太阳能光伏发电系统应用研究

董有尔，蒙宇，申甜甜，唐晋娥

（山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006）

0 引言

能源是人类赖以生存、社会不断进步、经济持续发展的重要物质基础，能源结构的每一次突破，都会引起社会和生产的变革.随着生活水平的不断提高，人类对能源的需求与日俱增.近几年，世界每年的能源消费约为10TW，预计在2050年达到30TW.能源的短缺与温室效应的加剧，寻求新的可再生能源，改变能源结构已经成为当今世界的主要话题［1］.太阳能光伏发电作为一种清洁能源已经受到世界各国的重视［2］.根据大量统计数据预测，到2020年中国电力装机将从现在的4亿千瓦上升到11亿千瓦，到2050年将上升到至少25亿千瓦.如此巨大的电力能源需求将不能期望完全由化石能源来解决，可再生能源将扮演重要角色［3－4］.我国已探明煤炭储量1145亿吨，按2020年能源需求40亿吨计算，我国的煤炭资源仅能维持30年.我国太阳能较丰富的区域占国土面积的2／3以上，每年地表吸收的太阳能大约相当于1.7万亿吨标准煤的能量，相当于上万个三峡电站的电量.2007年我国能源消耗相当于26.5亿吨标准煤，是全部太阳能的1／1000左右，太阳能将是解决中国能源（包括能源环境问题）的最终有效途径之一.

自1893年法国科学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应，1954年第一块实用的单晶硅太阳能电池问世以来，太阳能光伏发电总是与能源危机联系在一起，历次的石油危机，推进了太阳能发电技术的发展.进入21世纪，世界能源和环境问题突显，欧洲各国、日本、美国等进一步加大研究和开发力度，再次推动了太阳能产业轰轰烈烈的发展.世界各国都通过各种法案对光伏购电进行补偿，促使太阳能发电装机容量得到了迅猛的增长［5－9］.如日本出台“太阳能发电普及行动计划”，争取3－5年后太阳能发电价格降到目前的一半，2020年太阳能发电量增加为2005年的10倍等.近几年来，中国政府也越来越重视可再生能源，相继推出补贴政策.2006年，中国的光伏产业规模超过美国，跃居世界第三，仅次于日本和德国；2007年首超日本成为太阳能电池组件的生产大国，跃居世界第一位.但我国企业生产出来的太阳能电池绝大部分都出口到国外.如：2008年中国太阳能电池产量为2600MWp，但国内装机容量只有产量的2%，约45MWp［10］，也就是说，中国光伏企业约98%的市场都依赖国外订单［3］.制造太阳能电池要消耗很大的能量，污染在中国，收益在国外，对于我国，太阳能电池的应用还有很大的空间.目前，中国已经实现光伏产品产量翻倍，成为全球光伏市场的领头者，并在青海、乌鲁木齐建设了全世界第二大的光伏电站［11－12］.光伏发电总装机容量仅次于德国、美国、意大利［13］.相信未来几年中，光伏发电会在中国得到更迅速的发展.

但是，国内光伏技术的专业人才严重缺乏，不少著名光伏企业不惜斥资高薪聘用海外专家和留学学者参与太阳能电池技术的研究和开发，人才缺乏也是制约太阳能电池应用的一个主要因素.光伏发电系统应用技术是集量子力学、半导体物理、电化学、光电子技术、现代电力电子技术和现代控制理论等高新技术于一体的交叉学科［14］，不仅具有巨大的经济、政治和社会效益，而且包含丰富的学术价值和基础理论问题，对其进行研究有非常重要的现实意义和深远的历史意义.

1 太阳能光伏电池的特性与应用

1.1 光伏发电原理（图1）

光伏发电的基本原理就是“光生伏特效应”，简称“光伏效应”.当硅材料太阳能电池晶片（pn结面）受光照后，光子将深入到半导体内部，在pn结两边产生电子－空穴对，在pn结内电场的作用下，n型半导体的空穴往p型区移动，而p型区中的电子往n型区移动，使p端电势升高，使n端电势降低，在电池两端形成电势差.如将太阳能电池与外电路接通，外接负载产生电流.

图1 光伏发电原理示意图Fig.1 Principle of the solar cells

1.2 太阳能电池转换效率

太阳能电池的能量转化效率是从太阳能电池的端子输出的电力能力与输入的太阳辐射光能之比.转换效率η可定义为：

太阳能电池的转换效率低下是制约太阳能光伏产业的一个瓶颈.目前商用太阳能电池转换效率小于20%；实验室硅系太阳能电池转换效率接近25%；非硅系太阳能电池据报道可达到40%［15］.太阳能电池的能带示意图如图2（P42）所示，禁带宽度也就是带隙Eg＝Ec－Ev，光伏电池接收光子，吸收光子能量产生电子－空穴对，前提是光子有足够的能量激发价电子穿越禁带到达导带.特定波长的光子携带的能量为：

光伏电池的材料选定后，禁带宽度确定，它对光谱的吸收特性也确定.所以，影响光伏电池转换效率的因素有［4，16］：①谱响应造成的损失：当太阳光照射到太阳能电池时，要产生转换，光子的能量必须等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg，光能小于禁带宽度Eg的太阳能不能产生电子－空穴对，直接转变为热量，大约25%；光能大于禁带宽度Eg的太阳能产生电子－空穴对，但超过禁带宽度Eg的能量也转化为热量，大约30%；②光学和温度损失：硅表面的反射和温度升高造成损失；③复合损失：晶体的不纯和结构缺陷，造成电子－空穴没有被利用之前复合.

1.3 太阳能电池的发展与分类

太阳能电池根据其制造所用材料和制造方法，分为不同的种类.第一代光伏电池（硅片，占市场份额87.4%）：单晶硅（42.2%）、多晶硅电池（45.2%）；第二代光伏电池（薄膜，低成本，12.6%）：非晶硅（5.2%）、砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒；第三代光伏电池（薄膜，高效率、低成本）：染料敏化电池、全光谱电池、叠层多结电池、量子点电池、纳米电池、有机光伏电池、聚光电池等多种新概念电池.硅太阳能电池发展迅速，技术成熟，发电性能稳定，无毒，原料资源丰富，光电转换效率较高，因此目前应用较广泛.薄膜太阳能电池刚刚起步，新型太阳能电池处于实验室初级阶段，太阳能电池应用技术有一定基础，太阳能光化学转化、光生物学研究还在探索阶段，太阳能利用学术探索和技术发展前景广阔［3，15－16］.

在整个太阳能光伏发电系统成本中，电池组件约占50%，电流转换器、安装费、其他辅助部件以及其他费用占另外50%.而在主要部件晶体硅电池的成本中，原料则占70%.发展廉价的制备单晶硅和多晶硅的物理和化学技术是关键.晶体硅电池仍占光伏电池的主要部分，急需发展硅材料制备和提纯的高效率低成本技术.

图2 太阳能电池能带示意图Fig.2 Energy band diagram

1.4 光伏阵列与性能测试

太阳能电池很少单个使用，而是将具有相似特性的电池连接和封装成组件，形成太阳能电池阵列.每个单晶硅电池所能得到的最大电压只有600mV，一般情况下，按0.45V计算.根据光伏发电系统的规模与需求，可将光伏组件串、并联组成光伏电池阵列，输出需要的电压、电流.为了解决光伏电池和光伏电池组件失谐的问题，就需在原电路的基础上加旁路二极管，常用的光伏电池串并联电路如图3所示.

光伏阵列的发电量与光伏电池板接收太阳能辐射能量多少和运行工作点有关，因此，太阳能光伏阵列的安装对太阳能发电系统的效率影响非常大.最佳的太阳能阵列安装方式是使其受光面始终正对太阳，让光线垂直投向光伏电池板.若入射角不为零（即光线不垂直于光伏电池板），将会造成太阳能的损失.

光伏阵列的输出特性测试的基本电路如图4所示，左边是待测光伏电池的等效电路，右边是测量电路.为了消除导线电阻和接触电阻的影响，可用图中所示的四端点测量法.测试光源可用可调光源，改变负载电阻，记录其电压和电流值，就可以绘制出光伏阵列的伏安特性曲线.

图3 常用光伏电池串并联示意图Fig.3 Solar panels in series and parallel

图4 光伏电池输出特性测试原理图Fig.4 Model of the solar cell

如图4所示的等效电路中，Iph是在有光照的情况下光伏电池产生的电流，它与光的辐射、电池的温度成正比.ID为pn结的扩散电流，其值为ID＝I0）.I0为黑暗环境下光伏电池的反向饱和电流.Rsh为漏电流引起的旁漏电阻.RS为体电阻以及金属电极的电阻等.其负载电流为：

理想情况中RS无穷小，Rsh很大，输出电压U与输出电流I有如下关系：

在光照一定的情况下，改变负载电阻，测出光伏电池的U－I曲线如图5所示.当短路时，测得光伏电池的最大输出电流，也就是短路电流Imax.随着RL阻值的增大，增到最大后相当于开路，RL两端电压U为最大值，及开路电压Umax.图中阴影面积为输出功率，显然随着U值从小到大，输出功率先增大后减小.在Upm处，输出功率达到最大值，此时的电流值为Ipm.

图5 光照一定情况下光伏电池的伏安特性曲线Fig.5 Volt－ampere characteristic curve of the solar panel

2 光伏独立发电系统

光伏发电系统按照与电力系统是否连接可分为独立发电系统和并网发电系统.独立发电系统：白天发电，全天候用电，因此，在此系统中储能元件是必不可少的.储能元件主要是：蓄电池、超级电容器、超导储能器件等.该系统的设计要考虑负载用电情况、负载特性和当地的年平均日照量等［17］.

2.1 系统组成

光伏独立发电系统如图6所示，由太阳能电池板、控制器、蓄电池和逆变器等构成.光伏电池板产生的直流电能经过电缆、控制器、储能器及逆变器，为负载提供所需要的电能［18－19］.独立供电系统中，光伏阵列产生的电能仅供系统的直流负载和交流负载所用，不与外界供电网络相连.

蓄电池充电作为光伏发电能量的储能环节，每天都处于能量循环中，在调节负载的同时，也可以调节充电电流来实现匹配光伏电池最大功率点的目标.变换器也叫控制器，是光伏发电系统的关键部件.光伏发电系统的变换器主要有以下几种类型：太阳能最大功率点控制器——通过调节负载功率，匹配太阳能电池的输出电压与电流，使光伏列阵输出电压工作在最大功率点电压处，实现光伏功率输出最大化［20］；蓄电池充放电控制器——通过调节控制器的直流电压和电流输出值，实现不同策略的充电控制.如恒流充电、恒压充电等.

图6 独立式光伏发电系统Fig.6 Off－gird solar power system

2.2 DC－DC变换电路

光伏电池最大功率点受光照、温度和负载的影响，其最大功率点电压是变化的，为了给蓄电池稳定充电和功率点跟踪，需要经过DC－DC变换.

通常，光伏逆变系统中选择Boost变换器进行DC－DC升压变换，从而来满足逆变的需要（图7）.

当功率开关管V1闭合，电感L中流过很大的电流，将电能变成磁能储存在电感L中，因为V1闭合时其两端电压为零，故二极管V2不导通，负载RL中的电流为零；当功率开关管V1断开，电感两端产生的自感应电压的极性为左负右正，它与输入电压Ui叠加起来使二极管V2导通，电流流过负载，并给电容充电［6］.

当功率开关管V1断开时，负载上的电压Uo为输入电压Ui与电感L上自感应电压的代数和，故Uo＞Ui，因此这种DC－DC变换成为升压型电路.

图7 Boost变换器Fig.7 Principle of Boost Converter

这里记功率开关管V1的导通时间为ton，关断时间为toff，则：

由（6）式可知，可以通过控制功率开关管的通断时间来控制占空比的大小，从而控制输出电压Uo，但如果占空比D很小，那么，Boost升压斩波电路的输出电压Uo也会很小，将无法满足逆变器直流侧的要求.因此占空比D存在一个最小值，即：

这里，Uoc表示光伏电池阵列的开路电压，即Boost升压斩波电路的输入电压.故D的变化范围是Dmin～1，光伏电池阵列的输出电压变化范围是：0～Uoc.

2.3 最大功率点跟踪

太阳能光伏电池的电压和电流是非线性关系，且在不同的温度及光照强度下，输出特性曲线也有所不同［21］.在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点（Maximum Power Point，MPP）上.因此对于光伏发电系统来说，应寻求光伏电池的最优工作状态，最大限度地将光能转化为电能.那么，利用控制方法实现光伏电池的最大功率输出运行的技术被称为最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技术［19，22］.

常见的功率跟踪法有恒压跟踪法、功率反馈法、扰动观察法、电导增量法等.电导增量法的控制稳定度较高，跟踪准确性最高，当外界大气条件发生变化时，也能平稳地跟踪其变化，具有良好的跟踪性能，因此被广泛采用［23］.

电导增量法（incremental conductance，INC）与功率反馈法的基本理念相同，出发点都是逻辑判断式：dP／dU＝0.太阳能光伏电池的瞬时输出功率是P＝U×I，将这个等式左右两边都对电压U求导，则可以得到：

其中，dI表示所测量到的增量前后的电流变化量，dU表示所测量到的增量前后的电压变化量，I／U则是光伏电池的电导值.那么电导增量法的判断控制依据是：

传统的电导增量法大多采用固定步长的方式跟踪最大功率点，假设步长因子为Δu，则Δu的取值与能否很好实现最大功率跟踪至关重要.若Δu设置太大，导致跟踪精度不够，太阳能电池工作点虽然能够在最大功率点附近，却无法准确锁定最大功率点，加剧系统振荡；反之若Δu取值太小，虽然提高了跟踪精度，但是跟踪速度却很慢，导致系统损失较多能量［23］.因此，为了提高电导增量法进行最大功率跟踪的快速性和准确性，本文在传统的电导增量法的基础上提出电导增量法的改进算法——变步长自适应电导增量法.

对于（9）式，我们可将其变形为：dU／dI＝－U／I，这里令：dU／dI＝rS且U／I＝r，并设M＝1＋r／rS，因此我们将步长因子取为u＝M＝1＋r／rS，即步长因子为一个变化量.那么，变步长的自适应电导增量算法就可以表示为.

该算法的具体流程图如图8所示.

图8 电导增量法流程图Fig.8 Flow chart of the Incremental conductance method

3 光伏并网系统

并网光伏发电系统根据装机模式可分集中式和分散式两种.集中式容量较大，通常在几百千瓦以上.分散式容量较小，在几千瓦到几十千瓦，我们常见的为分散式并网发电系统.并网系统中光伏电池所发出的直流电能经逆变器逆变成与电网同频同相的交流电能后并入电力系统［17］.该系统不需要蓄电池，是光伏发电系统最合理经济的方式.

3.1 并网系统组成

并网式光伏发电系统框图如图9（P46）所示，太阳能光伏电池阵列在光照条件下，发生光生伏特效应，产生不稳定且幅值较小的直流电.控制器起到稳定前级电压的作用，并在DC－DC部分进行最大功率点跟踪（MPPT），从而提高系统的发电效率，并为后级DC－AC部分提供了逆变所必需的直流母线电压，为并网逆变做出前级准备.并网逆变器是光伏并网系统中最为关键的部分，它将前级DC－DC升压后得到的直流电压经过DC－AC变换得到220V、50Hz的交流电，并通过相应的并网控制策略使逆变器的输出电流和市电电网的电压实时保持同频同相［24－25］，防止对电网造成污染.另外，当市电电网供电因故障事故或停电维修而跳闸断电时，并网光伏系统必须及时检测出停电状态并将自身切离电网，否则将会形成一个自行供电的孤岛系统，对设备及人员安全造成危害，因此并网逆变器还应具有防止孤岛效应的作用.

3.2 并网逆变器的主电路及控制策略

并网逆变器的功能是将太阳能电池产生的直流电能转换为交流电能，并与电网并联.目前光伏发电系统中的并网逆变器大多数采用工作在SPWM状态的全桥式逆变方案，要求有比较高的变换效率和可靠性，满足电能质量的要求.图10（P46）为并网逆变器主电路拓扑结构，由IGBT等功率开关器件构成，控制电路控制开关器件T1和T4、T2和T3两组对角线联动开关交替开通或关断，将直流输入转变为交流输出.逆变环节输出和电网之间的电感用于滤出高次谐波电流，平衡逆变器和电网之间的电压差.

光伏并网系统中对逆变器主电路的控制信号，通常由单片机或数字处理芯片来实现，通常采用优化的SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦波脉冲宽度调制）控制策略［25］.传统的SPWM方法是将参考电流和实际输出电流实时比较作差值，差值经过PI比例积分控制器后和适当的三角载波进行比较，从而输出PWM脉冲宽度调制信号.控制方式原理如图11所示.

图9 并网式光伏发电系统Fig.9 On－gird solar power system

图10 并网逆变器主电路拓扑图Fig.10 Circuit topology of Grid－connected inverter

图11 传统的SPWM控制法原理图Fig.11 Schematic of traditional SPWM control method

由图11可知，使用该方法的前提是参考电压和实际输出电流存在差值，否则将无法产生所需的SPWM波形，基于传统方法的缺陷，在此基础上出现了改进型的SPWM控制方法如图12所示［23］.

图12 改进型的SPWM控制法原理图Fig.12 Schematic of improved SPWM control method

在该方法中，参考电流和实际输出电流比较得到差值ΔI，差值电流经过PI调节器，乘以相应比例系数后得到图10中输出侧的滤波电感LN上的电压，之后与电网电压UN相互叠加，即可得到逆变器的输出电压信号，将其与适当频率的三角载波比较，进而输出SPWM信号［26］.改进型的SPWM方法不仅保留了传统方法的优点，而且由于引入了电网电压的前馈控制，当参考电流和实际输出电流的差值较小时能够降低电网电压对逆变跟踪的影响，提高系统的性能.

3.3 孤岛效应的防治

在并网光伏系统中，所谓“孤岛效应”［27］是指当市电电网由于某种原因发生故障或中断而不能继续供电时，光伏系统仍继续独立向电网输送电能，从而形成一个电力公司无法控制的自给供电的孤岛现象.孤岛效应的发生，会对用户的用电设备和检修人员的安全造成重大危害，因此孤岛效应的防止对太阳能并网光伏系统至关重要.

目前，孤岛效应的检测主要有被动式检测法和主动式检测法［28］.被动式检测法一般是利用检测电网的电压大小与频率高低或谐波变化作为判断电网是否发生故障或中断的依据.例如：电压／频率检测法、相位跳动检测法、电压谐波检测法、频率变化率检测法等.这些方法检测时间较长，且适用于负载频率变化不大，与逆变器功率不匹配的情况，当光伏系统的输出功率和负载功率达到平衡时，被动式检测法就会存在无法检测的较大盲区.主动式检测法是在逆变器的输出端主动对系统的电压或频率施以周期性的扰动，并观察市电电网是否受到影响，以此作为判断电网是否发生故障或中断的依据.例如：主动相位偏移法、主动频率偏移法等.这些方法的检测盲区较小，但可能对系统的功率因数及电能质量产生一定影响，且检测方法比较复杂［28－29］.通过以上分析，被动式检测法和主动式检测法各有利弊，因此关于预防孤岛效应的方法，可以采用被动检测法和主动检测法相结合的方法，例如：电压频率检测法和主动频率偏移法相结合.

4 结束语

光伏发电的应用领域十分广泛，除了在太空用于卫星之外，地面上主要用于照明、通讯、交通等领域；近年来对光伏发电的大范围应用有了新的趋势，即光伏发电与建筑物结合（BIPV）、太阳能LED路灯以及并网发电，被公认为是未来光伏发电的最大市场和最主要的方向［22］.太阳能建筑（BIPV）将太阳能发电技术与建筑材料相结合，实现大型建筑电力自给自足，是未来一大发展方向［10］.太阳能LED路灯集成了太阳能与LED的优点，被认为是21世纪的照明新节能光源.并网式光伏发电系统是当今发展方向，全世界并网式光伏系统年增长率约为25%～30%.

近几年，随着西班牙、德国、美国、日本对本国光伏产业的政策扶持，全球光伏发电应用进入了一个快速增长的阶段，欧洲是全球光伏市场的先驱，具备完善的光伏产业链，光伏应用技术处于世界领先地位.目前，我国虽然已成为世界最大的太阳能电池生产基地，连续多年维持世界第一，但是光伏发电应用市场发展缓慢，安装量极少.如2009年，我国太阳能电池总产量为4GW，国内安装量为160MW，仅占全国当年产量的4%，这种单一产业结构，不利于光伏产业持续健康发展.为了改变这一现状，实现从光伏电池制造大国向光伏应用大国的转变，使我国光伏产业快速步入良性循环的发展模式，2009年以来我国政府出台了“太阳能屋顶计划”、“金太阳工程”、“光伏发电上网标杆电价”等一系列加快应用市场开发的新政策，昭示着中国国内光伏应用市场正式启动.为了缓解目前利用化石能源所带来的环境和资源的压力，以及从根本上解决未来人类能源问题，高等学校各相关专业要为太阳能光伏发电系统培养一大批研究和应用人才做出积极的贡献.随着我国工业与信息化部2012年2月24日《太阳能光伏产业 “十二五”发展规划》发布实施，相信未来在人才资源、政府补贴、经验、技术积累的基础上，我国的光伏发电系统应用将会有较大的发展［21］.

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