光伏發(fā)電系統(tǒng)及其控制的研究

郭 歌

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西電力建設(shè)有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)和環(huán)境問(wèn)題的加劇，可再生能源已經(jīng)成為解決當(dāng)今能源挑戰(zhàn)的重要方式之一。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)因其清潔、可再生、可持續(xù)的特點(diǎn)，被廣泛視為未來(lái)能源體系的重要組成部分。光伏發(fā)電系統(tǒng)利用太陽(yáng)能將光能轉(zhuǎn)化為電能，成為了全球范圍內(nèi)的綠色能源解決方案。傳統(tǒng)能源資源的有限性和對(duì)環(huán)境的不利影響已經(jīng)引發(fā)了對(duì)新型能源技術(shù)的強(qiáng)烈需求。在這一背景下，光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其具有低碳排放、零污染、可再生的特點(diǎn)，成為了可持續(xù)發(fā)展的理想選擇。光伏發(fā)電系統(tǒng)的分布式性質(zhì)，即可以在各種規(guī)模的應(yīng)用中使用，使其適用于城市屋頂、農(nóng)村地區(qū)、工業(yè)用途以及遠(yuǎn)程地區(qū)的電力供應(yīng)，從而為各種領(lǐng)域提供了清潔電能。本研究將深入探討光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理、控制策略及其面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，旨在提供解決方案和建議，推動(dòng)光伏技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以應(yīng)對(duì)當(dāng)今的能源和環(huán)境挑戰(zhàn)，為清潔能源未來(lái)作出貢獻(xiàn)。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本原理

1.1 光伏電池的工作原理

光伏電池的工作原理是基于光電效應(yīng)，該效應(yīng)首次由愛(ài)因斯坦在20 世紀(jì)初期提出。當(dāng)太陽(yáng)光照射到光伏電池的半導(dǎo)體材料表面時(shí)，光子激發(fā)了半導(dǎo)體內(nèi)的電子。這些激發(fā)的電子被釋放并引導(dǎo)到電池中的電路，從而形成電流[1]。這個(gè)電流被捕獲并用于為電網(wǎng)或負(fù)載供電。具體原理圖如圖1 所示。

圖1 光伏電池的工作原理圖

光伏電池工作原理的核心方程是外部量子效率方程，它描述了光電轉(zhuǎn)換效率：

式中：EQE，λ為外部量子效率，表示在不同波長(zhǎng)的光下，電子的產(chǎn)生效率；Iph，λ為光伏電池在波長(zhǎng)λ 處產(chǎn)生的電流；n光子，λ為波長(zhǎng)λ 處的入射光子數(shù)。

光伏電池的性能還受到開(kāi)路電壓（Voc）和短路電流（Isc）的影響。這兩個(gè)參數(shù)分別表示在沒(méi)有外部負(fù)載時(shí)的電壓和電流值，它們決定了光伏電池的最大輸出功率。此外，光伏電池的填充因子（FF）和轉(zhuǎn)換效率（η）也是關(guān)鍵參數(shù)，F(xiàn)F 表示實(shí)際輸出電流與理論最大輸出電流之間的比率，而η 為光伏電池的總效率。

1.2 光伏模塊與陣列的配置和特性

光伏模塊是光伏電池的集合體，其配置和特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能具有重要影響。在實(shí)際應(yīng)用中，光伏模塊通常以串聯(lián)和并聯(lián)的方式組裝成光伏陣列，以滿足不同負(fù)載和電網(wǎng)要求。

串聯(lián)連接多個(gè)光伏模塊時(shí)，它們的電壓相加，而電流保持不變。這有助于提高系統(tǒng)的總電壓，特別適用于將光伏電池系統(tǒng)與高電壓電網(wǎng)連接，以減小電流損耗。

并聯(lián)連接多個(gè)光伏模塊時(shí)，它們的電流相加，而電壓保持不變。這有助于增加系統(tǒng)的總電流，適用于將光伏電池系統(tǒng)與低電壓電網(wǎng)或需要高電流的負(fù)載連接。

光伏模塊的特性可以通過(guò)伏安特性曲線來(lái)描述，該曲線顯示了在不同電壓和電流條件下的輸出功率。在實(shí)際應(yīng)用中，光伏模塊的最大功率點(diǎn)（MPP）電壓和電流是非常關(guān)鍵的參數(shù)，因?yàn)樗鼈儧Q定了模塊的最佳性能和效率。

1.3 逆變器和電池儲(chǔ)存系統(tǒng)

逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，它的任務(wù)是將光伏模塊產(chǎn)生的直流電（DC）轉(zhuǎn)換為交流電（AC），以便供電網(wǎng)或負(fù)載使用。逆變器工作原理基于高頻開(kāi)關(guān)操作，它會(huì)斷斷續(xù)續(xù)地打開(kāi)和關(guān)閉電路，以便在輸出交流電時(shí)模擬正弦波形。逆變器還具有電壓控制和電流保護(hù)裝置，以確保輸出的電流和電壓在安全范圍內(nèi)。

電池儲(chǔ)存系統(tǒng)在光伏系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，它們可存儲(chǔ)白天光伏模塊產(chǎn)生的電能，以在夜晚或天氣不佳時(shí)供電。不同類型的儲(chǔ)能系統(tǒng)包括鋰離子電池、鉛酸電池和鈉硫電池等。這些系統(tǒng)通過(guò)充電和放電來(lái)平衡電力需求與供應(yīng)之間的不匹配，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。此外，它們還可用于應(yīng)對(duì)負(fù)載尖峰和谷值，降低電費(fèi)成本。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略

2.1 最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）技術(shù)

最大功率點(diǎn)追蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術(shù)是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素之一。它的主要目標(biāo)是確保光伏電池模塊在不同光照條件下都能工作在其最大功率點(diǎn)，從而最大限度地提高能量輸出。MPPT 算法通常根據(jù)電池的電壓和電流特性來(lái)調(diào)整負(fù)載，以使系統(tǒng)工作在最佳點(diǎn)[2]。

一種常用的MPPT 方法是“Perturband Observe”（P&O），其基本思想是通過(guò)微小的電壓或電流擾動(dòng)來(lái)監(jiān)測(cè)功率變化，然后朝著功率增加的方向調(diào)整操作點(diǎn)，直到找到最大功率點(diǎn)。P&O 算法的數(shù)學(xué)表達(dá)如下：

式中：P為功率；V為電壓；I為電流；ΔV和ΔI分別為電壓和電流的微小變化。

P&O 算法通過(guò)不斷比較Δ·ΔV·I和·ΔV·ΔI的大小來(lái)調(diào)整電壓或電流，以使系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)。盡管這是一種常見(jiàn)的MPPT 技術(shù)，但它也存在一些問(wèn)題，如在光照條件變化較快時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生震蕩。

其他MPPT 技術(shù)包括基于模型的方法、模糊邏輯控制、小波變換和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。這些方法各有優(yōu)勢(shì)和適用性，可根據(jù)系統(tǒng)要求和光照條件進(jìn)行選擇。

2.2 逆變器的控制策略與優(yōu)化

逆變器在光伏系統(tǒng)中起到關(guān)鍵作用，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電以供電網(wǎng)或負(fù)載使用。為了提高系統(tǒng)性能，逆變器需要采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗院蛢?yōu)化技術(shù)。

一種常見(jiàn)的逆變器控制策略是基于PWM（脈沖寬度調(diào)制）的控制。PWM逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電，通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)器件的脈沖寬度來(lái)控制輸出電壓。其基本數(shù)學(xué)表達(dá)如下：

式中：D為占空比；Vdc為直流電壓；Vac為交流電壓。

控制占空比可以實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的調(diào)整，從而使逆變器適應(yīng)不同的電網(wǎng)要求。此外，PWM控制還可以減小諧波失真，提高輸出電流質(zhì)量。

在現(xiàn)代光伏系統(tǒng)中，以電流控制為基礎(chǔ)的控制策略也變得流行。這種方法通過(guò)控制輸出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)更精確的電流匹配和保護(hù)功能。電流控制逆變器通常采用內(nèi)部電流控制回路來(lái)跟蹤所需的電流參考值，并實(shí)時(shí)調(diào)整開(kāi)關(guān)器件的狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)所需的輸出。逆變器的優(yōu)化還包括諧波濾波、電流限制、過(guò)壓保護(hù)、溫度管理等方面。這些技術(shù)有助于提高逆變器的效率、穩(wěn)定性和可靠性，減少功耗，并延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

2.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性與保護(hù)控制

光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行至關(guān)重要。系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題包括電壓和頻率波動(dòng)、電壓失調(diào)、諧波失真等。為了維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以采取以下措施：

1）電壓控制：通過(guò)調(diào)整逆變器輸出電壓來(lái)維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，以確保其與電網(wǎng)或負(fù)載的匹配。

2）頻率控制：系統(tǒng)頻率應(yīng)與電網(wǎng)頻率匹配，因?yàn)椴黄ヅ淇赡軐?dǎo)致電網(wǎng)連接問(wèn)題。頻率控制可以通過(guò)逆變器控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3）諧波濾波：諧波濾波器用于減小諧波失真，確保系統(tǒng)的電流和電壓質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。

4）保護(hù)控制方面，光伏系統(tǒng)需要保護(hù)免受電壓浪涌、電流過(guò)載、短路、逆變器故障和電池過(guò)放電等問(wèn)題的影響。這包括采用電壓和電流傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及實(shí)施過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)機(jī)制。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益

3.1 投資回報(bào)率（ROI）

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝是一個(gè)需要初始投資的過(guò)程，但隨著時(shí)間的推移，這個(gè)投資通常會(huì)得到回報(bào)。以下是一些投資回報(bào)率的數(shù)據(jù)和分析：

1）平均投資回報(bào)時(shí)間：根據(jù)國(guó)家和地區(qū)的差異，以及具體系統(tǒng)規(guī)模和性能而定，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的平均投資回報(bào)時(shí)間通常在5～10 年。在某些情況下，這一期限可能更短，具體取決于太陽(yáng)能資源、政府激勵(lì)政策和電力價(jià)格。

2）年化ROI 率：根據(jù)美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的數(shù)據(jù)，美國(guó)的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在一些地區(qū)可以獲得超過(guò)10%的年化投資回報(bào)率。這意味著光伏系統(tǒng)的年均利潤(rùn)可以達(dá)到投資的10%以上。

3）逐漸降低的成本：太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的成本不斷下降，使其更具吸引力。在過(guò)去的十年中，光伏模塊的價(jià)格下降了約80%，而逆變器和安裝成本也有所減少。

3.2 成本效益

除了投資回報(bào)率，成本效益也是評(píng)估太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。

1）系統(tǒng)成本：太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的成本主要包括太陽(yáng)能電池模塊、逆變器、安裝、維護(hù)和電網(wǎng)連接等。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模、類型和地理位置的不同，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的居住用太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的成本通常在10 000～30 000 美元之間。

2）電費(fèi)節(jié)省：太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)可以顯著降低電費(fèi)支出。根據(jù)能源信息管理局（EIA）的數(shù)據(jù)，美國(guó)家庭的電費(fèi)每年平均約為1 500 美元。一個(gè)典型的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)可以減少或消除這一費(fèi)用。

3）長(zhǎng)期效益：光伏系統(tǒng)的壽命通常在25～30年，因此在其壽命內(nèi)，系統(tǒng)主人可以節(jié)省數(shù)十萬(wàn)美元的電費(fèi)支出。

3.3 環(huán)境效益

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了顯著的積極影響，降低了碳排放、保護(hù)自然資源，并改善了空氣和水質(zhì)。表1 提供了一些相關(guān)的具體數(shù)據(jù)，以更清晰地表達(dá)這些環(huán)境效益。

表1 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)對(duì)環(huán)境影響數(shù)據(jù)

1）減少二氧化碳排放：太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)通過(guò)減少對(duì)化石燃料的依賴，顯著降低了二氧化碳（CO2）的排放。數(shù)據(jù)顯示，一個(gè)6 kW 的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)每年可以減少4.5～6.7 t 的CO2排放。這對(duì)于減緩氣候變化和改善空氣質(zhì)量具有重要意義。

2）節(jié)省水資源：傳統(tǒng)的火力發(fā)電和核能發(fā)電需要大量淡水用于冷卻系統(tǒng)。相比之下，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)無(wú)需水資源。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)每年可以節(jié)省40 000～50 000 加侖的淡水資源。這有助于保護(hù)有限的水資源，尤其是在干旱地區(qū)。

3）減少空氣污染物排放：與傳統(tǒng)燃煤發(fā)電相比，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)無(wú)需燃料燃燒，因此減少了大氣中的空氣污染物排放。每年，一個(gè)典型的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)可以減少0.5～1.0 t 的氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）和顆粒物排放。這有助于改善空氣質(zhì)量，減少與呼吸道疾病有關(guān)的健康問(wèn)題。

4）節(jié)省土地使用：太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)通常安裝在建筑物的屋頂或未利用的土地上，無(wú)需額外的土地。相比之下，傳統(tǒng)發(fā)電廠需要大片土地用于電站和燃料采購(gòu)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)可以節(jié)省0.1～0.2 平方英里的土地，有助于保護(hù)自然生態(tài)系統(tǒng)和減少土地開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境的沖擊。

這些數(shù)據(jù)表明太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)不僅可以為經(jīng)濟(jì)帶來(lái)利益，還可以顯著減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。通過(guò)減少碳排放、保護(hù)水資源、改善空氣質(zhì)量和減少土地使用，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮了積極作用，有助于實(shí)現(xiàn)清潔和環(huán)保的能源未來(lái)。

4 結(jié)語(yǔ)

在光伏發(fā)電系統(tǒng)及其控制的研究中，深入探討了光伏電池的工作原理、逆變器控制策略、高階控制技術(shù)以及分布式光伏系統(tǒng)與微電網(wǎng)的集成控制。這些研究和應(yīng)用為清潔能源的發(fā)展和可持續(xù)能源供應(yīng)提供了重要支持。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，光伏發(fā)電系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)正迅速擴(kuò)大應(yīng)用，為減少對(duì)化石燃料的依賴、減少碳排放和推動(dòng)可再生能源的普及作出了重要貢獻(xiàn)。隨著更多的創(chuàng)新和研究，光伏發(fā)電系統(tǒng)將繼續(xù)成為未來(lái)清潔能源領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，并為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的能源未來(lái)提供持久的動(dòng)力。