HT IV400 光伏組件測試儀器的校準方法探討

劉 瓊，李世民，包建勤，劉 偉

(甘肅省太陽能光伏重點實驗室，甘肅自然能源研究所，甘肅 蘭州 730000)

HT-IV400 是意大利HT 公司生產的戶外或現場進行單個太陽電池組件或光伏電站組串的I‐V 輸出特性測試的多功能智能型儀器，是目前光伏業內應用最為廣泛的組件和陣列性能檢測儀器之一。但是由于該類多功能檢測儀器檢測內容繁多，功能復雜，傳感器信號收集處理系統繁多，測試結果多為擬合值，該類儀器的校準一直是一個比較困難的問題。

經長期使用后，HT-IV400 相關傳感元件和內部電路會發生靈敏度下降和衰減和變化等問題，原有測試精度會發生較大變化。此類儀器無法通過常規手段進行校準，因而導致測試不準等很多工作不便。因此，開展多此類多類傳感器集成式測試儀器的校準十分必要。

1 校準原理

本儀器連接光伏組件輸出端后，在陽光下可直接檢測光伏組件或組件串的輸出特性，測量內容有光伏組件輸出電壓、輸出電流、組件（串）內阻、太陽輻射、光伏組件板溫等參數，經過數秒鐘快速收集檢測數據后經內部電腦處理，不僅顯示實測開路電壓、短路電流、最大輸出功率、太陽輻射、組件板溫以及IV 特性曲線等參數，測量結果會自動“轉換”成標準條件（STC）即太陽輻照度1000W/m2，板溫25℃下的測試參數并直接顯示在顯示屏上。

盡管該儀器屬于智能化專用儀器，功能復雜，無法找到某一種專用設備對其進行校準，但是正如所有智能化檢測儀器一樣，該儀器集成了電壓、電流、輻射、溫度等檢測功能，并進行內部智能化運算，達到了一系列運算和分析結果，豐富了檢測內容。而這些結果和內容實質上不是直接檢測數據，而是分析計算的二次結果。由于設備內部計算機程序是固定不變的，其數據處理和計算結果不會因儀器使用年限產生誤差，因此只要對最初始的檢測探頭或傳感器進行校準，就可以達到對該儀器綜合校準的目的[1，2]。該儀器的基本檢測功能或傳感器可分解成的幾項內容見表1。

表1 儀器基本檢測功能

2 校準方法

針對不同的傳感元件采用分項校準的辦法，來校準復雜的智能型檢測儀器的方法，對集成在儀器內部的電壓、電流、輻射、溫度等傳感器進行分別校準，從而達到完成對該儀器綜合校準的目的[3,4]。

該校準過程需要選用一臺或幾臺范圍較寬的標準穩壓電源，一臺高精度電壓表、一臺高精度電流表及限流電阻組成校準檢測電路，如圖1 所示。高精度電壓表和電流表通常可以用4 位半以上的數字萬用表代替，如果條件不容許，也可以用性能比較好的3 位半數字萬用表代替。

圖1 儀器校準連接電路圖

圖中，R1，R2 組成限流電路，以保證通過被檢儀器的電流不會超過檢測范圍，確保被校檢儀器的安全。

2.1 電壓的校準

將本儀表和標準電壓表并聯接入標準電壓源，依次分別輸出0V，50V，100V，200V 和500V 等電壓，調節直流穩壓電源和可調電阻，控制輸出電流1A 左右，依次啟動HT-IV400 進行測試。同時讀取并記錄HT-IV400 的開路電壓值（Voc）和標準電壓表的讀數，進行電壓的校準比對，并確定每個電壓檔位的測試誤差。需要說明的是，IV400 在測試過程中會對被測電源進行短路到開路整個過程的電壓進行多點測試，這里只需針對開路電壓和標準電壓表讀數進行比對，其他數據可以忽略。由于測試儀器的傳感器和二次儀表的線性等原因，各測試校準電壓點的誤差（εVi）可能也會有較大的不同。若發現測試誤差大于儀表原定測試誤差，應標注，以便日后使用該儀器測試時修正[5,6]。

εVi=標準電壓表讀數-IV400 開路電壓讀數

若穩壓電源電壓不穩，測試數據不穩定、發生跳變時，應采用多次測試并逐次計算出測試誤差，最終取測試誤差的平均值（εV）。

2.2 電流的校準

調節直流穩壓電源，保持輸出電壓穩定在30V左右，調節限流電阻。依次分別使輸出電流達到0A，1A，2A……10A 等，依次啟動HT-IV400 進行測試，同時記錄HT-IV400 短路電流（Isc）和標準電流表的讀數，進行不同電流的校準比對。如同上述電壓校準一樣，確定各電流測試校準點的誤差。

εI=標準電流表讀數-IV400 短路電流讀數

采用多次測試并逐次計算出測試誤差，最終取測試誤差的平均值（εI）。

2.3 輻射校準

太陽輻射計的校準是一個相對復雜的過程，通常是利用太陽光或者在實驗室模擬標準太陽光條件下，采用標準輻射表與待校準表進行比對校準[7,8]。本文采用戶外太陽光作為光源，采用美國EPPLY 實驗室標準陽光總輻射計作為標準儀表對該IV400的輻射監測部分進行對比傳遞校準。為了確保校準測試精度，采用將標準輻射計和被校準輻射傳感器安裝在同一平面，保持輻射計傳感器法向面對太陽光進行對比校準[10]。由于IV400 采用的輻射傳感器是單晶硅和多晶硅太陽能電池，這種傳感器通常線性響應較差，特別是在低輻射情況下，其靈敏度較低[9-12]；同時，鑒于IV400 要求測試光伏組件的輻射條件是800W/m2以上，所以對于該儀器的輻射校準就只限于800W/m2-1000W/m2范圍。校準時選擇晴朗無云的天氣，針對范圍內的太陽輻射進行多次對比測試[12]。太陽輻射測試比對校準如圖2 所示。

圖2 太陽輻射測試比對校準示意圖

式中：Vx是IV400 輻射傳感器的輸出電壓值

α 是IV400 輻射傳感器的原靈敏度（mV/kW/m2）

ε 是測試誤差

Sb是標準表讀數

Sx是待校準表（IV400）的輻射值讀數

以下公式可以計算出每一次對比測試產生的IV400 輻射傳感器的新的靈敏度（α1）:

將多次測試的靈敏度值進行算數平均，最終可獲得被校準儀器新的靈敏度系數值。

通過儀器的設定程序系統重新輸入IV400，用新的系數替換原有的靈敏度系數，從而達到儀器輻射探頭校準的目的。

2.4 溫度校準

溫度校準可采用常規溫度計的校準方法，采用恒溫槽和0.2 級標準溫度計進行校準。由于該儀表溫度檢測精度要求不高，普通的恒溫水浴配合標準溫度計校準即可，通常校準常溫（25℃左右），50℃和75℃即可滿足要求。

3 綜合分析和修正

獲得各項傳感器校準數據后，應該按要求進行數據處理，找出各技術指標與標準之間的差距和規律。然后根據各數據在該儀器檢測結果內的權重進行綜合誤差分析。由于該設備功能上沒有對電流、電壓和溫度等傳感器靈敏度的調節和修正功能，所以經過校驗發現的各傳感器誤差可與IV400 測試給出的計算值進行對比，從而對測試結果的誤差進行估算。此外，還可通過多次測試，收集數據并分析出可靠的針對單個儀器的偏差校正系數。

4 實際效果和結論

實例：一臺使用期6 年的IV400 光伏組件測試儀，在實踐中發現測試結果與實際情況有較大的差異，測試結果通常都要略小于其他儀器的測試結果值。例如一塊320Wp 的組件，該儀器測試結果只有不足300Wp。按上述方法對該儀器的電流、電壓和溫度傳感器逐一進行校準，實驗和校準發現該儀器的測試功能和精度都能達到原儀器設計技術指標，經校驗發現是太陽輻射探頭性能衰減造成，該輻射探頭單晶硅靈敏度29.1mV/kW/m2，按照上述方法對輻射探頭及儀器顯示功能進行校準：見表2。

表2 輻射探頭及儀器顯示功能校準

取多次校準測試并計算的修正靈敏度平均值作為儀器太陽輻射探頭的新靈敏度值，將新的靈敏度系數輸入儀器后，該儀器的測試準確度大大提高，達到了儀器的原技術指標要求。

實踐證明由于該儀器采用大規模集成電路，電路性能穩定，可靠性很好，如果電壓、電流以及溫度的測試結果出現偏差，可根據校準結果對讀數進行修正，測試精度基本能滿足實際測試的需要。

該儀器輻射傳感器采用晶體硅電池做輻射傳感器，盡管簡單、經濟、靈敏度高，但是也因為硅電池先天的光譜響應范圍比較窄、溫度特性較差和晶體硅電池光伏轉換性能逐漸衰減的原因[13]，其探頭靈敏度也會隨時間而發生變化，導致它的測量精度不準，實驗證明，5 年不校準的輻射傳感器，其測試誤差達到了5%～10%左右，這是影響該儀器測試準確度的關鍵因素。傳感元件靈敏度的下降導致測試結果出現偏差，應用校準得到的靈敏度系數進行修正后測試精度基本能滿足實際測試的需要。建議每年應校準一次[14，15]。

經實踐證明，經校驗過的儀器的測試精度完全可以達到設備原出廠技術指標，完全能滿足日常光伏發電站現場測試的要求。