便携式I-V测试仪测试结果准确性的影响因素研究

张 果，王 瑜，卢 刚，马晓龙，雷鸣宇

(黄河水电光伏产业技术有限公司，西宁 810000)

0 引言

随着光伏组件制造成本的降低，越来越多的光伏电站已建成并投入使用[1-2]。光伏电站在投入运行前和运行过程中，均须进行光伏组件最大功率测试分析[3]，以便于评估光伏组件的性能。而对于测试仪，由于便携式I-V测试仪具有使用方便、不受地形限制和体积小等诸多优点，现已广泛应用于光伏电站中光伏组件的最大功率测试工作中。

受限于户外环境的影响，在实际的光伏组件最大功率测试中很难达到与标准测试条件(STC)一样的测试条件，因此，为了使实际测试中的测试结果具有更高的可重复性和准确性，需要引入I-V特性曲线修正公式对实际的测试结果进行修正[4]，将户外非STC下的实际测试条件转化成STC条件下之后再进行测试。

由于在户外测试时便携式I-V测试仪的测试结果容易受天气状况(比如：风速、太阳辐照度)、光伏组件工作温度及辐照计摆放位置等外界因素的影响[5-6]，导致便携式I-V测试仪的最大输出功率测试值与光伏组件的最大输出功率实际值之间会存在一定偏差[7]，虽然这种偏差在户外测试中无法避免[8-9]，但其却会影响整个光伏电站的性能评估。而通过对太阳辐照度、风速、光伏组件工作温度和辐照计摆放位置等因素进行控制，可有效降低便携式I-V测试仪的测量误差，提高其测试结果的准确性[10-11]。

因此，为了更好地掌握外界因素对采用便携式I-V测试仪进行光伏组件最大功率测试时测试结果准确性产生的影响，分析测试结果出现偏差的原因，本文分别采用便携式I-V测试仪和侧打光组件功率测试仪(下文简称为“室内台式I-V测试仪”)作为测试设备，在室内STC下采用室内台式I-V测试仪进行光伏组件最大功率测试；然后通过改变户外测试条件，如太阳辐照度、风速、光伏组件工作温度、辐照计摆放位置等，采用便携式I-V测试仪进行光伏组件最大功率测试；将户外不同测试条件下得到的光伏组件的开路电压Voc、短路电流Isc、最大输出功率Pmax等数据与室内STC下的测试结果进行对比，分析便携式I-V测试仪在不同测试条件下得出的光伏组件最大输出功率值产生偏差的原因，找出影响便携式I-V测试仪测试结果准确性的因素。

1 实验设备及样品

1.1 测试仪器

1.1.1 室内台式I-V测试仪

室内台式I-V测试仪采用的是德国HALM公司生产的型号为CetisPV-XT1的测试仪，其光源为AAA级。室内STC具体为：太阳辐照度范围为1000 ± 5 W/m2，光伏组件工作温度范围为25 ± 2 ℃，大气质量为AM1.5[12-14]。

本实验中室内台式I-V测试仪所测数据主要包括光伏组件的Pmax、Isc、Voc、最佳工作电流(即最大功率点时的电流)Impp、最佳工作电压(即最大功率点时的电压)Vmpp和填充因子FF等。

1.1.2 便携式I-V测试仪

便携式I-V测试仪采用的是德国HALM公司生产的型号为CetisPV-CT-F1的测试仪，其以自然光为光源，电压的测试范围为0～1000 V、电流的测试范围为0～100 A、功率的测试范围为0～100 kW。

本实验中便携式I-V测试仪所测数据主要包括Pmax、Isc、Voc、Impp、Vmpp和FF等。

1.2 实验样品

实验选用隆基乐叶光伏科技有限公司生产的60片型单面单晶硅光伏组件进行光伏组件最大功率测试。所用光伏组件的规格型号为LRP6-60PH-300W，标称参数为：Pmax为300 W、Isc为9.81 A、Voc为40.1 V、Vmpp为32.8 V、Impp为9.15 A。实验共选用3块光伏组件，条形码分别为：LRP503038170900600049(记为“1#光伏组件”)、LRP503038170900600750(记为“2#光伏组件”)及LRP503038170900600877(记为“3#光伏组件”)。

2 实验过程及实验结果分析

2.1 室内STC下的测试

采用室内台式I-V测试仪对3块光伏组件样品进行最大功率测试，具体测试结果如表1所示。由于在室内STC下采用室内台式I-V测试仪得到的测试值的准确性较高，偏差极小，因此以该测试值作为对比时的基准值。

表1 室内台式I-V测试仪在室内STC下得到的测试结果Table 1 Test results obtained by indoor desktop I-V tester under indoor STC

2.2 不同户外测试条件对便携式I-V测试仪测试结果准确性的影响分析

在户外测试时均采用便携式I-V测试仪进行光伏组件最大功率测试，分析辐照计摆放位置、光伏组件工作温度、风速、太阳辐照度等不同测试条件对便携式I-V测试仪测试结果准确性的影响。

2.2.1 辐照计摆放位置对测试结果准确性的影响

由于光伏组件输出功率除了会受太阳直射光线的影响，还会受地面反射光线等的影响，导致光伏组件不同位置接收到的实际太阳辐照度也会不同，因此在户外进行光伏组件最大功率测试时，不同的辐照计摆放位置下得到的测试数据也会略有不同。

本实验过程中，辐照计的放置位置分别为：辐照计中间与光伏组件中间位置平行、辐照计最上方与光伏组件上边沿平行和辐照计最下方与光伏组件下边沿平行，然后研究在光伏组件工作温度、太阳辐照度和风速等测试条件均相同的情况下，不同的辐照计摆放位置对光伏组件最大功率测试结果准确性的影响。

光伏组件的安装方式一般分为竖排安装和横排安装这2种。对竖排安装的光伏组件进行测试时辐照计的摆放位置示意图如图1所示。

图1 对竖排安装的光伏组件进行测试时辐照计的摆放位置示意图Fig.1 Schematic diagram of placement position of irradiator when testing PV module installed in vertical row

在如图1所示的3种辐照计摆放位置下，对3块光伏组件样品分别进行最大功率测试，且每块光伏组件除辐照计摆放位置不同外，其他测试条件，即太阳辐照度(存在±5 W/m2的偏差)、光伏组件工作温度(存在±2 ℃的偏差)、风速(0 m/s)均相同。具体的测试条件及测试结果如表2～表4所示。其中：Irra为太阳辐照度；Temp为光伏组件工作温度。

对横排安装的光伏组件进行测试时辐照计的摆放位置示意图如图2所示。

图2 对横排安装的光伏组件进行测试时辐照计的摆放位置示意图Fig.2 Schematic diagram of placement position of irradiator when testing PV module installed in horizontal row

在如图2所示的3种辐照计摆放位置下，对3块光伏组件样品分别进行最大功率测试，且每块光伏组件除辐照计摆放位置不同外，其他测试条件均相同，具体的测试条件及测试结果如表5～表7所示。

从表2～表7的测试结果可知，在辐照计摆放位置不同、其他测试条件均相同的情况下，所测得的光伏组件最大输出功率值存在一定偏差，这是因为光伏组件上不同位置接收的来自地面和前排光伏组件等反射的实际太阳辐照度不同。通过对数据进行分析可以发现：对竖排安装的光伏组件进行最大功率测试时，辐照计摆放位置采用辐照计中间与光伏组件中间位置平行时的测试结果的准确性较好，说明该位置能较好地体现光伏组件整体接收太阳辐照度的情况，而辐照计摆放位置过低或过高时均会导致所测光伏组件最大输出功率值出现较大偏差；对横排安装的光伏组件进行最大功率测试时，辐照计摆放位置采用辐照计最上方与光伏组件上边沿平行的位置时的测试结果较为准确，而辐照计摆放位置过低时不能代表整个光伏组件接收太阳辐照度的情况。

表2 光伏组件竖排安装时，在太阳辐照度为800 ±5 W/m2、光伏组件工作温度为55 ±2 ℃、风速为0 m/s的条件下得到的1#光伏组件的测试结果Table 2 Test results of 1# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 800 ±5 W/m2 and PV module working temperature of 55 ±2 ℃ and wind speed of 0 m/s when PV module is installed vertically

表3 光伏组件竖排安装时，在太阳辐照度为800 ±5 W/m2、光伏组件工作温度为60 ±2℃、风速为0 m/s的条件下得到的2#光伏组件的测试结果Table 3 Test results of 2# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 800 ±5 W/m2 and PV module working temperature of 60 ±2 ℃ and wind speed of 0 m/s when PV module is installed vertically

表4 光伏组件竖排安装时，在太阳辐照度为800 ±5 W/m2、光伏组件工作温度为52 ±2 ℃、风速为0 m/s的条件下得到的3#光伏组件的测试结果Table 4 Test results of 3# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 800 ±5 W/m2 and PV module working temperature of 52 ±2 ℃ and wind speed of 0 m/s when PV module is installed vertically

表5 光伏组件横排安装时，在太阳辐照度为850 ±5 W/m2、光伏组件工作温度为58 ±2 ℃、风速为0 m/s的条件下得到的1#光伏组件的测试结果Table 5 Test results of 1# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 850 ±5 W/m2 and PV module working temperature of 58 ±2 ℃ and wind speed of 0 m/s when PV module is installed horizontally

表6 光伏组件横排安装时，在太阳辐照度为850 ±5 W/m2、光伏组件工作温度为53 ±2 ℃、风速为0 m/s的条件下得到的2#光伏组件的测试结果Table 6 Test results of 2# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 850 ±5 W/m2 and PV module working temperature of 53 ±2 ℃ and wind speed of 0 m/s when PV module is installed horizontally

表7 光伏组件横排安装时，在太阳辐照度为780 ±5 W/m2、光伏组件工作温度为53 ±2 ℃的条件下得到的3#光伏组件的测试结果Table 7 Test results of 3# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 780 ±5 W/m2 and PV module working temperature of 53 ±2 ℃ and wind speed of 0 m/s when PV module is installed horizontally

2.2.2 不同的光伏组件工作温度对测试结果准确性的影响

光伏组件工作温度会影响光伏组件的输出功率，在辐照计摆放位置(以竖排安装光伏组件时辐照计中间与光伏组件中间位置平行时为例)、太阳辐照度(存在±5 ℃的偏差)和风速(0 m/s)等测试条件均相同的情况下，针对不同光伏组件工作温度对光伏组件最大功率测试结果准确性的影响进行了研究，具体的测试条件和测试结果如表8～表10所示。

从表8～表10的测试结果可以看出，每块光伏组件在光伏组件工作温度不同、其他测试条件相同的情况下，测试得到的光伏组件最大输出功率值都会有一定偏差，但随着光伏组件工作温度的升高，测试得到的光伏组件最大输出功率值会有略微的下降，这主要是由光伏组件的Voc降低造成的。测试结果与室内STC下的值相比偏差越小越精确，因此光伏组件工作温度较低时的测试结果准确性较好。

表8 在太阳辐照度为800 ±5 W/m2的条件下得到的1#光伏组件的测试结果Table 8 Test results of 1# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 800 ±5 W/m2

表9 在太阳辐照度为725 ±5 W/m2的条件下得到的2#光伏组件的测试结果Table 9 Test results of 2# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 725 ±5 W/m2

表10 在太阳辐照度为870 ±5 W/m2的条件下得到的3#光伏组件的测试结果Table 10 Test results of 3# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 870 ±5 W/m2

2.2.3 不同的太阳辐照度对测试结果准确性的影响户外的实际太阳辐照度会对光伏组件的输出功率产生影响。在辐照计摆放位置(以竖排安装光伏组件时辐照计中间与光伏组件中间位置平行的摆放位置为例)、光伏组件工作温度(存在±2℃的偏差)和风速(0 m/s)等测试条件均相同的情况下，通过改变太阳辐照度的大小，研究太阳辐照度对光伏组件最大功率测试结果准确性的影响，具体的测试条件和测试结果如表11～表13所示。

表11 在光伏组件工作温度为57 ±2 ℃条件下得到的1#光伏组件的测试结果Table 11 Test results of 1# PV module obtained under the condition of PV module working temperature of 57 ±2 ℃

表12 在光伏组件工作温度为60 ±2 ℃的条件下得到的2#光伏组件的测试结果Table 12 Test results of 2# PV module obtained under the condition of PV module working temperature of 60 ±2 ℃

表13 在光伏组件工作温度为58 ±2 ℃条件下得到的3#光伏组件的测试结果Table 13 Test results of 3# PV module obtained under the condition of PV module working temperature of 58 ±2 ℃

从表11～表13的测试结果可以看出，每块光伏组件在太阳辐照度不同、其他测试条件均相同的情况下，随着太阳辐照度的升高，光伏组件的Isc和Voc均有略微的升高，从而使光伏组件最大输出功率值也随之升高。测试结果与室内STC下的值相比偏差越小越精确，因此太阳辐照度较高时的测试结果准确性较好。

2.2.4 不同风速对测试结果准确性的影响

在辐照计摆放位置(以竖排安装光伏组件时辐照计中间与光伏组件中间位置平行的摆放位置为例)、光伏组件工作温度(存在±2 ℃的偏差)和太阳辐照度(存在±5 W/m2的偏差)等测试条件均相同的情况下，针对不同风速对光伏组件最大功率测试结果准确性的影响进行了研究，具体的测试条件和测试结果如表14～表16所示。

从表14～表16中的测试结果可以看出，每块光伏组件在风速不同、其他测试条件相同的情况下得到的最大功率测试结果仅有微小的偏差，且这3块光伏组件的最大输出功率值并未随着风速的变化而出现明显一致的增加或降低。考虑到风速在测试过程中并未引起太阳辐照度、光伏组件工作温度等因素的变化，因此在2 m/s以内的风速下，风速对光伏组件最大功率测试结果的准确性无明显影响。

表14 在太阳辐照度为800 ±5 W/m2、光伏组件工作温度52 ±2 ℃的条件下得到的1#光伏组件的测试结果Table 14 Test results of 1# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 800 ±5 W/m2 and PV module working temperature of 52 ±2 ℃

表15 在太阳辐照度为800 ±5 W/m2、光伏组件工作温度50 ±2 ℃的条件下得到的2#光伏组件的测试结果Table 15 Test results of 2# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 800 ±5 W/m2 and PV module working temperature of 50 ±2 ℃

表16 在太阳辐照度为870±5 W/m2、光伏组件工作温度63±2 ℃的条件下得到的3#光伏组件的测试结果Table 16 Test results of 3# PV module obtained under the condition of solar irradiance of 870 ±5 W/m2 and PV module working temperature of 63 ±2 ℃

2.3 小结

对上述测试结果进行综合分析发现，在户外环境采用便携式I-V测试仪对光伏组件最大功率进行测试的情况下，当光伏组件采用竖排安装方式时，辐照计摆放位置选择辐照计中间与光伏组件中间位置平行时得到的光伏组件最大功率测试结果的准确性较好；当光伏组件采用横排安装方式时，辐照计摆放位置选择辐照计最上方与光伏组件上边沿平行时得到的光伏组件最大功率测试结果的准确性较好；光伏组件工作温度较低及太阳辐照度较高时的光伏组件最大功率测试结果的准确性较好。

3 结论

本文通过改变户外测试条件，如太阳辐照度、风速、光伏组件工作温度、辐照计摆放位置等，针对采用便携式I-V测试仪进行光伏组件最大功率测试时外界因素对测试结果准确性的影响进行了研究。在对室内与户外不同测试条件下测试得到的光伏组件各项电性能数据进行了对比分析后发现：

1)辐照计摆放位置、光伏组件工作温度和太阳辐照度对便携式I-V测试仪测试结果的准确性均具有一定的影响，选择较低的光伏组件工作温度和较高的太阳辐照度会减小测试结果的偏差。对竖排安装的光伏组件进行测试时，最好的辐照计摆放位置是将辐照计中间与光伏组件中间位置平行，此时得到的测试结果较为准确；对横排安装的光伏组件进行测试时，最好的辐照计摆放位置是将辐照计的最上方与光伏组件上边沿平行，此时得到的测试结果较为准确。

2)在2 m/s以内的风速下，风速对便携式I-V测试仪测试结果的准确性无明显的影响。