基于双负载电容扫描与动态外推法的高效光伏组件IV曲线测量精度提升研究

《IEEE Access》：Improving IV Curve Measurement Accuracy of High-Efficiency PV Modules Using Extrapolation based on a Dual Load Capacitor Scanning Method

针对高效光伏组件因高扩散电容导致传统电容扫描法IV曲线失真、最大功率点(MPP)被严重低估的问题，研究人员提出了一种基于双负载电容扫描的外推算法。该算法通过建立包含PV模块和测量装置在内的动态电学模型，自动提取串联电阻(Rser)和少数载流子寿命(τdif)等关键参数，成功将MPP测量误差从最高4%降至1%以内，显著提升了便携式IV曲线扫描仪的测量精度。

　　

随着光伏技术的飞速发展，商业光伏组件的转换效率已稳步突破20%，甚至超过24%。这些高效光伏组件通常具有较长的少数载流子寿命，这导致了其内部扩散电容的显著增加。在光伏电站的日常运维中，技术人员广泛依赖快速、廉价且便携的IV曲线扫描仪，这些设备通常采用负载电容扫描法。然而，当这种方法应用于具有高内部电容的高效光伏组件时，常常会导致IV曲线失真，从而严重低估了测量的最大功率点。这一测量误差不仅影响电站的性能评估，也给高效组件的质量控制和故障诊断带来了巨大挑战。

为了攻克这一技术难题，来自卢布尔雅那大学电气工程学院的Jonas Aleksander Oraem、Marko Topic和Marko Jankovec团队在《IEEE Access》上发表了一项创新性研究。他们提出了一种基于双负载电容扫描的外推技术，通过建立包含光伏组件和测量装置在内的动态电学模型，成功补偿了光伏组件电容对IV曲线形状的影响。该算法能够自动从两次测量的IV曲线中提取串联电阻和少数载流子寿命这两个关键参数，从而实现对IV曲线的精确校正。研究团队在四种最先进的高效光伏组件上验证了该方法的有效性，成功将最大功率点测量误差从最初的最高4%可靠地降低至1%以内。

关键技术方法

研究人员首先开发了一个包含20个参数的动态SPICE模型，用于模拟光伏组件在IV曲线扫描过程中的行为。为了验证所提出的外推算法，他们构建了一套定制的便携式负载电容IV曲线扫描仪，该扫描仪配备了从184μF到30.5mF不等的多个电解电容。利用该装置，研究人员对四种不同技术的高效光伏组件进行了IV曲线扫描，并采用了一种数据预处理算法，通过将电压和电流区间划分为等距子区间并对原始数据点进行平均，实现了数据点的均匀分布和噪声抑制。最后，他们采用了一种基于暴力搜索的参数优化方法，通过比较两条外推IV曲线的匹配度，自动确定最优的串联电阻和扩散电容参数。

研究结果

动态SPICE PV模型

研究人员开发了一个动态SPICE模型，该模型能够准确模拟光伏组件在IV曲线扫描过程中的行为。通过分析光伏组件从开路状态到短路状态的瞬态响应，他们成功提取了少数载流子寿命等关键动态参数。该模型与实测电压瞬态数据的对比显示出了良好的一致性，验证了模型的准确性，为后续的外推算法提供了理论基础。

IV曲线外推方法

研究团队提出了一种基于双负载电容扫描的外推算法。该算法的核心思想是，通过两次不同负载电容下的IV曲线扫描，利用一个包含串联电阻和扩散电容的动态模型，来补偿因光伏组件内部电容导致的电流测量误差。算法通过暴力搜索的方式，寻找一组最优的串联电阻和扩散电容参数，使得两条外推后的IV曲线达到最佳匹配。最终，选择匹配度最高的参数组合对其中一条IV曲线进行外推，从而得到校正后的静态IV曲线。

仿真验证

在将算法应用于实际测量数据之前，研究人员首先在仿真环境中验证了其有效性。他们利用已验证的SPICE模型，模拟了使用不同负载电容进行IV曲线扫描的过程。结果显示，对于初始测量误差为-1.64%的仿真数据，应用外推算法后，测量误差被成功降低至+0.02%，证明了该算法在理论上的可行性。

实验验证

研究人员在四种不同技术的高效光伏组件上进行了实验验证。结果表明，对于所有测试组件，在未进行外推的情况下，使用较小负载电容进行测量均存在显著的负向系统测量误差。而应用外推算法后，该误差被成功降低至1%以内。例如，对于TOPCon组件，使用C4电容测量的初始误差为-3.15%，外推后误差降至-0.45%；对于PERC组件，初始误差为-1.19%，外推后误差降至-0.07%。这充分证明了该算法在实际应用中的有效性。

讨论与局限性

研究团队在讨论中指出，当负载电容足够大时，外推算法能够成功校正IV曲线的形状和最大功率点。然而，当使用过小的负载电容进行测量时，IV曲线在最大功率点附近会出现陡峭的下降，这导致外推算法失效，甚至产生过校正。研究人员认为，这一现象是由于扫描时间接近少数载流子寿命，导致现有的扩散电容模型不再准确。此外，当两条原始IV曲线过于相似时，外推算法也可能无法有效改善测量精度，甚至可能使结果略微变差。

结论与展望

本研究成功提出并验证了一种基于双负载电容扫描的外推技术，该技术能够有效补偿高效光伏组件内部电容对IV曲线测量的影响，显著提升测量精度。该算法具有自给自足的特点，能够自动从测量数据中提取关键参数，无需人工干预。然而，该算法目前仍存在局限性，特别是在扫描时间极短的情况下，其准确性会下降。未来的研究将致力于开发更快的优化算法，并探索非静态二极管模型，以进一步提高算法的鲁棒性和适用范围。