2.2　光伏发电

2.2.1　光伏发电系统类型

光伏发电利用太阳电池的光生伏打效应，即半导体由于吸收光子而产生电动势的现象，将太阳辐射能直接转换为电能，然后将发出的直流电经过电力电子变换装置（如逆变器等）转换为交流电。光伏发电系统主要包括光伏阵列和系统平衡（BOS）部件，如控制器、逆变器等。

按系统运行方式，光伏发电主要分为并网光伏发电系统和离网光伏发电系统。

2.2.1.1　并网光伏发电系统

并网光伏发电系统是指光伏阵列发出的直流电经过逆变器变换成交流电接入电网。根据光伏发电系统接入电网的方式，其可以分为集中式光伏发电系统和分布式光伏发电系统两类。

1.集中式光伏发电系统

集中式光伏发电系统的主要特点是电站所发出的电能通过中高压线路被直接输送到大电网，由大电网统一调配向用户供电，如图2-10所示。

2.分布式光伏发电系统

分布式光伏发电系统的主要特点是电站所发出的电能通过低压线路直接分配到用电负荷上，多余或不足的电能通过大电网来调节，如图2-11所示。

2.2.1.2　离网光伏发电系统

离网光伏发电系统也称为独立光伏发电系统，是一种完全依靠太阳电池供电的电源系统，光伏阵列受光照时发出的电力是唯一的能量来源。离网光伏发电系统主要由光伏组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负荷供电，还需要配置交流逆变器。根据用电负荷的特点和是否配置蓄电池，离网光伏发电系统又分为以下类型。

1.无蓄电池的直流光伏发电系统

无蓄电池的直流光伏发电系统的特点是用电负荷为直流负荷，对负荷使用时间没有要求，负荷主要在白天使用。光伏阵列与用电负荷直接连接，如图2-12所示，有阳光时就发电供负荷工作，无阳光时就停止工作。系统不需要使用控制器，也没有蓄电池储能装置。该系统的优点是省去了能量通过控制器及在蓄电池的存储和释放过程中造成的损失，提高了太阳能的利用效率。最典型的应用是光伏水泵。

2.有蓄电池的直流光伏发电系统

有蓄电池的直流光伏发电系统由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池组以及直流负荷等组成，如图2-13所示。有阳光时，光伏阵列将光能转换为电能供负荷使用，并将多余电能存入蓄电池。夜间或阴雨天时，则由蓄电池组向负荷供电。该系统应用广泛，小到太阳能草坪灯、庭院灯，大到远离电网的移动通信基站、微波中转站及边远地区农村供电等。当系统容量和负荷功率较大时，就需要配备光伏阵列和蓄电池组。

3.交流光伏发电系统

与直流光伏发电系统相比，交流光伏发电系统及交、直流混合光伏发电系统多了一个逆变器，用于把直流电转换成交流电，为交流负荷提供电能，如图2-14所示。

4.交、直流混合光伏发电系统

交、直流混合光伏发电系统既能为直流负荷供电，也能为交流负荷供电，如图2-15所示。

2.2.2　太阳电池的工作原理

2.2.2.1　太阳电池类型

太阳电池即光伏组件，是光伏发电的核心部件。提高太阳电池的光电转换效率并降低其生产成本是现阶段实现光伏发电向替代能源甚至主力能源过渡的主要途径和主攻目标。

太阳电池种类多样，按基体材料分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳电池、纳晶硅太阳电池、化合物太阳电池、染料敏化太阳电池和有机半导体太阳电池；按结构分为同质结太阳电池、异质结太阳电池、肖特基结太阳电池、复合结太阳电池和液结太阳电池；按用途分为空间太阳电池和地面太阳电池；按工作方式分为平板太阳电池、聚光太阳电池和分光太阳电池。

晶体硅太阳电池是目前商业化最成熟的太阳电池，其中单晶硅电池转换效率高、稳定性好，但成本较高；多晶硅电池效率略低于单晶硅电池，但具有高性价比，已经取代单晶硅成为最主要的光伏材料。其他如化合物半导体太阳电池、染料敏化太阳电池、有机太阳电池等新型太阳电池也在研究中。

2.2.2.2　光电转换原理

光电转换的基本原理是光生伏打效应，本质上是光辐射和物质相互作用的一种电离辐射，是不均匀半导体或半导体与金属结合材料在光照作用下，其内部可以传导电流的载流子的分布状态和浓度发生变化，因而在不同的部位之间产生电位差的现象，如图2-16所示。PN结两侧因多数载流子（N+区中的电子和P区中的空穴）向对方的扩散而形成宽度很窄的空间电荷区W，建立自建电场Ei。它对两边多数载流子是势垒，阻挡其继续向对方扩散；但它对两边的少数载流子（N+区中的空穴和P区中的电子）却有牵引作用，能把它们迅速拉到对方区域。稳定平衡时，少数载流子极少，难以构成电流并输出电能，但是，如图2-16所示，太阳电池受到光子的冲击，在电池内部产生大量处于非平衡状态的电子—空穴对，其中的光生非平衡少数载流子（即N+区中的非平衡空穴和P区中的非平衡电子）可以被内建电场Ei牵引到对方区域，然后在太阳电池的PN结中产生光生电场Epv，当接通外电路时，即可流出电流，输出电能。当把众多这样小的太阳电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成阵列，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。

2.2.2.3　太阳电池外特性

太阳电池的输出功率受光照强度、电池温度和外部负载等因素影响。当其他参量确定时，太阳电池的输出电流取决于其两端的电压。太阳电池典型的电流—电压曲线（I-U曲线）和功率—电压曲线（P-U曲线）如图2-17所示。Isc为短路电流，外电路处于短路（电阻为零）时的电流为电池所能产生的最大电流，此时外电路的电压为零，具体表现为I-U曲线在纵坐标上的截距；Uoc为开路电压，电路处于开路（电阻为无穷大）时的电压为电池所能产生的最大电压，此时外电路的电流为零，具体表现为I-U曲线在横坐标上的截距；A点为最大功率点，Im和Um分别为最大功率点处的电流和电压。随着电池两端电压的上升，输出电流下降直至0。其中，Isc和Uoc是两个广泛用来描述太阳电池特性的重要参数。一般情况下，生产厂商都会提供标准测试条件下（1000W/m2，25℃）太阳电池的Isc和Uoc。

2.2.3　逆变器的工作原理

2.2.3.1　逆变器类型

我国常用的光伏逆变器类型分为集中式光伏逆变器和组串式光伏逆变器。根据光伏逆变器是否并网，又可以分为并网光伏逆变器和离网光伏逆变器，其中并网型逆变器作为光伏发电系统与电网的接口，直接决定光伏发电系统的并网性能。并网型逆变器区别于离网型逆变器的一个重要特征是必须进行孤岛效应防护。

1.集中式光伏逆变器

集中式光伏逆变器根据有无隔离变压器，并网型逆变器可分为隔离型和非隔离型等。隔离型逆变器根据隔离变压器的工作频率，又可分为工频隔离型和高频隔离型两类，拓扑结构如图2-18所示。工频隔离型是光伏并网逆变器最常用的结构，也是目前市场上使用最多的光伏逆变器类型。

非隔离型逆变器按拓扑结构可以分为单级式和多级式两类，如图2-19所示。在单级非隔离型光伏并网逆变器系统中，光伏阵列只用一级能量变换就可以完成DC/AC并网逆变功能，通过逆变器直接耦合并网，因而逆变器工作在工频模式。在多级非隔离型光伏并网逆变器系统中，功率交换部分由DC/DC和DC/AC多级变换器级联组成，设计关键在于DC/DC变换器的电路拓扑选择，一般选用Boost变换器，有基本型、双模式和双重Boost光伏并网逆变器等。它能在不需要两组光伏阵列连接并交替工作的情况下，同时很好地实现最大功率跟踪（maximum power point tracking，MPPT）和并网逆变两个功能。随着光伏并网高效能技术的发展，无变压器的非隔离型并网逆变器越来越受到人们的关注，成为未来并网逆变器的发展方向。

2.组串式光伏逆变器

根据光伏组串的连接数量，组串式逆变器可以分为单组串式逆变器和多组串式逆变器，如图2-20所示。大型光伏电站通常采用多组串式逆变器。多组串式逆变器一般包含2～14路组串，每路组串都有一个独立的直流变换电路实现MPPT，功率等级范围为5～80kW。组串式逆变器具备多路MPPT，省去了直流汇流箱和逆变器室。

2.2.3.2　MPPT

太阳电池只有在某一输出电压时，输出功率才能达到最大，因此，调整光伏阵列，使其运行在最大功率点才能最大限度地将光能转化为电能。利用控制方法实现光伏阵列的最大功率运行的技术被称为MPPT技术。常见的MPPT控制方法有基于输出特性曲线的开环MPPT方法、扰动观察法（perturbation and observation method，P&O）、电导增量法（incremental conductance，INC）和智能MPPT方法等。

1.基于输出特性曲线的开环MPPT方法

从太阳电池的输出特性曲线的基本规律出发，通过简单的开环控制来实现MPPT，包括恒定电压控制法、短路电流比例系数法等。

2.扰动观察法

扰动光伏阵列的输出电压，判断扰动前后系统输出功率的变化情况，并按照使输出功率增加的原则来对系统进行控制，包括传统的定步长扰动观测法、改进的扰动观测法等。扰动观察法控制流程如图2-21所示。

3.电导增量法

依据太阳电池的P-U曲线，在光强一定情况下仅存在一个最大功率点，最大功率点两边dP/dU符号相异且在最大功率点处dP/dU=0。通过简单的数学推导可以得出在最大功率点处：dI/dU=I/U。将该式作为判定太阳电池是否工作在最大功率点的依据，并对光伏阵列电压进行相应的控制，即可以实现对最大功率点的跟踪。电导增量法的优点是控制效果好，控制稳定度高；当外部环境参数变化时，系统能平稳地追踪其变化，且与太阳电池的特性及参数无关。然而，电导增量法控制算法较复杂，对控制系统要求较高。电导增量法控制流程如图2-22所示。

4.智能MPPT方法

近年来，人工智能如模糊逻辑控制、神经网络等都已经应用到了电气工程的各个领域，在光伏阵列MPPT方法中的应用也逐渐增多，包括模糊控制法、基于神经网络的MPPT控制等。

2.2.3.3　并网控制

光伏并网逆变器存在单级式、多级式以及单相、三相等多种拓扑结构型式，但无论何种拓扑均具有并入交流电网的DC/AC单级逆变单元。一般具有两级变换的光伏并网逆变器，前级的DC/DC变换单元和后级的逆变单元之间均配置一个足够容量的直流滤波电容，该滤波电容在缓冲前、后级能量变化的同时，也起到前、后级控制上的解耦作用，因此可以对前后级分别进行研究。大功率光伏并网逆变器一般采用单级三相式拓扑结构，此时逆变单元需要在实现MPPT控制的同时，实现单位功率因数的正弦并网电流控制，甚至可以根据指令进行电网的无功功率调节。目前，光伏并网逆变器一般采用全控型开关器件进行PWM调制，称为PWM并网逆变器。PWM并网逆变电路分为电压型和电流型两大类，目前研究和应用较多的是电压型PWM逆变电路。本节将以大功率单级式三相电压型PWM逆变电路为例，介绍光伏并网逆变器的控制策略，并对MPPT控制策略展开讨论。

单级式三相电压型光伏并网逆变器主电路如图2-23所示。典型的控制方法是通过电流矢量控制实现对输出有功功率、无功功率的控制。电流矢量控制的方法有多种，根据是否引入电流反馈可以分为间接电流控制和直接电流控制。

间接电流控制方法是根据并网控制给定的有功功率、无功功率指令以及电网电压矢量E，计算出所需的输出电流矢量I*，考虑到UL=jωLI，计算出并网逆变器交流输出的电压矢量指令，即，最后通过SPWM或SVPWM调制使桥臂输出所需的电压矢量，以此进行逆变器并网电流控制。间接电流控制方法无需电流检测和反馈，控制简单，但也存在系统电流动态响应不够快，光伏并网电流波形品质难以保证，甚至交流侧电流中含有直流分量，且对系统参数波动较敏感的问题，通常适用于对动态响应要求不高且控制结构要求简单的应用场合，在大功率光伏系统中应用较少。

直接电流控制方法依据光伏并网系统的动态数学模型，根据计算出的电流指令，引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。该方法由于未使用电路参数，系统鲁棒性较好，获得了较多的应用。直接电流控制一般有滞环电流控制、固定开关频率控制、空间矢量控制、无差拍控制和重复控制等方法，可获得高品质的电流响应。

目前，在大功率光伏逆变器实际工程应用中，基于电网电压定向的矢量控制策略使用较多，控制系统如图2-24所示。基于电网电压定向的矢量控制是指以电网电压矢量进行定向，通过控制并网电流矢量与电网电压矢量之间的相角实现对输出功率因数的控制，即可控制并网逆变器输出的有功功率和无功功率大小。

2.2.3.4　防孤岛保护

孤岛效应是指当电网由于电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，并网光伏发电系统未能检测出停电状态而脱离电网，仍然继续向周围负荷供电，成为一个公共电网无法控制的自给供电孤岛。孤岛效应将严重威胁公共电网和孤岛内的运行设备，主要表现在：由于孤岛运行情况对于公用电网是不可控的，孤岛内的线路、设备仍然带电，可能对检修人员造成危险；影响电网自动装置、保护动作和重合闸；若是单相的光伏发电系统，孤岛运行还会造成三相不平衡供电；电网恢复时，由于孤岛的存在可能造成断路器两侧相位的不同步，引起大的合闸冲击电流；孤岛内供电电压和频率不稳定，电能质量无法保证，影响用电设备安全。因此，光伏并网逆变器必须具有防孤岛保护能力。大部分国家要求防孤岛保护动作时间不超过2s。

常见的孤岛检测方法可分为无源法和有源法两大类。无源法的检测量包括电压、频率、相位突变、频率变化率、谐波畸变率、不平衡度、功率变化率和频率功率变化率等。无源法最突出的特点是对电能质量无影响，但存在孤岛检测盲区；有源法通过有源扰动或正反馈引发系统偏离正常稳定工作点从而实现孤岛检测，有源扰动量包括电流幅值、相位和频率，电流谐波，输出有功功率和无功功率等，有源法最突出的特点是可以减小或消除孤岛检测盲区，但其引入的有源扰动对电能质量会带来负面影响。