2.2　光伏發(fā)電

2.2.1　光伏發(fā)電系統(tǒng)類型

光伏發(fā)電利用太陽電池的光生伏打效應(yīng)，即半導(dǎo)體由于吸收光子而產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，然后將發(fā)出的直流電經(jīng)過電力電子變換裝置（如逆變器等）轉(zhuǎn)換為交流電。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏陣列和系統(tǒng)平衡（BOS）部件，如控制器、逆變器等。

按系統(tǒng)運(yùn)行方式，光伏發(fā)電主要分為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2.2.1.1　并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是指光伏陣列發(fā)出的直流電經(jīng)過逆變器變換成交流電接入電網(wǎng)。根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的方式，其可以分為集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)和分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)兩類。

1.集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)

集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是電站所發(fā)出的電能通過中高壓線路被直接輸送到大電網(wǎng)，由大電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電，如圖2-10所示。

2.分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是電站所發(fā)出的電能通過低壓線路直接分配到用電負(fù)荷上，多余或不足的電能通過大電網(wǎng)來調(diào)節(jié)，如圖2-11所示。

2.2.1.2　離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)也稱為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，是一種完全依靠太陽電池供電的電源系統(tǒng)，光伏陣列受光照時(shí)發(fā)出的電力是唯一的能量來源。離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負(fù)荷供電，還需要配置交流逆變器。根據(jù)用電負(fù)荷的特點(diǎn)和是否配置蓄電池，離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)又分為以下類型。

1.無蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)

無蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)是用電負(fù)荷為直流負(fù)荷，對負(fù)荷使用時(shí)間沒有要求，負(fù)荷主要在白天使用。光伏陣列與用電負(fù)荷直接連接，如圖2-12所示，有陽光時(shí)就發(fā)電供負(fù)荷工作，無陽光時(shí)就停止工作。系統(tǒng)不需要使用控制器，也沒有蓄電池儲(chǔ)能裝置。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是省去了能量通過控制器及在蓄電池的存儲(chǔ)和釋放過程中造成的損失，提高了太陽能的利用效率。最典型的應(yīng)用是光伏水泵。

2.有蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)

有蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、充放電控制器、蓄電池組以及直流負(fù)荷等組成，如圖2-13所示。有陽光時(shí)，光伏陣列將光能轉(zhuǎn)換為電能供負(fù)荷使用，并將多余電能存入蓄電池。夜間或陰雨天時(shí)，則由蓄電池組向負(fù)荷供電。該系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，小到太陽能草坪燈、庭院燈，大到遠(yuǎn)離電網(wǎng)的移動(dòng)通信基站、微波中轉(zhuǎn)站及邊遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)村供電等。當(dāng)系統(tǒng)容量和負(fù)荷功率較大時(shí)，就需要配備光伏陣列和蓄電池組。

3.交流光伏發(fā)電系統(tǒng)

與直流光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，交流光伏發(fā)電系統(tǒng)及交、直流混合光伏發(fā)電系統(tǒng)多了一個(gè)逆變器，用于把直流電轉(zhuǎn)換成交流電，為交流負(fù)荷提供電能，如圖2-14所示。

4.交、直流混合光伏發(fā)電系統(tǒng)

交、直流混合光伏發(fā)電系統(tǒng)既能為直流負(fù)荷供電，也能為交流負(fù)荷供電，如圖2-15所示。

2.2.2　太陽電池的工作原理

2.2.2.1　太陽電池類型

太陽電池即光伏組件，是光伏發(fā)電的核心部件。提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率并降低其生產(chǎn)成本是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電向替代能源甚至主力能源過渡的主要途徑和主攻目標(biāo)。

太陽電池種類多樣，按基體材料分為單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池、非晶硅太陽電池、納晶硅太陽電池、化合物太陽電池、染料敏化太陽電池和有機(jī)半導(dǎo)體太陽電池；按結(jié)構(gòu)分為同質(zhì)結(jié)太陽電池、異質(zhì)結(jié)太陽電池、肖特基結(jié)太陽電池、復(fù)合結(jié)太陽電池和液結(jié)太陽電池；按用途分為空間太陽電池和地面太陽電池；按工作方式分為平板太陽電池、聚光太陽電池和分光太陽電池。

晶體硅太陽電池是目前商業(yè)化最成熟的太陽電池，其中單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性好，但成本較高；多晶硅電池效率略低于單晶硅電池，但具有高性價(jià)比，已經(jīng)取代單晶硅成為最主要的光伏材料。其他如化合物半導(dǎo)體太陽電池、染料敏化太陽電池、有機(jī)太陽電池等新型太陽電池也在研究中。

2.2.2.2　光電轉(zhuǎn)換原理

光電轉(zhuǎn)換的基本原理是光生伏打效應(yīng)，本質(zhì)上是光輻射和物質(zhì)相互作用的一種電離輻射，是不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合材料在光照作用下，其內(nèi)部可以傳導(dǎo)電流的載流子的分布狀態(tài)和濃度發(fā)生變化，因而在不同的部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象，如圖2-16所示。PN結(jié)兩側(cè)因多數(shù)載流子（N+區(qū)中的電子和P區(qū)中的空穴）向?qū)Ψ降臄U(kuò)散而形成寬度很窄的空間電荷區(qū)W，建立自建電場Ei。它對兩邊多數(shù)載流子是勢壘，阻擋其繼續(xù)向?qū)Ψ綌U(kuò)散；但它對兩邊的少數(shù)載流子（N+區(qū)中的空穴和P區(qū)中的電子）卻有牽引作用，能把它們迅速拉到對方區(qū)域。穩(wěn)定平衡時(shí)，少數(shù)載流子極少，難以構(gòu)成電流并輸出電能，但是，如圖2-16所示，太陽電池受到光子的沖擊，在電池內(nèi)部產(chǎn)生大量處于非平衡狀態(tài)的電子—空穴對，其中的光生非平衡少數(shù)載流子（即N+區(qū)中的非平衡空穴和P區(qū)中的非平衡電子）可以被內(nèi)建電場Ei牽引到對方區(qū)域，然后在太陽電池的PN結(jié)中產(chǎn)生光生電場Epv，當(dāng)接通外電路時(shí)，即可流出電流，輸出電能。當(dāng)把眾多這樣小的太陽電池單元通過串并聯(lián)的方式組合在一起，構(gòu)成陣列，便會(huì)在太陽能的作用下輸出功率足夠大的電能。

2.2.2.3　太陽電池外特性

太陽電池的輸出功率受光照強(qiáng)度、電池溫度和外部負(fù)載等因素影響。當(dāng)其他參量確定時(shí)，太陽電池的輸出電流取決于其兩端的電壓。太陽電池典型的電流—電壓曲線（I-U曲線）和功率—電壓曲線（P-U曲線）如圖2-17所示。Isc為短路電流，外電路處于短路（電阻為零）時(shí)的電流為電池所能產(chǎn)生的最大電流，此時(shí)外電路的電壓為零，具體表現(xiàn)為I-U曲線在縱坐標(biāo)上的截距；Uoc為開路電壓，電路處于開路（電阻為無窮大）時(shí)的電壓為電池所能產(chǎn)生的最大電壓，此時(shí)外電路的電流為零，具體表現(xiàn)為I-U曲線在橫坐標(biāo)上的截距；A點(diǎn)為最大功率點(diǎn)，Im和Um分別為最大功率點(diǎn)處的電流和電壓。隨著電池兩端電壓的上升，輸出電流下降直至0。其中，Isc和Uoc是兩個(gè)廣泛用來描述太陽電池特性的重要參數(shù)。一般情況下，生產(chǎn)廠商都會(huì)提供標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（1000W/m2，25℃）太陽電池的Isc和Uoc。

2.2.3　逆變器的工作原理

2.2.3.1　逆變器類型

我國常用的光伏逆變器類型分為集中式光伏逆變器和組串式光伏逆變器。根據(jù)光伏逆變器是否并網(wǎng)，又可以分為并網(wǎng)光伏逆變器和離網(wǎng)光伏逆變器，其中并網(wǎng)型逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的接口，直接決定光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)性能。并網(wǎng)型逆變器區(qū)別于離網(wǎng)型逆變器的一個(gè)重要特征是必須進(jìn)行孤島效應(yīng)防護(hù)。

1.集中式光伏逆變器

集中式光伏逆變器根據(jù)有無隔離變壓器，并網(wǎng)型逆變器可分為隔離型和非隔離型等。隔離型逆變器根據(jù)隔離變壓器的工作頻率，又可分為工頻隔離型和高頻隔離型兩類，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-18所示。工頻隔離型是光伏并網(wǎng)逆變器最常用的結(jié)構(gòu)，也是目前市場上使用最多的光伏逆變器類型。

非隔離型逆變器按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為單級(jí)式和多級(jí)式兩類，如圖2-19所示。在單級(jí)非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中，光伏陣列只用一級(jí)能量變換就可以完成DC/AC并網(wǎng)逆變功能，通過逆變器直接耦合并網(wǎng)，因而逆變器工作在工頻模式。在多級(jí)非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中，功率交換部分由DC/DC和DC/AC多級(jí)變換器級(jí)聯(lián)組成，設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于DC/DC變換器的電路拓?fù)溥x擇，一般選用Boost變換器，有基本型、雙模式和雙重Boost光伏并網(wǎng)逆變器等。它能在不需要兩組光伏陣列連接并交替工作的情況下，同時(shí)很好地實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）和并網(wǎng)逆變兩個(gè)功能。隨著光伏并網(wǎng)高效能技術(shù)的發(fā)展，無變壓器的非隔離型并網(wǎng)逆變器越來越受到人們的關(guān)注，成為未來并網(wǎng)逆變器的發(fā)展方向。

2.組串式光伏逆變器

根據(jù)光伏組串的連接數(shù)量，組串式逆變器可以分為單組串式逆變器和多組串式逆變器，如圖2-20所示。大型光伏電站通常采用多組串式逆變器。多組串式逆變器一般包含2～14路組串，每路組串都有一個(gè)獨(dú)立的直流變換電路實(shí)現(xiàn)MPPT，功率等級(jí)范圍為5～80kW。組串式逆變器具備多路MPPT，省去了直流匯流箱和逆變器室。

2.2.3.2　MPPT

太陽電池只有在某一輸出電壓時(shí)，輸出功率才能達(dá)到最大，因此，調(diào)整光伏陣列，使其運(yùn)行在最大功率點(diǎn)才能最大限度地將光能轉(zhuǎn)化為電能。利用控制方法實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率運(yùn)行的技術(shù)被稱為MPPT技術(shù)。常見的MPPT控制方法有基于輸出特性曲線的開環(huán)MPPT方法、擾動(dòng)觀察法（perturbation and observation method，P&O）、電導(dǎo)增量法（incremental conductance，INC）和智能MPPT方法等。

1.基于輸出特性曲線的開環(huán)MPPT方法

從太陽電池的輸出特性曲線的基本規(guī)律出發(fā)，通過簡單的開環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)MPPT，包括恒定電壓控制法、短路電流比例系數(shù)法等。

2.擾動(dòng)觀察法

擾動(dòng)光伏陣列的輸出電壓，判斷擾動(dòng)前后系統(tǒng)輸出功率的變化情況，并按照使輸出功率增加的原則來對系統(tǒng)進(jìn)行控制，包括傳統(tǒng)的定步長擾動(dòng)觀測法、改進(jìn)的擾動(dòng)觀測法等。擾動(dòng)觀察法控制流程如圖2-21所示。

3.電導(dǎo)增量法

依據(jù)太陽電池的P-U曲線，在光強(qiáng)一定情況下僅存在一個(gè)最大功率點(diǎn)，最大功率點(diǎn)兩邊dP/dU符號(hào)相異且在最大功率點(diǎn)處dP/dU=0。通過簡單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得出在最大功率點(diǎn)處：dI/dU=I/U。將該式作為判定太陽電池是否工作在最大功率點(diǎn)的依據(jù)，并對光伏陣列電壓進(jìn)行相應(yīng)的控制，即可以實(shí)現(xiàn)對最大功率點(diǎn)的跟蹤。電導(dǎo)增量法的優(yōu)點(diǎn)是控制效果好，控制穩(wěn)定度高；當(dāng)外部環(huán)境參數(shù)變化時(shí)，系統(tǒng)能平穩(wěn)地追蹤其變化，且與太陽電池的特性及參數(shù)無關(guān)。然而，電導(dǎo)增量法控制算法較復(fù)雜，對控制系統(tǒng)要求較高。電導(dǎo)增量法控制流程如圖2-22所示。

4.智能MPPT方法

近年來，人工智能如模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等都已經(jīng)應(yīng)用到了電氣工程的各個(gè)領(lǐng)域，在光伏陣列MPPT方法中的應(yīng)用也逐漸增多，包括模糊控制法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MPPT控制等。

2.2.3.3　并網(wǎng)控制

光伏并網(wǎng)逆變器存在單級(jí)式、多級(jí)式以及單相、三相等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)型式，但無論何種拓?fù)渚哂胁⑷虢涣麟娋W(wǎng)的DC/AC單級(jí)逆變單元。一般具有兩級(jí)變換的光伏并網(wǎng)逆變器，前級(jí)的DC/DC變換單元和后級(jí)的逆變單元之間均配置一個(gè)足夠容量的直流濾波電容，該濾波電容在緩沖前、后級(jí)能量變化的同時(shí)，也起到前、后級(jí)控制上的解耦作用，因此可以對前后級(jí)分別進(jìn)行研究。大功率光伏并網(wǎng)逆變器一般采用單級(jí)三相式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此時(shí)逆變單元需要在實(shí)現(xiàn)MPPT控制的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的正弦并網(wǎng)電流控制，甚至可以根據(jù)指令進(jìn)行電網(wǎng)的無功功率調(diào)節(jié)。目前，光伏并網(wǎng)逆變器一般采用全控型開關(guān)器件進(jìn)行PWM調(diào)制，稱為PWM并網(wǎng)逆變器。PWM并網(wǎng)逆變電路分為電壓型和電流型兩大類，目前研究和應(yīng)用較多的是電壓型PWM逆變電路。本節(jié)將以大功率單級(jí)式三相電壓型PWM逆變電路為例，介紹光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略，并對MPPT控制策略展開討論。

單級(jí)式三相電壓型光伏并網(wǎng)逆變器主電路如圖2-23所示。典型的控制方法是通過電流矢量控制實(shí)現(xiàn)對輸出有功功率、無功功率的控制。電流矢量控制的方法有多種，根據(jù)是否引入電流反饋可以分為間接電流控制和直接電流控制。

間接電流控制方法是根據(jù)并網(wǎng)控制給定的有功功率、無功功率指令以及電網(wǎng)電壓矢量E，計(jì)算出所需的輸出電流矢量I*，考慮到UL=jωLI，計(jì)算出并網(wǎng)逆變器交流輸出的電壓矢量指令，即，最后通過SPWM或SVPWM調(diào)制使橋臂輸出所需的電壓矢量，以此進(jìn)行逆變器并網(wǎng)電流控制。間接電流控制方法無需電流檢測和反饋，控制簡單，但也存在系統(tǒng)電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)不夠快，光伏并網(wǎng)電流波形品質(zhì)難以保證，甚至交流側(cè)電流中含有直流分量，且對系統(tǒng)參數(shù)波動(dòng)較敏感的問題，通常適用于對動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高且控制結(jié)構(gòu)要求簡單的應(yīng)用場合，在大功率光伏系統(tǒng)中應(yīng)用較少。

直接電流控制方法依據(jù)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)計(jì)算出的電流指令，引入交流電流反饋，通過對交流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值。該方法由于未使用電路參數(shù)，系統(tǒng)魯棒性較好，獲得了較多的應(yīng)用。直接電流控制一般有滯環(huán)電流控制、固定開關(guān)頻率控制、空間矢量控制、無差拍控制和重復(fù)控制等方法，可獲得高品質(zhì)的電流響應(yīng)。

目前，在大功率光伏逆變器實(shí)際工程應(yīng)用中，基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略使用較多，控制系統(tǒng)如圖2-24所示。基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制是指以電網(wǎng)電壓矢量進(jìn)行定向，通過控制并網(wǎng)電流矢量與電網(wǎng)電壓矢量之間的相角實(shí)現(xiàn)對輸出功率因數(shù)的控制，即可控制并網(wǎng)逆變器輸出的有功功率和無功功率大小。

2.2.3.4　防孤島保護(hù)

孤島效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因中斷供電時(shí)，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)未能檢測出停電狀態(tài)而脫離電網(wǎng)，仍然繼續(xù)向周圍負(fù)荷供電，成為一個(gè)公共電網(wǎng)無法控制的自給供電孤島。孤島效應(yīng)將嚴(yán)重威脅公共電網(wǎng)和孤島內(nèi)的運(yùn)行設(shè)備，主要表現(xiàn)在：由于孤島運(yùn)行情況對于公用電網(wǎng)是不可控的，孤島內(nèi)的線路、設(shè)備仍然帶電，可能對檢修人員造成危險(xiǎn)；影響電網(wǎng)自動(dòng)裝置、保護(hù)動(dòng)作和重合閘；若是單相的光伏發(fā)電系統(tǒng)，孤島運(yùn)行還會(huì)造成三相不平衡供電；電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)，由于孤島的存在可能造成斷路器兩側(cè)相位的不同步，引起大的合閘沖擊電流；孤島內(nèi)供電電壓和頻率不穩(wěn)定，電能質(zhì)量無法保證，影響用電設(shè)備安全。因此，光伏并網(wǎng)逆變器必須具有防孤島保護(hù)能力。大部分國家要求防孤島保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不超過2s。

常見的孤島檢測方法可分為無源法和有源法兩大類。無源法的檢測量包括電壓、頻率、相位突變、頻率變化率、諧波畸變率、不平衡度、功率變化率和頻率功率變化率等。無源法最突出的特點(diǎn)是對電能質(zhì)量無影響，但存在孤島檢測盲區(qū)；有源法通過有源擾動(dòng)或正反饋引發(fā)系統(tǒng)偏離正常穩(wěn)定工作點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)孤島檢測，有源擾動(dòng)量包括電流幅值、相位和頻率，電流諧波，輸出有功功率和無功功率等，有源法最突出的特點(diǎn)是可以減小或消除孤島檢測盲區(qū)，但其引入的有源擾動(dòng)對電能質(zhì)量會(huì)帶來負(fù)面影響。