經濟的快速發展導致了自然資源的快速枯竭，從而引發了人們對可再生性能源日益強烈的需求。因此太陽能、風能、水力和地熱能等無污染、永不枯竭的能源將越來越受到人們的重視。在歐美國家，以太陽能為首的可再生能源已經得到了廣泛的使用。與中國的情況不同（由政府和大公司出面集中建設太陽能發電站），歐美國家大力地發展家用型太陽能供電系統，在建筑物屋頂上建立小型的發電設施。他們所使用的單塊太陽能電池板的最大輸出功率一般在100～200瓦左右。通過連接逆變器可將太陽能電池板所產生的直流電能轉化為交流電能并將其并網輸送到市電網絡。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、轉化效率高以及價格相對便宜等優勢，非常適合家庭使用。國內很多公司已經開始了對微型逆變器的研發和生產，并形成了很大的出口規模。

　　太陽能電池板的輸出不同于一般直流供電設備的輸出，其輸出I-V特性曲線與光照、溫度等環境因素密切相關，工作點的電壓電流值在曲線上隨負載的變化而變化。為最大化太陽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，保證工作點始終處于I-V曲線上的最大功率點附近。對逆變器進行設計、開發與認證的關鍵是要在不同的環境條件下（即不同的I-V曲線上） 測試驗證逆變器的輸入輸出特性。

　　測試的主要內容包括：開發和驗證逆變器峰值功率跟蹤電路（MPPT）算法的性能；

　　測量和驗證逆變器的效率；

　　驗證逆變器在極高、極低輸入電壓條件下產生的電網電平輸出的穩定性；

　　性能認證測試： 確認不同環境條件下的輸出性能；

　　性能加速壽命測試：僅用幾周時間來推算工作數年后的結果；

　　針對相關標準的認證測試。

　　為達到這些測試目的，必須創造出一種可預期、可重復的太陽光照條件，并控制其環境溫度，以得到固定的I-V輸出曲線。自然界的光照和其他環境因素難于控制，因此直接使用太陽能電池板對逆變器的性能進行測試是不可行的。

　　為了能夠精確仿真太陽能電池板在特定環境條件下的輸出（特別是對于小功率逆變器，仿真精度的要求往往更高），很多廠家推出了專用的太陽能方陣模擬器，用于模擬各種環境下太陽能電池板的輸出特性，精確地復現出不同環境條件下的I-V輸出特性曲線。I-V曲線的數據多來自于用戶對太陽能電池板輸出的實際測量結果。為了簡化操作，目前國際上通用的曲線設置方式是：通過I-V曲線上的四個特征值，即Voc（開路電壓值）、Isc（短路電流值）、Vmp（最大功率點電壓值）、Imp（最大功率點電流值）來擬合得到完整的I-V曲線。所使用到的公式如下所示：

　　在上述公式的指導下，在太陽能方陣模擬器內部可以精確的建立一條I-V曲線，用來仿真某一特定環境條件下太陽能電池板的輸出，如圖1所示。無論負載如何改變，太陽能方陣模擬器的工作點將始終位于這條曲線之上。

　　盡管使用四個關鍵點就可以擬合出一條標準的I-V曲線。但在某些測試條件下，我們會發現太陽能電池板輸出的I-V曲線并不是理想的單調曲線。由于電池板表面存在遮擋物，或是某些電池單元可能會損壞，這些都會造成輸出特性曲線發生畸變，曲線上將會出現多個隆起。對這種情況進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，將它們手動輸入到方陣模擬器中。為得到較好的仿真精度，描述曲線的點越多越好，通常需要幾百甚至上千組電壓-電流點，才能得到較為理想的仿真效果。

　　在實際工作環境下，由于光線照度和入射角時刻發生著變化，另外還有來自于云層遮擋的影響，太陽能電池板的輸出I-V曲線也將不斷發生變化。為了測試動態條件下太陽能逆變器的工作效果，需要事先保存多條I-V曲線，通過連續地對這些曲線進行切換來實現動態光照變化的仿真。為取得良好的仿真效果，需要太陽能方陣模擬器具有足夠深度的存儲空間來存儲幾百條I-V曲線，并能及時快速地在曲線之間進行切換，來模擬連續變化的工作環境。此外，通過對已有曲線增加不同的電壓或電流偏置，也可達到動態改變I-V曲線的目的。

　　如果目標是為了驗證峰值功率追蹤電路的性能，開發出能在不同環境條件下始終工作在I-V曲線最大功率點上的太陽能逆變器，在電路的設計和開發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附近的一段區間，這也是逆變器峰值功率跟蹤電路算法的工作區間，跟蹤頻率則是工作區間內曲線的擺動速率，如圖2所示。為確保逆變器在模塊I-V曲線變化時始終能夠找到最大峰值功率點，它必須具有足夠寬的跟蹤范圍和足夠高的跟蹤頻率。為驗證設計的有效性，需要根據精確復現太陽能電池板的I-V曲線來驗證在不同曲線下逆變器能否穩定地工作在峰值功率點附近。

　　高效率的逆變器，除了能夠盡可能多地從太陽能電池板中獲取電能外，還能夠將輸入的直流電能盡可能多地轉換為交流電能。在逆變器輸入端加上固定的直流電壓來研究其效率雖然能夠提供一些有意義的信息，但這并不能使設計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。使用太陽能方陣模擬器對逆變器效率進行測試將比使用普通直流電源對其進行測試更為精確可靠。

　　安捷倫推出的E4360A模塊化太陽能仿真模擬器，是一款非常高效的微型太陽能逆變器測試工具。它提供了三種I-V曲線生成方式，可以靈活的產生出所需要的各種I-V曲線，并可以儲存多達512條曲線，以及動態地模擬環境變化對太陽能電池板輸出的影響，從而測定逆變器的性能。用戶可用E4360A執行加速壽命測試：為加快壽命測試，必須大大加快環境條件的變化速度，同時增加模塊輸出，這樣僅用短短幾周時間便可得到工作數年后的結果。利用E4360A，用戶通過生成模擬環境條件變化的I-V曲線，在很短的時間內對一天中溫度和太陽輻射的變化對太陽能電池板輸出的影響進行重復仿真，便可達到加速測試的目的。

　　作者：孫川

　　市場開發高級工程師

　　電子測量事業部

　　安捷倫科技（中國）有限公司