太阳能光伏发电系统研究

王林川，高云鹏

(东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

1 光伏发电系统发展的迫切性

进入21世纪后，随着人类工业化文明的日趋发展，能源问题越来越受到重视和关注，电力的需求量也随之增长，其中火电、水电、核电等占了很大的比重［1－3］。我国发电的主要来源仍是火力发电，但火力发电需要燃烧大量的煤炭、石油等化石燃料，造成了资源的匮乏和环境的破坏。随着不可再生能源的大量开采与利用，使人类面对的能源危机问题日趋严重。太阳能取之不尽、用之不竭，低成本、高效益，尤其具有极高的清洁性，越来越受到关注［4－6］。合理利用太阳能等可再生能源发电是解决能源危机和环境污染问题的一种有效方法，对可持续发展具有极其重要的意义。

光伏发电技术是将太阳辐射能转化为电能的新型发电技术。随着科学技术的不断进步，光伏组件材料的价格也随之不断降低，光伏发电越来越明显地显现出其经济效益和可利用的社会价值，使其作为缓解能源压力和改善环境的重要战略引起发达及发展中国家重视。

太阳能光伏发电具有以下优点［7－9］:

1)无污染，无排放废弃物，无辐射。

2)资源广泛，不受地域限制，只有区域间太阳能资源丰富的差别。

3)方便灵活，光伏电池可按需求增多或减少，扩容方便。

4)独立光伏发电系统可解决偏远地区长期用电难的问题。

但是，太阳能光伏发电也存在诸多问题:

1)易受环境的影响。光照的不稳定性和间歇性造成了光伏出力具有波动性和不可控性，导致无法制订特定的发电计划。

2)电压稳定问题。光伏发电的不确定性和不可控性使并网时系统母线电压越限，产生电网电压波动等问题。

3)易受外界条件的影响。外界条件的变化将使系统工作不稳定，尤其当系统中负荷变化时更为严重。

为解决光伏发电系统产生的诸多问题，各国科技工作者从提高光伏发电系统的发电效率、降低成本、增大发电容量、保证系统的稳定性和可靠性等方面进行了有效研究，并合理地将一些理论研究成果运用于光伏产业中。

光伏发电技术几十年来的发展历程，呈现出如下发展趋势:晶体硅光伏电池光电转换效率和生产技术水平持续提高;随着晶体硅光伏电池硅片厚度的不断降低，硅材料消耗不断减小，光伏电池生产成本大幅降低;CdTe、非晶硅、CIS等薄膜光电池已逐步进入市场，薄膜光伏电池的市场份额将快速增长;多晶硅薄膜光伏电池的光电转换效率不断接近晶体硅光伏电池，成本远低于晶体硅光伏电池，发展前景广阔;叠层、量子点、多能带、热光伏、多载流子等新一代光伏电池将克服第一代硅光伏电池成本高、第二代非晶硅等薄膜光伏电池光电转换效率低的问题，且有原材料丰富、无毒等优点;光伏发电产业专用设备和仪器制造技术不断进步，光伏电池生产规模及生产能力快速增长，光伏模块价格大幅降低。

2 光伏发电系统的发展

在过去的十年间，光伏产业的发展速度十分惊人，并成功跻身到世界上发展最快的产业队伍中。2012年世界太阳能电池的产量为10.7 GW，比2011年增长了35%，而世界太阳能电池的年增长率已经连续10 a超过30%，全世界的太阳能电池产量都呈现出快速增长的趋势。表1所示为2005年至2012年期间世界太阳能电池的历年产量和年增长率。

表1 世界太阳能电池的历年产量和年增长率Tab.1 Production over the years and the annual growth rate of the world solar cell

目前，全世界近100个国家都投身于开发和利用太阳能电池的浪潮中，并积极生产各类相关的节能产品［10－12］。图1所示为2005年至2012年期间世界各地太阳能电池的年产量。

由于目前光伏发电的成本还是很高，世界各发达国家都制定了激励政策来刺激光伏发电市场。德国首先实施“上网电价”光伏发电激励政策，取得了明显的成效，十万屋顶计划顺利实施，连续多年光伏发电的安装量位居世界第一。继德国之后，西班牙、意大利、法国、荷兰等欧洲国家纷纷效仿，先后出台各自的上网用电政策。美国对于光伏发电的激励政策主要有“上网电价”补贴、初投资补贴、税收优惠和“净电表”等方法。而日本主要实行安装光伏发电系统时对初投资进行补贴，类似于美国的《净电表计量法》［13－15］。

由图1可以看出，我国已经成为生产太阳能电池的主要力量。我国太阳能电池产业形成了一定的聚集态势，并在个别地区形成了独具特色的光伏产业集群。然而，我国光伏产业的发展仍面临“两头在外”的困境，在国内大规模推广光伏发电技术尚存在一定的困难，主要原因在于:技术水平不强，设备不够先进，与发达国家相比存在明显差距，原材料不足，生产规模小等。随着其他能源利用形式的逐渐饱和，光伏发电势必将成为主流能源利用形式。因此，我国政府十分重视光伏能源的发展，近些年来颁布了多个与可再生能源法相关的配套政策来刺激和推动光伏发电产业的发展。2008年国家电力监管委员会颁布了《电网企业全额收购可再生能源电量监管办法》，强调电网企业必须按照《可再生能源法》的原则有限收购可再生能源发电量;随后电监会能源办又共同发布了《节能发电调度办法(试行)》，提倡优先调度可再生发电资源，进一步明确了我国可再生能源的发展目标。2020年中国光伏发电的具体规划目标如表2所示［16－17］。

3 光伏并网系统研究现状

3.1 光伏并网系统的组成

根据光伏系统是否并网，可将其划分成两种形式:离网光伏系统和光伏并网系统。离网光伏系统是指一种独立运行的系统，它没有连接到大电网中，因此离网光伏系统通常用来服务于一些地址偏远、用电不方便的地区。直流系统、交流系统和混合系统是离网光伏系统的三种主要形式。

表2 中国2020年光伏发电的具体规划目标Tab.2 Planning objectives of China photovoltaic power generation in 2020

光伏并网系统通常可以看作是大电网的组成部分，它可以传输有功功率和无功功率到与之相连接的电力系统中。按照有无储能装置，光伏并网系统可分为有储能装置光伏并网系统和无储能装置光伏并网系统。根据功率级别和光伏阵列的分布情况，可将光伏并网系统分为集中型大型光伏并网系统和分布式小型光伏并网系统。光伏并网发电就是利用并网逆变器将光伏系统连接到大电网中，将光伏系统所产生的电能传输到大电网中，由电网进行分配，为当地的负荷供电。随着对系统稳定运行要求的逐步升高，光伏并网发电已成为当今社会光伏发电系统主要采用的运行方式［18－20］。

3.2 光伏并网系统的控制

光伏并网控制系统主要由光伏组件、变换器、逆变器和控制器构成。随着科学技术的日益进步及对光伏并网系统了解和认识的日益成熟，人们逐渐能够将某些先进的控制算法应用到光伏并网系统的控制中。由光生伏特效应的原理可知，光伏电池会根据外界阳光的照射产生光生电流，通过合理的控制来调节变换器的占空比，进行阻抗匹配，便可使系统工作在最大功率点，光伏组件输出最大功率;控制器对并网逆变器进行合理控制，可以让逆变器的输出电流跟踪电网电压波形。因此光伏并网系统的控制主要分为光伏并网最大功率点跟踪控制和光伏并网逆变器控制［21－22］。

3.2.1 光伏并网最大功率点跟踪控制

最大功率点跟踪控制(MPPT)，就是利用一定的控制技术来寻求光伏电池的最优工作状态，使系统能够保持最大功率输出。实现光伏最大功率点跟踪控制需要满足两个条件:1)选择适当的变换电路作为光伏最大功率点跟踪控制的主电路;2)通过适当的最大功率跟踪控制算法来控制变换器的占空比，从而达到跟踪最大功率点的目的。当前国内外常用的MPPT控制算法主要有:定电压跟踪法、短路电流比例系数法、扰动观测法、电导增量法、电流扫描法、差值计算法、神经网络法、模糊逻辑控制法、滑模控制法以及综合控制算法等［23－24］。3.2.2 光伏并网逆变器控制

光伏并网逆变器实现并网的主要条件是逆变器输出三相交流电，其谐波含量在规定范围内，能够很好地跟踪到电网电压波形，保持与电网电压同频同相，并且以单位功率因数向电网输送有功功率。因此，能否实现友好并网主要取决于对并网逆变器的控制，如何控制并网逆变器获得良好的输出电流波形成为逆变器领域研究的热点。人们将各种各样的控制理论，比如PID控制、滞环电流控制、自适应控制、模糊控制、重复控制等引入到并网逆变器的研究中。由于每一种控制方法都存在一定的优点，同样也存在一定的缺陷，将两种或者两种以上的控制方法有机结合，取长补短，实现算法互补，成为当下光伏并网系统控制研究的趋势。

4 带储能的光伏发电系统

在光伏发电系统中，由于受到外界条件的变化导致系统产生的电能不能一直达到负载所需。为了解决此问题，使光伏发电可以持续可靠地向负载提供电能，光伏发电系统需要配备一定容量的储能装置进行能量调节。储能装置的作用主要有:

1)在保证光伏发电系统可靠性的前提下，保证其持续性。光伏阵列不可能持续产生电能，例如在光照强度很弱、夜晚无光照等情况下，为使负载可以正常使用，需要储能装置释放电能，由储能单元补充提供负载部分电能，通过这样的方式，便能确保系统供电的可靠性和持续性。

2)增强系统的稳定性。在光伏发电系统中，当系统受外界影响时，容易导致电压波动使电能质量下降，因此需要调节系统的电能质量。储能装置可以在电能质量的调节中发挥重要作用。当系统出现较大扰动时，储能装置可以释放或吸收短时峰值功率，减少电压的波动，确保系统的稳定性。

3)增加系统的可调度性。对于小型独立光伏发电系统，配置一些小容量的储能单元就可保证系统的持续供电。然而对于一些中大型光伏系统，储能装置容量的大小会限制系统供电的持续性，因此光伏发电系统配置越大容量的储能装置，越能增加系统调度的灵活性，同时提高了经济效益。

在传统并网光伏系统的直流母线上添加储能元件，即构成了带储能系统的并网光伏系统。通过控制储能双向变流器电感电流值的大小与流动方向，实现了对储能元件的充放电;通过储能元件对电能的储存和释放，可以平滑太阳能发电出力波动，解决太阳能发电自身出力的随机性和不可控性问题，减小太阳能出力变化对电网的冲击。随着电力工业发展中存在问题的增多，储能技术也随之发展起来。电能本身不能存储，然而可将电能转化成机械能、化学能或电磁能等形态实现存储。根据能量存储方式的不同，可将储能方式分为机械储能(如抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等)、电化学储能(如锂离子电池、钠硫电池、液流电池、铅酸电池等)、电磁场储能(如超导储能、超级电容器储能等)和变相储能(如熔融盐储能、冰蓄冷储能等)四大类型［24－26］。

各种能源存储技术在能量密度、功率密度、响应速度和能源系统的大规模存储能力等方面有不同的表现，而在系统应用的所有方面储能电源系统也提出了不同的技术要求，很少能有一种储能技术能够彻底解决电力系统中产生的各种问题。因此，必须兼顾两者的需求，选择合适的存储方法。各种储能技术在电力系统中应用的比较如表3所示。

表3 应用于电力系统的储能技术比较Table 3 Compare energy storage technology applied to power system

5 光伏发电系统的前景展望

目前尚没有一种非常完美的储能技术可用于电力系统的各个环节。根据储能技术的特点、技术成熟度及产业化程度，现阶段电池储能系统是一种比较适合电力系统应用的储能电源。但电池储能也有一定的缺陷，其循环次数少、响应速度较慢、易污染环境等缺点已经不能满足于光发电系统的长期使用。而近些年超级电容器作为新兴的储能元件被广泛使用，其具有能量密度大、响应速度快的特点，然而，超级电容器不可以长时间储存能量，又具有一定的局限性。因此利用两者间的互补性，组建一个混合储能单元，既可以提高储能的功率输出能力，又可以长时间使用，是光伏发电系统未来发展的重要方向之一。

尽管与传统发电方式相比，目前光伏发电的成本仍偏高，尚不具备大规模商业开发的条件，但以太阳能为主体的新能源将成为21世纪世界能源供应的主体。可以预测，随着光伏产业的快速发展，光伏发电的成本将不断下降并逐步逼近传统发电的成本，从而成为具备竞争能力的可再生能源。

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