中心議題:

• 研究逆變器的原理與特性
• 高效微型太陽(yáng)能逆變器測(cè)試方法的探討

解決方案:

• 通過(guò)逆變器可將直流電轉(zhuǎn)化為交流電
• 在電路的設(shè)計(jì)中須考慮峰值功率和跟頻率

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致了自然資源的快速枯竭，從而引發(fā)了人們對(duì)可再生性能源日益強(qiáng)烈的需求。因此太陽(yáng)能、風(fēng)能、水力和地?zé)崮艿葻o(wú)污染、永不枯竭的能源將越來(lái)越受到人們的重視。在歐美國(guó)家，以太陽(yáng)能為首的可再生能源已經(jīng)得到了廣泛的使用。與中國(guó)的情況不同(由政府和大公司出面集中建設(shè)太陽(yáng)能發(fā)電站)，歐美國(guó)家大力地發(fā)展家用型太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，在建筑物屋頂上建立小型的發(fā)電設(shè)施。他們所使用的單塊太陽(yáng)能電池板的最大輸出功率一般在100～200瓦左右。通過(guò)連接逆變器可將太陽(yáng)能電池板所產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能并將其并網(wǎng)輸送到市電網(wǎng)絡(luò)。這些電能既可供給自己家庭使用，也可以將多余的電量出售給電力公司。

微型逆變器具有體積小巧、可以靈活安裝在房頂或墻壁上、轉(zhuǎn)化效率高以及價(jià)格相對(duì)便宜等優(yōu)勢(shì)，非常適合家庭使用。國(guó)內(nèi)很多公司已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)微型逆變器的研發(fā)和生產(chǎn)，并形成了很大的出口規(guī)模。

太陽(yáng)能電池板的輸出不同于一般直流供電設(shè)備的輸出，其輸出I-V特性曲線與光照、溫度等環(huán)境因素密切相關(guān)，工作點(diǎn)的電壓電流值在曲線上隨負(fù)載的變化而變化。為最大化太陽(yáng)能電池板的輸出功率，逆變器往往還需要具有峰值功率追蹤功能，保證工作點(diǎn)始終處于I-V曲線上的最大功率點(diǎn)附近。對(duì)逆變器進(jìn)行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與認(rèn)證的關(guān)鍵是要在不同的環(huán)境條件下(即不同的I-V曲線上) 測(cè)試驗(yàn)證逆變器的輸入輸出特性。

測(cè)試的主要內(nèi)容包括：開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證逆變器峰值功率跟蹤電路(MPPT)算法的性能；

測(cè)量和驗(yàn)證逆變器的效率；

驗(yàn)證逆變器在極高、極低輸入電壓條件下產(chǎn)生的電網(wǎng)電平輸出的穩(wěn)定性；

性能認(rèn)證測(cè)試: 確認(rèn)不同環(huán)境條件下的輸出性能；

性能加速壽命測(cè)試：僅用幾周時(shí)間來(lái)推算工作數(shù)年后的結(jié)果；

針對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證測(cè)試。

為達(dá)到這些測(cè)試目的，必須創(chuàng)造出一種可預(yù)期、可重復(fù)的太陽(yáng)光照條件，并控制其環(huán)境溫度，以得到固定的I-V輸出曲線。自然界的光照和其他環(huán)境因素難于控制，因此直接使用太陽(yáng)能電池板對(duì)逆變器的性能進(jìn)行測(cè)試是不可行的。

為了能夠精確仿真太陽(yáng)能電池板在特定環(huán)境條件下的輸出(特別是對(duì)于小功率逆變器，仿真精度的要求往往更高)，很多廠家推出了專(zhuān)用的太陽(yáng)能方陣模擬器，用于模擬各種環(huán)境下太陽(yáng)能電池板的輸出特性，精確地復(fù)現(xiàn)出不同環(huán)境條件下的I-V輸出特性曲線。I-V曲線的數(shù)據(jù)多來(lái)自于用戶對(duì)太陽(yáng)能電池板輸出的實(shí)際測(cè)量結(jié)果。為了簡(jiǎn)化操作，目前國(guó)際上通用的曲線設(shè)置方式是：通過(guò)I-V曲線上的四個(gè)特征值，即Voc(開(kāi)路電壓值)、Isc(短路電流值)、Vmp(最大功率點(diǎn)電壓值)、Imp(最大功率點(diǎn)電流值)來(lái)擬合得到完整的I-V曲線。所使用到的公式如下所示： [page]
在上述公式的指導(dǎo)下，在太陽(yáng)能方陣模擬器內(nèi)部可以精確的建立一條I-V曲線，用來(lái)仿真某一特定環(huán)境條件下太陽(yáng)能電池板的輸出，如圖1所示。無(wú)論負(fù)載如何改變，太陽(yáng)能方陣模擬器的工作點(diǎn)將始終位于這條曲線之上。 盡管使用四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就可以擬合出一條標(biāo)準(zhǔn)的I-V曲線。但在某些測(cè)試條件下，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板輸出的I-V曲線并不是理想的單調(diào)曲線。由于電池板表面存在遮擋物，或是某些電池單元可能會(huì)損壞，這些都會(huì)造成輸出特性曲線發(fā)生畸變，曲線上將會(huì)出現(xiàn)多個(gè)隆起。對(duì)這種情況進(jìn)行仿真需要使用列表法，將I-V曲線離散成若干組電壓-電流點(diǎn)，將它們手動(dòng)輸入到方陣模擬器中。為得到較好的仿真精度，描述曲線的點(diǎn)越多越好，通常需要幾百甚至上千組電壓-電流點(diǎn)，才能得到較為理想的仿真效果。

在實(shí)際工作環(huán)境下，由于光線照度和入射角時(shí)刻發(fā)生著變化，另外還有來(lái)自于云層遮擋的影響，太陽(yáng)能電池板的輸出I-V曲線也將不斷發(fā)生變化。為了測(cè)試動(dòng)態(tài)條件下太陽(yáng)能逆變器的工作效果，需要事先保存多條I-V曲線，通過(guò)連續(xù)地對(duì)這些曲線進(jìn)行切換來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)光照變化的仿真。為取得良好的仿真效果，需要太陽(yáng)能方陣模擬器具有足夠深度的存儲(chǔ)空間來(lái)存儲(chǔ)幾百條I-V曲線，并能及時(shí)快速地在曲線之間進(jìn)行切換，來(lái)模擬連續(xù)變化的工作環(huán)境。此外，通過(guò)對(duì)已有曲線增加不同的電壓或電流偏置，也可達(dá)到動(dòng)態(tài)改變I-V曲線的目的。

如果目標(biāo)是為了驗(yàn)證峰值功率追蹤電路的性能，開(kāi)發(fā)出能在不同環(huán)境條件下始終工作在I-V曲線最大功率點(diǎn)上的太陽(yáng)能逆變器，在電路的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中就必須考慮峰值功率跟蹤范圍和跟蹤頻率。峰值功率跟蹤范圍是I-V曲線最大峰值功率點(diǎn)附近的一段區(qū)間，這也是逆變器峰值功率跟蹤電路算法的工作區(qū)間，跟蹤頻率則是工作區(qū)間內(nèi)曲線的擺動(dòng)速率，如圖2所示。為確保逆變器在模塊I-V曲線變化時(shí)始終能夠找到最大峰值功率點(diǎn)，它必須具有足夠?qū)挼母櫡秶妥銐蚋叩母欘l率。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，需要根據(jù)精確復(fù)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板的I-V曲線來(lái)驗(yàn)證在不同曲線下逆變器能否穩(wěn)定地工作在峰值功率點(diǎn)附近。
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高效率的逆變器，除了能夠盡可能多地從太陽(yáng)能電池板中獲取電能外，還能夠?qū)⑤斎氲闹绷麟娔鼙M可能多地轉(zhuǎn)換為交流電能。在逆變器輸入端加上固定的直流電壓來(lái)研究其效率雖然能夠提供一些有意義的信息，但這并不能使設(shè)計(jì)人員完全了解到最大峰值功率跟蹤(MPPT)電路與DC-AC逆變器的配合效果。使用太陽(yáng)能方陣模擬器對(duì)逆變器效率進(jìn)行測(cè)試將比使用普通直流電源對(duì)其進(jìn)行測(cè)試更為精確可靠。

安捷倫推出的E4360A模塊化太陽(yáng)能仿真模擬器，是一款非常高效的微型太陽(yáng)能逆變器測(cè)試工具。它提供了三種I-V曲線生成方式，可以靈活的產(chǎn)生出所需要的各種I-V曲線，并可以儲(chǔ)存多達(dá)512條曲線，以及動(dòng)態(tài)地模擬環(huán)境變化對(duì)太陽(yáng)能電池板輸出的影響，從而測(cè)定逆變器的性能。用戶可用E4360A執(zhí)行加速壽命測(cè)試：為加快壽命測(cè)試，必須大大加快環(huán)境條件的變化速度，同時(shí)增加模塊輸出，這樣僅用短短幾周時(shí)間便可得到工作數(shù)年后的結(jié)果。利用E4360A，用戶通過(guò)生成模擬環(huán)境條件變化的I-V曲線，在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)一天中溫度和太陽(yáng)輻射的變化對(duì)太陽(yáng)能電池板輸出的影響進(jìn)行重復(fù)仿真，便可達(dá)到加速測(cè)試的目的。

總結(jié)

本文是對(duì)高效微型太陽(yáng)能逆變器測(cè)試方法的探討，高效率的逆變器，除了能夠盡可能多地從太陽(yáng)能電池板中獲取電能外，還能夠?qū)⑤斎氲闹绷麟娔鼙M可能多地轉(zhuǎn)換為交流電能。而安捷倫推出的E4360A模塊化太陽(yáng)能仿真模擬器，是一款非常高效的微型太陽(yáng)能逆變器測(cè)試工具。工程師們可以從中發(fā)現(xiàn)和選擇合適的方案來(lái)完成微型太陽(yáng)能逆變器測(cè)試方法。