪器综合校准的目的[1，2]。该仪器的基本检测功能或传感器可分解成的几项内容见表1。

表1 仪器基本检测功能

2 校准方法

针对不同的传感元件采用分项校准的办法，来校准复杂的智能型检测仪器的方法，对集成在仪器内部的电压、电流、辐射、温度等传感器进行分别校准，从而达到完成对该仪器综合校准的目的[3,4]。

该校准过程需要选用一台或几台范围较宽的标准稳压电源，一台高精度电压表、一台高精度电流表及限流电阻组成校准检测电路，如图1 所示。高精度电压表和电流表通常可以用4 位半以上的数字万用表代替，如果条件不容许，也可以用性能比较好的3 位半数字万用表代替。

图1 仪器校准连接电路图

图中，R1，R2 组成限流电路，以保证通过被检仪器的电流不会超过检测范围，确保被校检仪器的安全。

2.1 电压的校准

将本仪表和标准电压表并联接入标准电压源，依次分别输出0V，50V，100V，200V 和500V 等电压，调节直流稳压电源和可调电阻，控制输出电流1A 左右，依次启动HT-IV400 进行测试。同时读取并记录HT-IV400 的开路电压值（Voc）和标准电压表的读数，进行电压的校准比对，并确定每个电压档位的测试误差。需要说明的是，IV400 在测试过程中会对被测电源进行短路到开路整个过程的电压进行多点测试，这里只需针对开路电压和标准电压表读数进行比对，其他数据可以忽略。由于测试仪器的传感器和二次仪表的线性等原因，各测试校准电压点的误差（εVi）可能也会有较大的不同。若发现测试误差大于仪表原定测试误差，应标注，以便日后使用该仪器测试时修正[5,6]。

εVi=标准电压表读数-IV400 开路电压读数

若稳压电源电压不稳，测试数据不稳定、发生跳变时，应采用多次测试并逐次计算出测试误差，最终取测试误差的平均值（εV）。

2.2 电流的校准

调节直流稳压电源，保持输出电压稳定在30V左右，调节限流电阻。依次分别使输出电流达到0A，1A，2A……10A 等，依次启动HT-IV400 进行测试，同时记录HT-IV400 短路电流（Isc）和标准电流表的读数，进行不同电流的校准比对。如同上述电压校准一样，确定各电流测试校准点的误差。

εI=标准电流表读数-IV400 短路电流读数

采用多次测试并逐次计算出测试误差，最终取测试误差的平均值（εI）。

2.3 辐射校准

太阳辐射计的校准是一个相对复杂的过程，通常是利用太阳光或者在实验室模拟标准太阳光条件下，采用标准辐射表与待校准表进行比对校准[7,8]。本文采用户外太阳光作为光源，采用美国EPPLY 实验室标准阳光总辐射计作为标准仪表对该IV400的辐射监测部分进行对比传递校准。为了确保校准测试精度，采用将标准辐射计和被校准辐射传感器安装在同一平面，保持辐射计传感器法向面对太阳光进行对比校准[10]。由于IV400 采用的辐射传感器是单晶硅和多晶硅太阳能电池，这种传感器通常线性响应较差，特别是在低辐射情况下，其灵敏度较低[9-12]；同时，鉴于IV400 要求测试光伏组件的辐射条件是800W/m2以上，所以对于该仪器的辐射校准就只限于800W/m2-1000W/m2范围。校准时选择晴朗无云的天气，针对范围内的太阳辐射进行多次对比测试[12]。太阳辐射测试比对校准如图2 所示。

图2 太阳辐射测试比对校准示意图

式中：Vx是IV400 辐射传感器的输出电压值

α 是IV400 辐射传感器的原灵敏度（mV/kW/m2）

ε 是测试误差

Sb是标准表读数

Sx是待校准表（IV400）的辐射值读数

以下公式可以计算出每一次对比测试产生的IV400 辐射传感器的新的灵敏度（α1）:

将多次测试的灵敏度值进行算数平均，最终可获得被校准仪器新的灵敏度系数值。

通过仪器的设定程序系统重新输入IV400，用新的系数替换原有的灵敏度系数，从而达到仪器辐射探头校准的目的。

2.4 温度校准

温度校准可采用常规温度计的校准方法，采用恒温槽和0.2 级标准温度计进行校准。由于该仪表温度检测精度要求不高，普通的恒温水浴配合标准温度计校准即可，通常校准常温（25℃左右），50℃和75℃即可满足要求。

3 综合分析和修正

获得各项传感器校准数据后，应该按要求进行数据处理，找出各技术指标与标准之间的差距和规律。然后根据各数据在该仪器检测结果内的权重进行综合误差分析。由于该设备功能上没有对电流、电压和温度等传感器灵敏度的调节和修正功能，所以经过校验发现的各传感器误差可与IV400 测试给出的计算值进行对比，从而对测试结果的误差进行估算。此外，还可通过多次测试，收集数据并分析出可靠的针对单个仪器的偏差校正系数。

4 实际效果和结论

实例：一台使用期6 年的IV400 光伏组件测试仪，在实践中发现测试结果与实际情况有较大的差异，测试结果通常都要略小于其他仪器的测试结果值。例如一块320Wp 的组件，该仪器测试结果只有不足300Wp。按上述方法对该仪器的电流、电压和温度传感器逐一进行校准，实验和校准发现该仪器的测试功能和精度都能达到原仪器设计技术指标，经校验发现是太阳辐射探头性能衰减造成，该辐射探头单晶硅灵敏度29.1mV/kW/m2，按照上述方法对辐射探头及仪器显示功能进行校准：见表2。

表2 辐射探头及仪器显示功能校准

取多次校准测试并计算的修正灵敏度平均值作为仪器太阳辐射探头的新灵敏度值，将新的灵敏度系数输入仪器后，该仪器的测试准确度大大提高，达到了仪器的原技术指标要求。

实践证明由于该仪器采用大规模集成电路，电路性能稳定，可靠性很好，如果电压、电流以及温度的测试结果出现偏差，可根据校准结果对读数进行修正，测试精度基本能满足实际测试的需要。

该仪器辐射传感器采用晶体硅电池做辐射传感器，尽管简单、经济、灵敏度高，但是也因为硅电池先天的光谱响应范围比较窄、温度特性较差和晶体硅电池光伏转换性能逐渐衰减的原因[13]，其探头灵敏度也会随时间而发生变化，导致它的测量精度不准，实验证明，5 年不校准的辐射传感器，其测试误差达到了5%～10%左右，这是影响该仪器测试准确度的关键因素。传感元件灵敏度的下降导致测试结果出现偏差，应用校准得到的灵敏度系数进行修正后测试精度基本能满足实际测试的需要。建议每年应校准一次[14，15]。

经实践证明，经校验过的仪器的测试精度完全可以达到设备原出厂技术指标，完全能满足日常光伏发电站现场测试的要求。