光伏發(fā)電相關技術分析

蔡宏程

摘 要：在人類社會快速發(fā)展的過程中，傳統(tǒng)能源如煤炭、石油等被不斷開采，其數量已經變得十分有限。然而，社會經濟的快速發(fā)展給傳統(tǒng)能源帶來的壓力正變得愈來愈大。以中國為例，盡管目前中國傳統(tǒng)能源儲量較為豐富，但一次能源儲量遠低于世界平均水準，僅為世界總儲量的10%。在如此嚴峻的能源壓力背景下，開發(fā)新能源受到了全球各國的密切關注。太陽能是人類取之不盡的可再生能源，具有清潔性、安全性、廣泛性及長壽命等特點。光伏發(fā)電正是基于太陽能的新型發(fā)電技術，它主要是通過半導體界面的光生伏特效應，把光能轉變?yōu)殡娔?。近年來，我國光伏產業(yè)發(fā)展迅速，光伏發(fā)電站數量正變得愈來愈多，光伏發(fā)電站在電力系統(tǒng)當中的地位正在不斷提升?；诖?，文章對光伏發(fā)電相關技術進行了綜合性闡述，并提出了一系列觀點，以供參考。

關鍵詞：光伏；發(fā)電；電路；變換器

1 光伏發(fā)電概述

光伏發(fā)電的主要原理為半導體的光電效應。當光子照射于金屬上時，其能量會被金屬當中的電子吸收。當電子所吸收的能量足夠大時，可有效克服金屬內部引力，并從金屬表面脫離出來成為光電子，此時半導體與金屬結合的不同部位便會產生電位差，便會形成電壓。也就是說，光伏發(fā)電是光子轉變?yōu)殡娮?、光能量轉變?yōu)殡娔芰康倪^程[1]。

從電力生產發(fā)展趨勢來看，推廣光伏發(fā)電具有其必然性。我國是一個典型的能源生產大國，但同時也是能源消耗大國，人均能源占有率遠低于世界平均水準。同時，在能源消費結構上，我國與其他發(fā)達國家相比存在較大的差異，調整空間巨大。在這種背景下，國家對優(yōu)化能源消費結構愈來愈重視，于“十二五”期間提出了能源結構調整目標，其重點在于非石化能源比重增加及碳減排兩個目標，從而形成低排放、低污染、低能耗的新型經濟形態(tài)。在這種背景下，生物質能、風能及太陽能等可再生資源得到了廣泛關注。其中太陽能是常見能源中一次性轉換效率最高的能源，優(yōu)勢十分明顯，是未來能源發(fā)展的重要方向。正是基于太陽能的這種特性，光伏發(fā)電有了巨大的發(fā)展空間，并逐步得到推廣，部分地區(qū)已經構建成了較為成熟的光伏發(fā)電站。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)結構分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要分為兩種，即并網式光伏發(fā)電系統(tǒng)及獨立式發(fā)電系統(tǒng)。在偏遠或無電網地區(qū)獨立式發(fā)電系統(tǒng)的應用較為廣泛。在實際運行過程中，由于太陽能電池發(fā)電量會受到環(huán)境、光照等影響，因此，在獨立式發(fā)電系統(tǒng)當中會配備一些電能存儲裝置如蓄電池等。相對于獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，并網式光伏發(fā)電系統(tǒng)應用范圍更廣。它是由光伏陣列、控制器及逆變器構成，具體結構如下圖1所示：

并網式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是通過逆變器與電網相連，在逆變器的作用下將電能直接輸入至公共電網。部分系統(tǒng)為了實現電能峰谷調配，也會加入一定的電能存儲裝置?？刂破骺蓪夥嚵挟斨械淖畲蠊β庶c進行跟蹤，并對逆變器并網的功率及波形進行動態(tài)調控，以保證電能能夠穩(wěn)定地輸入至電網當中[2]。

3 光伏電池原理分析

光伏陣列是整個并網光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心構件，承擔了不可替代的作用。光伏陣列是由若干個光伏電池所構成。光伏電池類型較多，主要包括單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池、非晶硅光伏電池，另外還有銅銦硒光伏電池、砷化鎵光伏電池、聚合物光伏電池等。其具體發(fā)電原理如下圖2所示。

結合圖2來看，光伏電池屬于典型的不加偏置的PN結器件。當入射光子能量超過臨界值時，半導體當中的原子會將光子能量吸收并產生空穴電子對。受勢壘區(qū)內建電場作用，圖2中P區(qū)光電子會逐漸進入N區(qū)，并且在N區(qū)邊界形成累積。N區(qū)光生空穴則會進入P區(qū)，逐漸在P區(qū)邊界累積。在這種情況下，P區(qū)域N區(qū)之間便會形成光生電動勢，其方向與電場方向相反。光生載流子運動過程中，部分空間電荷被中和，會讓PN結勢壘降低，并產生正向注入。當正向電流IF與光生電流IL大小一致時，便會形成一個電壓，即P區(qū)與N區(qū)之間存在一個相對電壓，這就是光生電壓。只要保持光照狀態(tài)，并接通外電路，電流便持續(xù)性地流過負載R，該效應便是光伏效應，即光伏電池發(fā)電原理。

并網光伏發(fā)電系統(tǒng)主要電能來源為光伏陣列。光伏電池單元是光伏陣列當中的最小單元，一般不會用作獨立電源。將光伏電池單元進行串、并聯封裝后，并能夠獲得光伏電池組件，其功率為幾瓦至幾百瓦不等。將在這些光伏電池組件按照一定方式組合，便能夠得到光伏電池陣列。光伏電池陣列具有非線性特征。受到自然因素影響，光伏電池陣列的光強會不斷改變。要實現輸出功率最大化，就需要對光伏陣列的最大功率點進行跟蹤。常見的方法包括以下幾類：

（1）恒定電壓控制。當溫度條件一定，而光照強度存在差異時，光伏電池輸出曲線的最大功率數值幾乎處于一條垂直線附近。只要保持光伏電池陣列輸出電壓為某一常數且與某一光照強度下光伏電池陣列最大功率點的電壓相同，就能夠讓光伏電池在該溫度條件下輸出最大功率。也就是說，將最大功率點跟蹤簡化成了恒電壓跟蹤。該方法控制過程較為簡單，易于操作，具有較好的穩(wěn)定性，與直接耦合的光伏系統(tǒng)相比，能夠多獲得將近20%的電能。但該方法無法對溫度條件進行控制。以單晶硅光伏電池為例，當電池溫度升高時，其開路電壓會有所下降，這就意味著最大功率點所對應的電壓也會隨著電池溫度的變化而出現變化。這樣便無法完全跟蹤光伏電池列陣最大功率點，會讓系統(tǒng)功率出現一部分損失。

（2）電導增量法。對于功率P存在P=IV。對該式兩端V進行求導，可得：dP/dV=d（IV）/dV=I+V（dI/dV）。當dP/dV>0時，V小于最大功率點電壓Vmax；當dP/dV<0時V小于最大功率點電壓Vmax；當dP/dV=0，V等于最大功率點電壓Vmax。將以上三種情況代入上式可得：

當V-I/V；

當V>Vmax時，dI/dV<-I/V；

當V=Vmax時，dI/dV=-I/V；

這樣便能夠結合dI/dV與-I/V之間的關系對工作點電壓進行調整，以實現最大功率跟蹤。該方法相對于恒定電壓控制具有一定的優(yōu)勢，即便光照強度出現變化，光伏電池陣列輸出電壓也能夠以較為平穩(wěn)的變化狀態(tài)來追隨光照變化。同時，穩(wěn)態(tài)電壓震蕩較小。但該方法可能會導致整個系統(tǒng)穩(wěn)定在一個局部最大功率點，并且該方法實施過程中對相關硬件要求較高，特別是傳感器要具備較高的精度，才能讓系統(tǒng)作出快速響應。

（3）擾動觀察法。該方法主要是在各控制周期通過較小的步長對光伏電池陣列輸出進行調整。所改變的步長為定值，其方向既可以是增加，也能夠是減少。控制對象是光伏電池的輸出電流或電壓。通過對比干擾前后的光伏電池輸出功率，對干擾方向進行調節(jié)，讓系統(tǒng)始終能夠保持在最大功率點上進行輸出。該方法測定參數較少，且傳感器精度要求不高，容易實現。但跟蹤步長無法兼顧精度與速度，當外部環(huán)境出現突發(fā)性變化時，可能存在誤判。并且光伏電池陣列只能在最大功率點附近震蕩運行，會造成一定功率損失。

4 DC/DC變換器的特征分析

DC/DC變換器是光伏發(fā)電系統(tǒng)當中重要的組件之一。它主要是通過控制半導體開關，并配合電容、電感等器件來對輸出直流電壓進行控制。與一般的DC/DC變換器相比，光伏發(fā)電系統(tǒng)當中的DC/DC變換器具有一定的差異性，主要表現為以下幾個方面：（1）控制方式差異。傳統(tǒng)DC/DC變換器需要電壓保持在可控狀態(tài)，在進行閉環(huán)控制過程中，其反饋信號主要為輸出電壓。也就是說，需要借助輸出電壓來判斷系統(tǒng)的運行狀態(tài)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)當中，為了兼顧最大功率點跟蹤，DC/DC變換器需要將光伏電池輸出電壓控制在最大功率點附近，其反饋信號為輸出功率或輸入功率。（2）控制芯片差異。傳統(tǒng)DC/DC變換器主要通過專用芯片進行控制，整個控制過程較為簡單。在光伏發(fā)電系統(tǒng)當中，由于需要進行最大功率點跟蹤，因此整體算法較為復雜，其控制芯片多為單片機或DSP。（3）輸入功率。當負載為定值時，傳統(tǒng)DC/DC變換器輸入功率基本上能夠維持穩(wěn)定狀態(tài)，保持不變。而在光伏發(fā)電系統(tǒng)當中，受光照強度影響，光伏陣列輸出功率會不斷發(fā)生變化，DC/DC變換器的輸入功率自然也會隨之產生變化。

5 光伏發(fā)電相關電路特征分析

5.1 BOOST電路

BOOST電路是光伏發(fā)電系統(tǒng)當中一種常見的電路結構。BOOST電路主要是以電感電流方式向負載發(fā)電，從而實現負載電壓升高。BOOST電路電感存在于電路輸入端。電感上的紋波電流大小可接近于平滑的直流電流。所以在實際應用過程中，BOOST電路只需并聯較小的無感電容即可，甚至可以不加電容。BOOST電路整體結構較為簡單，具體如下圖3所示：

由于功率開關管一端接地，因此相關驅動電路設計得到了簡化。但BOOST電路輸入端電壓較低，在功率為定值的情況下，輸入電流會明顯上升，所以電路損耗相對較大，這會對電路轉化效率產生一定影響，并且BOOST電路只能進行升壓變換。然而，帶耦合電感的交錯并聯Boost電路則能夠克服普通BOOST電路的一些缺陷。在基礎BOOST電路上增加兩個獨立電感L1及L2，從而形成耦合電感，利用其漏感便可解決二極管反向恢復問題，從而降低方向恢復損耗。在電流連續(xù)工作的情況下，電路整體效率能夠得到提升。但是，功率開關承受的電壓為整個輸出電壓，因此高壓環(huán)境對功率開關管的要求較高，具體如下圖4所示：

圖4 帶耦合電感的交錯并聯BOOST電路示意圖

TL-Boost電路較上述兩種BOOST電路具有更好的性能。該類型電路能有效克服一般Boost電路在高壓、大功率應用環(huán)境下功率管電壓應力高、變換器效率低的缺陷。功率開關管僅需承受1/2的輸出電壓，整體耐壓要求明顯降低，有利于器件選型。根據對稱性原理，將總的BOOST電感平均分為了兩個相同的部分，分別置于輸入電壓反向端與正相端，具體結構如下圖5所示：

5.2 BUCK電路

一般情況下，BUCK電路輸入端電流會處于斷續(xù)狀態(tài)。若將其直接與光伏陣列連接，光伏陣列會出現輸出電流不連貫的情況，此時光伏系統(tǒng)便無法達到最佳運行狀態(tài)。所以需要將儲能電容與光伏電池陣列輸出端連接，以此來保證光伏電池陣列能夠保持連續(xù)輸出電流的狀態(tài)，如下圖6所示：

當功率器斷開時，光伏電池陣列便能夠對電容進行充電，此時系統(tǒng)處于發(fā)電狀態(tài)。通過調節(jié)占空比，讓光伏電池陣列輸出平均功率，并實現最大功率跟蹤。BUCK電路結構較為簡單，功率開關管輸入電流較小，整體線損較低，電路轉化效率較高。但由于BUCK電路輸入端與儲能電容并聯，在大功率狀態(tài)下，儲能電流會不斷進行充放電，長期運行會對其工作穩(wěn)定性產生影響。同時，BUCK電路只能用作降壓變換。在功率為定值的情況下，光伏電池串聯數量更多，可能會導致局部熱斑，這會影響光伏電池的使用壽命。

6 結束語

光伏發(fā)電是未來我國電力事業(yè)發(fā)展的重點方向之一。除了光伏并網發(fā)電系統(tǒng)外，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)也具有較好的前景。將分布式發(fā)電與微電網結合，不但能夠就地提供電力資源，而且可用于電網調度，還能提供調壓、調頻等輔助服務，可從側面保障電力系統(tǒng)的應急備用能力及供電安全。在電力改革背景下，光伏發(fā)電會不斷普及，其發(fā)展空間是巨大的。

參考文獻

[1]張立文，張聚偉，田葳.太陽能光伏發(fā)電技術及其應用[J].應用能源技術，2010（03）：4-8.

[2]周翔.光伏發(fā)電技術發(fā)展趨勢及其應用研究[J].河南科技，2010（20）：1-2.