光伏組件測試的復現(xiàn)性詳解

楊晨昊，習 羽，張展通

(中檢集團南方測試股份有限公司，深圳 518055)

0 引言

2016年3月，IEC 61215:2016系列標準替代了IEC 61215:2005，而依據(jù)IEC 61215:2005進行的光伏組件測試時的組件功率判定方法也隨之發(fā)生變化。隨著新版標準的發(fā)布，國內(nèi)外認證機構及檢測實驗室紛紛推出了針對新版標準的檢測認證服務，越來越多的企業(yè)已通過了相關檢測并順利獲得了認證證書；與此同時，國內(nèi)的相關政策及項目選型中的產(chǎn)品認證標準也逐漸以新版標準為依據(jù)。

相較于IEC 61215:2005，IEC 61215:2016系列標準除了改變光伏組件測試時的測試方法及測試序列外，合格判定方式也變得更為嚴謹，不僅在光伏組件初始穩(wěn)定性試驗后的功率測試時增加了銘牌額定值判定(即Gate No.1判定)，同時在最終功率判定(即Gate No.2判定)時引入了復現(xiàn)性(reproducibility)的概念。光伏組件功率判定是產(chǎn)品能否通過檢測的核心指標，也是行業(yè)內(nèi)最關注的產(chǎn)品檢測指標之一，甚至可能會關系到價值數(shù)億元的訂單能否成功。因此，對于復現(xiàn)性的正確理解和正確使用需引起所有光伏組件認證、檢測從業(yè)人員的重視。本文針對復現(xiàn)性的定義，重要性及算法進行了推演和闡述。

1 復現(xiàn)性的引入原因

在IEC 61215:2005中僅提到了“組件整體的最終功率衰減率限制在8%以內(nèi)”和“組件單項測試的功率衰減率限制在5%以內(nèi)”[1]，并未指出與初始功率相關的判定依據(jù)，也未給出衰減率的計算公式。標準中如此不嚴謹?shù)膶懛ńo實際的光伏組件測試帶來了以下3方面的問題：

1)缺乏與初始功率相關的判定依據(jù)。由于IEC 61215:2005只指出了衰減率的限制而未明確針對初始功率判定的要求，導致在參考該版標準進行測試認證時對產(chǎn)品初始功率的判定并無標準依據(jù)。比如某光伏組件測試項目中，廠家宣稱其光伏組件的初始功率為300 W，而預處理后的功率測試結(jié)果無論是100 W還是400 W，都無標準依據(jù)來判定該測試是否失敗。在某些認證/測試報告中，常會出現(xiàn)同一型號光伏組件的初始功率相差幾十瓦的情況，甚至會出現(xiàn)低功率型號光伏組件的初始功率比高功率型號光伏組件的初始功率更高的情況，這顯然是不合理的。

2) 組件功率測試時是否采用不確定度缺乏依據(jù)。在初始功率判定無明確標準依據(jù)的情況下，各認證機構和檢測實驗室會在制定認證規(guī)則時相應增加針對初始功率判定的要求或在光伏組件測試時對組件初始功率的判定方式加以控制。但在初始功率和衰減率判定時是否應考慮不確定度成為多方爭議的焦點。國內(nèi)實驗室的組件功率測試時的不確定度普遍約為3%，標準中要求的2種情況下的衰減率限額也僅分別為8%和5%；是否考慮不確定度并無明確的標準依據(jù)，但是否考慮該因素對測試結(jié)果的判定有重大影響。

3)控制組件的功能不明確。依據(jù)標準中的光伏組件測試序列圖，用于測試的組件樣品中需有1塊組件樣品作為控制組件，其僅進行初始和最終試驗，不參與序列中的其余試驗。行業(yè)內(nèi)普遍認為控制組件存在的意義是體現(xiàn)樣品的自然衰減，但標準中卻并未提及該控制組件的真正用途。所以，當控制組件的前、后測試結(jié)果出現(xiàn)差異，即“自然衰減”實際發(fā)生時，如何對待其對組件測試結(jié)果進行判定的影響成了業(yè)內(nèi)爭議的焦點。尤其是對其他組件樣品進行衰減率計算時，是否需要排除控制組件體現(xiàn)的自然衰減也一直存在爭議。

正因為存在以上爭議，在之后的IEC 61215 Ed.3 COMMITTEE DRAFT (未正式發(fā)布)中，補充了“The STC power measured in 10.2 shall meet the manufacturer’s power rating range after preconditioning”的條款，即補充了初始功率判定要求(僅給出了判定時的下限，缺乏判定時的上限)，并在初始功率判定時引入了不確定度的具體算法。但對于“初始功率判定時的上限要求”“衰減率判定時是否需要考慮不確定度”“控制組件的功能”“衰減率測試判定時是否需要排除組件的自然衰減”等問題依然未得到解決。

直到IEC 61215:2016系列標準發(fā)布，才真正解決了上述問題。IEC 61215-1:2016給出了銘牌額定值判定(即Gate No.1判定)的詳細計算公式，通過對樣品的功率、平均功率、開路電壓、短路電流進行要求，明確了初始功率判定的上限和下限，且公式中包含了不確定度，完全解決了缺乏初始功率判定依據(jù)及是否考慮不確定度的問題。而在最終功率判定(即Gate No.2判定)條款中也給出了最終功率的計算公式，既明確了衰減率判定時不考慮不確定度，又引入了復現(xiàn)性這一概念。

最終功率Pmax(Lab_Gate No.2)的計算公式為：

式中，Pmax(Lab_Gate No.2)為實驗室測定的最終功率；Pmax(Lab_Gate No.1)為實驗室測定的初始功率；r在標準中的描述為“reproducibilityr”，但并未說明其具體的定義及計算方式，因此此處暫且稱其為“復現(xiàn)性r”。

根據(jù)IEC 61215-1:2016中3.5條款的內(nèi)容，對于“reproducibility”的定義是“closeness of agreement between the results of measurements of the same value of a quantity,when the individual measurements are made under different conditions of measurement”[2]，譯文為“復現(xiàn)性是指當在不同測試條件下對同一量值進行測試時，測試結(jié)果之間的一致性”。

從式(1)可以看出，除了5%的衰減率限額，判定時還代入了復現(xiàn)性r，且復現(xiàn)性r值的大小由實驗室功率測試結(jié)果的一致性和控制組件的自然衰減率決定。由此可見，在進行Gate No.2判定時，被測組件的部分自然衰減率和實驗室測試結(jié)果的一致性所產(chǎn)生的影響被排除，代入復現(xiàn)性r使判定結(jié)果更加的真實可信。

被測組件的自然衰減率只是部分被排除的原因是在IEC 61215-1-1:2016等針對特定產(chǎn)品的特殊測試要求中，規(guī)定了復現(xiàn)性r的最大取值范圍，例如對于晶體硅光伏組件而言，復現(xiàn)性r的取值不得大于1%，這種取值范圍的限定保證了只有合理的自然衰減才會通過考慮復現(xiàn)性而被排除。對于經(jīng)過初始穩(wěn)定性試驗后仍出現(xiàn)較大自然衰減的光伏組件而言，應歸因于產(chǎn)品質(zhì)量問題，此時不宜在Gate No.2判定中排除自然衰減的影響。

此外，結(jié)合復現(xiàn)性的定義就很容易理解為何Gate No.1判定和Gate No.2判定中分別考慮了不確定度和復現(xiàn)性。在Gate No.1判定中，需要考慮測試結(jié)果是否符合銘牌值的要求，所以需要考慮單次測試值和真實值之間的差距，故而需要找出被測試值的真實值分布區(qū)間，不確定度正是用于體現(xiàn)真實值的分布，所以需要代入其進行計算；而在Gate No.2判定中，僅需考慮前后測試間的一致性，無需考慮單次測試值與真實值的差距，因此無需代入不確定度進行計算，但是不同測試條件下得到的測試結(jié)果的不一致程度及樣品的自然衰減會使衰減率的值變得更大，所以需要代入復現(xiàn)性r進行計算，以去除相應的影響。

綜上可知，復現(xiàn)性概念的引入也明確了控制組件的功能——通過對控制組件測試結(jié)果的統(tǒng)計分析得出復現(xiàn)性r的值，可以用來影響測試項目中其他樣品的衰減率判定結(jié)果。很明顯，復現(xiàn)性在Gate No.2判定中的重要性等同于測試不確定度在Gate No.1判定中的重要性，若不能正確理解復現(xiàn)性的定義，正確計算出復現(xiàn)性r，就無法順利完成整個測試項目。

2 復現(xiàn)性r的定義

計算復現(xiàn)性r的前提是明確其定義。前文提到的IEC 61215-1:2016中關于復現(xiàn)性的定義引用自IEC 60050-311:2001中 的311-06-07條 款[3]，除此條款外，該標準中再無對復現(xiàn)性的其他描述。很顯然，若僅依據(jù)IEC 60050-311:2001，無法了解如何計算復現(xiàn)性r，因此需要進一步尋找其定義的出處。

IEC 60050-311:2001中311-06-07條款寫道“[≈VIM 3.7] ”，根據(jù)該標準“INTRODUCTION”中的“Co-ordination with the VIM”內(nèi)容描述，“[≈VIM 3.7]”代表的含義是“相關定義在技術上等同于(和/或源自)VIM中的定義，但進行了編輯修改”。查閱IEC 60050-311:2001的引用標準“ISO, IEC et al., 1993,《International vocabulary of basic and general terms in metrology(VIM)》”及其他與VIM相關的標準后發(fā)現(xiàn)，早在2007年VIM就已修訂為 ISO/IEC GUIDE 99:2007《International vocabulary of metrology——Basic and general concepts and associated terms (VIM)》，即第3版VIM，而IEC 60050-311:2001中引用的VIM為1993年的版本，屬于第2版。因此IEC 61215-1:2016中復現(xiàn)性的定義更準確的引用方法應該是直接引用ISO/IEC GUIDE 99:2007而非IEC 60050-311:2001。

在ISO/IEC GUIDE 99:2007的2.25條款中[4]，對于復現(xiàn)性的定義只簡單表述為“在復現(xiàn)性測量條件下的測量精密度”，此句翻譯來自國家標準《國際計量學詞匯——基礎和通用概念及相關術語(征求意見稿)》，該征求意見稿的作用等同于ISO/IEC GUIDE 99:2007，只是未正式發(fā)布，但在備注中寫明了“有關的統(tǒng)計學術語在GB/T 6379.1-2004 和GB/T 6379.2-2004 中給出”。其中，GB/T 6379.1-2004 和GB/T 6379.2-2004分別等同于ISO 5725-1:1994和ISO 5725-2:1994，而后兩者的統(tǒng)計學術語定義均是來源于ISO/IEC GUIDE 99:2007。

ISO 5725-1:1994[5]中進一步給出了“復現(xiàn)性標準差(reproducibility standard deviation)”的定義，即“在復現(xiàn)性條件下所得測試結(jié)果的標準差”；以及“復現(xiàn)性限(reproducibility limit)”的定義，即“一個數(shù)值，在復現(xiàn)性條件下，2個測試結(jié)果的絕對差小于或等于此數(shù)的概率為95%”。

結(jié)合上述定義及式(1)，可以肯定的是求解式(1)中的r其實是求解復現(xiàn)性限 ”，且需要換算成百分數(shù)。由于Gate No.2判定中需要排除同一塊樣品初始試驗和最終試驗的測試條件不同對測試結(jié)果的影響，因此根據(jù)復現(xiàn)性限的定義將其百分比化后，以的形式代入最終功率判定中，即可最大程度的避免復現(xiàn)性對判定結(jié)果的影響，使功率判定更準確可信。

3 復現(xiàn)性r的計算

上文中已得出結(jié)論：求解IEC 61215-1:2016中的復現(xiàn)性r即為求解百分比化的復現(xiàn)性限。根據(jù)復現(xiàn)性限的定義，需找出某個數(shù)值使復現(xiàn)性條件下的2個測試結(jié)果的絕對差在95%的概率下小于或等于該數(shù)值。根據(jù)統(tǒng)計學概念，實質(zhì)就是確定復現(xiàn)性條件下的2個測試結(jié)果的絕對差的置信區(qū)間，則首先需要確定復現(xiàn)性條件下的2個測試結(jié)果的絕對差的分布情況。

依據(jù)經(jīng)驗，光伏組件功率測試結(jié)果服從正態(tài)分布，且復現(xiàn)性條件下的2個測試結(jié)果均服從實驗室功率測試結(jié)果的整體分布。那么進行以下假設：

1)假設復現(xiàn)性條件下同塊光伏組件的2次測試結(jié)果分別為X和Y；

2)假設針對此塊光伏組件，實驗室的功率測試結(jié)果的總體分布A～N服從期望為μ、方差為σ2的正態(tài)分布，記作A～N(μ，σ2)，那么作為獨立同分布的隨機變量X和Y，可表示為X～N(μ，σ2)、Y～N(μ，σ2)，且X和Y的概率密度函數(shù)fX(x)、fY(y)可分別表示為：

式中，x為單次功率測試的可能結(jié)果。

式中，y為單次功率測試的可能結(jié)果。

3)進一步假設2次功率測試結(jié)果之差為Z，即Z=X–Y，則根據(jù)卷積公式可得到Z的概率密度函數(shù)fZ(z)為：

式中，z為2次功率測試的可能結(jié)果之差。

4)令θ=z/σ，α=(x–μ)/σ，則dx=σdα，因此，fZ(z)可推導為：

由 式(2)～式(5)可 知Z～N(0, 2σ2)，那 么根 據(jù) 正 態(tài) 分 布 的“3σ法 則”，即隨機變量Z的取值“大于且小于的概率約為95%。

由此可見，當實驗室針對該塊光伏組件的功率測試結(jié)果為A～N(μ,σ2)時，測試結(jié)果的復現(xiàn)性限即為

由于無論A服從何種分布，其樣本均值X是總體期望μ的無偏估計，而樣本方差是總體方差σ2的無偏估計，其中n為樣本容量，Xi為第i個樣本點。所以在得到樣本的情況下可得到以下關系式：

4 復現(xiàn)性r的應用實例

以實例演示通過樣本均值和樣本方差計算r的過程。在某晶體硅光伏組件測試項目中，依據(jù)IEC 61215:2016系列標準進行控制組件的功率測試，測試結(jié)果如表1所示。通過計算可得到此次測試的樣本均值，樣本標準差S為0.913，根據(jù)式(7)可得到該項目的r值。

上述晶體硅光伏組件測試項目的序列B中某塊光伏組件的功率測試結(jié)果如表2所示。

若不考慮復現(xiàn)性，則該樣品的衰減率為5.77%，超出了IEC 61215-1:2016中Gate No.2判定的單項測試衰減率不大于5%的要求，則該項目應判定為失敗。但上文強調(diào)過，在測試過程中需要將同一塊組件樣品初始試驗和最終試驗的不同測試條件對測試結(jié)果的影響排除，故按IEC 61215-1:2016關于Gate No.2判定中最終功率的計算方法，將相關數(shù)值代入式(1)進行計算，其中，Pmax(Lab_Gate No.2)=299.014、Pmax(Lab_Gate No.1)=317.314、r=0.82%。根據(jù)結(jié)果，Pmax(Lab_Gate No.2)>298.976，因此該樣品衰減率完全滿足Gate No.2判定的相關要求，該項目不應判定失敗。

表1 控制組件的功率測試結(jié)果Table 1 Power test results of control PV module

表2 序列B中某塊光伏組件的功率測試結(jié)果Table 2 Power test results of a PV module in sequence B

通過該實例可以發(fā)現(xiàn)，r的引入對于認證工作而言是極其重要的，有助于正確判定一個項目是否能通過認證。

5 結(jié)論

隨著與光伏組件測試相關的標準的更新，針對光伏組件測試時的功率判定方法也發(fā)生了變化。本文針對新標準中引入的復現(xiàn)性一詞的定義、重要性及算法進行了介紹，并對其在實際檢測認證過程中的應用進行了演示，以期為此類檢測認證提供參考。