基于光伏发电系统中直流输电技术研究

裴尧

摘 要：如今，光伏发电技术逐渐成熟，直流输电是实现大容量、远距离、高电压及其区域电网互联的重要技术。特高压直流输电大容量、远距离、低消耗属性被比喻为“电力高速公路”，对于大规模新能源发电具有重要意义。我国的水力发电主要集中在西南地区，而太阳能、风能发电主要集中在北部、西部地区。如果要想将西电东送、节约能源、更充分地利用清洁能源，只有选择特高压才能实现清洁能源的大规模、大范围地输送和接纳。光伏发电的第一关键是产生直流电，然后再进行转变交流。因此，展开直流输电技术研究是非常必要性的。

关键词：光伏发电；直流输电；boost电路

引言

光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收。电子吸收的能量足够大，能克服金属内部引力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。当P型和N型半导体结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到P-N结后，空穴由P极区往N极区移动，电子由N极区向P极区移动，形成电流。其有以下优势及其特点：

（1）可靠性：不管外界环境和季候多么恶劣，太阳能光伏发电系统出现故障的概率都很低。因此，太阳能光伏发电系统可以提供可靠性高的电能。

（2）耐用性：如今，光伏電池组件的出产质量都能保证性能在10年以上正常，一般均可发电25年及更长的时间。

（3）检修费用低、无污染、安装灵活、安全性、独立自主。

1 光伏直流输电特性

一般光伏发电用直流输送电能，对电压要求都较高。在光伏发电系统中，光伏阵列输出直流电后，经过DC/DC升压电路后，可以将电压升高到千伏以上，能够达到高压的目的。在本文的研究中，光伏阵列在输出直流电后，经过boost升压电路。由U0=■E，当占空比D取0.5-0.8之间时候，电压可以增加2-5倍。由光伏组件相关产品显示的参数可知，一个20瓦的光伏组件在最大功率点时，电压为17.2V。假设一个很小的光伏阵列由40个这样的组件串联，当达到最大功率点时，电压值为688V。经过boost电路升压后，直流电压范围为1376-3440V。这个小的光伏阵列的电压数量级已经达到千伏以上，具有高压直流输电的特点。能够提高光伏发电系统的容量，降低输电的成本及其损耗，带来直接的经济效益。

2 boost电路的直流升压系统

2.1 光伏发电系统中boost电路的工作原理

在太阳能光伏发电系统中，要想光伏阵列的输出电压达到逆变需要的直流电压等级，就必须通过DC/DC升压电路一级一级地升压。在大容量光伏发电系统中，采用boost变换器，控制策略相对简单、效率高。Boost变换器具有损耗单元较少的特殊性能，因此能够大量使用，同时能够通过调节D来获取最大功率。Boost变换器是在光伏发电系统中，最大功率跟踪的理想器件。如图1所示。

当d（三极管）导通时，光伏电池输出直流电压（E）向电路中L充电，充电电流保持I1不变，同时C向负荷提供电压。因电容值很大，U0为恒定不变。设ton是开关打开时间，EI1ton为L上在ton时间段的储能；当d关断时，负载R的电能由E和L共同对C充电来供电。toff为d关闭的时间。则在ton时间段L放出的电能为：EI1ton=（U0-E）I1toff。L在一个稳态周期中的能量守恒，得：

由上述表达式，toff

2.2 光伏发电系统中boost电路参数的选择

在光伏发电系统中，经过光伏电池输出的直流电，经boost电路后得到升高的电压，电路中的电感和电容起关键性作用：L经过电压源蓄能之后，具有使电压上升的效果，电容C将输出电压保持住。因此，DC/DC变换器中，对电感和电容的要求相应较高。

（1）电感的选择。在开关元件T接通期间，L电流增量为△iL （+）：

其中：L为电感，D为占空比，T为三极管的周期，Us为光伏电池输出电压。

忽略内部损耗时，由功率守恒，即有：P0=Ps。其中，Ps和P0分别表示输出的功率和输入的功率：

其中：US、IS、U0、I0分别为光伏电池输出电压、电流，boost电路输出电压和电流。可以推出：

为了使电路中有连续电流，电感中电流的临界值为△iL：△iL=2IS

电感满足条件：

因为开关管的峰值电流等问题，这里取纹波电流为：△I■1.4IS

综合上式可得到电感值为： ，其中f为开关频率。

（2）电容的选择在连续的模式下，假设二极管的电流全部流进电容器，△Q为每一个开关周期电容充电或放电的电量，则：△Q=I0DT

由△Q形成的纹波电压可表示为：

可计算得在电感电流连续模式时，指定纹波电压限值，需要的电容值为：C？叟■

光伏阵列输出的直流电，经逆变之后，根据并网原则，由系统容量来判定接入电网电压的等级，最终接入大电网。

3 结束语

文章从光伏发电前端直流输电入手，主要针对光伏发电系统中由光伏阵列输出直流电之后，输送到逆变器的过程中电能的处理方式进行了研究。通过对大容量光伏发电系统的前端直流输电的特性和直流输电的结构、boost电路的原理及其参数选择进行的分析和研究。进一步说明了在光伏发电系统中采用直流输电技术的优势。

参考文献

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