【正文】 受到許多國(guó)家的重視 。 雖然有光伏屋頂計(jì)劃對(duì)太陽(yáng)能的 利用 ,但是總體來(lái)講對(duì)太陽(yáng)能的利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因而研究出高效的太陽(yáng)能發(fā)電 系統(tǒng)是十分有必要的 。 目前世界上的太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)主要核心是光伏發(fā)電系 統(tǒng)中的光伏陣列 ， 只要研究出能適應(yīng)各種條件下的光伏陣列 ， 就能將太陽(yáng)能 的利 用效率最大化。 光伏陣列因其占地面積大 、 效率較低 、 成本大給科研帶來(lái)了很大不 便 ， 這是 設(shè)計(jì)一種模擬器 ， 模擬出光伏陣列在各個(gè)環(huán)境下的工作狀況對(duì)科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展光伏 發(fā)電的研究是時(shí)分有必要的 。 而利用直流微電網(wǎng)的光伏模擬器對(duì)于太陽(yáng)能的利用 又尤其獨(dú)特的優(yōu)越性，從直流微電網(wǎng)的特點(diǎn)來(lái)講可以歸納為以下幾個(gè)方面 ： （ 1） 直流微電網(wǎng)中不需考慮交流微源的輸出電壓 、 相位 、 頻率等 ， 可直接接入直流母 線(xiàn)。只需一次 AC/DC 或者 DC/DC 換流，換流簡(jiǎn)單，損耗小。而母線(xiàn)也只需一次 DC/AC 逆變器即可 。 整個(gè)系統(tǒng)成本低損耗小 。 （ 2） 直流微網(wǎng)中因其能量只與直流 母線(xiàn)電壓有關(guān) ， 利于各個(gè)微源的協(xié)調(diào)控制 。 （ 3） 在主網(wǎng)故障時(shí) ， 直流微網(wǎng)只需利 于并網(wǎng)換流器閉鎖功能 ， 即可迅速?gòu)拇箅娋W(wǎng)切斷 ， 進(jìn)入孤島運(yùn)行狀 態(tài) ， 此時(shí)微網(wǎng) 中的負(fù)荷仍可以正常用電 ， 不受主網(wǎng)故障的影響 。 （ 4） 直流微網(wǎng)通可以供給很高 的電能質(zhì)量 ， 因其負(fù)荷側(cè)的換流裝置 ， 當(dāng)某處負(fù)荷發(fā)生短路故障 是 ， 其余負(fù)荷不 受影響 ， 供電有保障 。 （ 5） 直流微網(wǎng)有儲(chǔ)能功能 ， 將儲(chǔ)存的電能作為一個(gè)能量緩 沖器，這就可以平衡各處微源，解決負(fù)載短期能量不足的問(wèn)題。 總之從直流微電網(wǎng)的特點(diǎn)可以看出直流微電網(wǎng)光伏發(fā)電在未來(lái) 對(duì)太陽(yáng)能的 開(kāi)發(fā)利用中必將起到無(wú)法估量的作用 。 研究直流微電網(wǎng)光伏模擬器對(duì)光伏發(fā)電的 科研具有巨大的推動(dòng)作用 ， 必將大大簡(jiǎn)化光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究 ， 直流微電網(wǎng)光伏 發(fā)電系統(tǒng)在未來(lái)必將為人類(lèi)的新能源開(kāi)發(fā)與利用做出突出貢獻(xiàn)。 直流微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀 從 2021 年美國(guó) CERTS 微電網(wǎng)被提出以 來(lái) ， 經(jīng)過(guò)美國(guó) 、 日本 、 歐盟等國(guó)家的 科學(xué)家研究與實(shí)踐，微電網(wǎng)定義慢慢被完善。更有利于微電網(wǎng)的推廣與利用。 CERTS 對(duì)微電網(wǎng)的定義為：微電網(wǎng)是一種由微型電源和負(fù)荷共同組成的系統(tǒng)， 它可以同時(shí)提供電能和熱量 。 美國(guó)因?yàn)槠浣┠暌恍┩ｋ姮F(xiàn)象 ， 使美國(guó)更加注重 工業(yè)用電的可靠性 ， 美國(guó)對(duì)于微電網(wǎng)的研究也更加注重于可靠性的研究 ， 美國(guó)北 3 部電力系統(tǒng)承建了第一個(gè)微電網(wǎng)示范工程 。 歐盟也有相應(yīng)的微電網(wǎng)項(xiàng)目 ， 因?yàn)闅W 盟希望能夠優(yōu)化電源到用戶(hù)的產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)發(fā)展分布式微電源 ， 而因?yàn)闅W盟的電源與 負(fù)荷相隔較近 ， 因此歐盟的研究方向主要在微電網(wǎng)的互聯(lián)的問(wèn)題 。 日本因?yàn)槠浔? 土資源匱乏 ， 對(duì)于微電網(wǎng)的研究也投入很大 ， 主要對(duì)于微電網(wǎng)中的能量?jī)?chǔ)存研究 更多 ， 日本的青森縣 、 愛(ài)知 、 和京都都有世界領(lǐng)先的微電網(wǎng)項(xiàng)目 。 在我國(guó)微電網(wǎng) 方面的研究尚處于起步階段，但是微電網(wǎng)的特點(diǎn)是十分適合我國(guó)電力發(fā)展的。 直流微電網(wǎng)的研究前景 直流微電網(wǎng)技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)性與可靠性使得世界各國(guó)都投入大量經(jīng)費(fèi)于技術(shù) 研究中 ， 直流微電網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn) 、 發(fā)展 、 成熟必將改變傳統(tǒng)的電網(wǎng)應(yīng)對(duì)負(fù)荷增長(zhǎng) 的方式。直流微電網(wǎng)的出現(xiàn)能夠減少電力系統(tǒng)能耗、提高電力系統(tǒng)的可靠性 。 經(jīng) 濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家如美國(guó) 、 日本等都十分重視微電網(wǎng)的發(fā)展研究 ， 只有微電網(wǎng)提供的 穩(wěn)定可靠的電能才能保證國(guó)內(nèi)電能供應(yīng) ， 為國(guó)家的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的保障 。 在我國(guó) 經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的背景下 ， 對(duì)電能的質(zhì)量與穩(wěn)定性 要求也日益增大 。 大電網(wǎng)的脆弱 性在這種背景下也日益凸顯 。 要改善這些情況微電網(wǎng)就是我國(guó)電力事業(yè)發(fā)展的一 種重要途徑 ， 使電能的供應(yīng)能夠跟上經(jīng)濟(jì)發(fā)展的腳步 。 將地理位置相近的重要負(fù) 荷組成微電網(wǎng) ， 再設(shè)計(jì)出合適的控制管理方法 ， 為這些重要負(fù)荷提供優(yōu)質(zhì)可靠的 電能 ， 這樣不僅可以解決電能供應(yīng)的一些問(wèn)題 ， 對(duì)于節(jié)能環(huán)保也是有重要作用的。 國(guó)家能源局也計(jì)劃在 “ 十二五 ” 期間建設(shè) 30 個(gè)微電網(wǎng)示范工程，各級(jí)政府已經(jīng) 出臺(tái)了一些支持性政策 ， 自下而上推動(dòng)力越來(lái)越顯著 。 就目前來(lái)說(shuō)直流微電網(wǎng)技 術(shù)還存在許多問(wèn)題 ， 但直流微電網(wǎng)在各國(guó)發(fā)展迅速 ， 相信在不久的將 來(lái) ， 直流微 電網(wǎng)技術(shù)必將廣泛的應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。 光伏發(fā)電的研究現(xiàn)狀 當(dāng)今世界上光伏發(fā)電發(fā)展十分迅速 ， 特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā) 電十分重視 ， 大力發(fā)展 。 自 20 世界 80 年代開(kāi) 始 ， 世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展如何 ， 太陽(yáng)能光 伏發(fā)電相關(guān)產(chǎn)業(yè)一直以 10%25%的增速飛速發(fā)展 [4]。 90 年代后期太陽(yáng)能光伏發(fā)電 的發(fā)展達(dá)到一個(gè)頂峰 ， 是當(dāng)時(shí)世界上成長(zhǎng)最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一 。 截止到 2021 年，世界上太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機(jī)容量高達(dá) ，而到 2021 年這一數(shù)值增長(zhǎng) 到 。目前來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電已經(jīng)商業(yè)化，在國(guó)際上太陽(yáng)能光伏發(fā) 4 電的成本約為 美 元 （ kwh） ,太陽(yáng)能光伏電池的價(jià)格約為 美元 /W， 并網(wǎng) 價(jià)格約為 6 美元 /W。 可以說(shuō)隨著發(fā)電轉(zhuǎn)化效率的提高 ， 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的利潤(rùn)正 在逐年增加。目前警惕硅光電池光電轉(zhuǎn)化率達(dá)到 15%，單晶硅光電池光電轉(zhuǎn)化率 高達(dá) %。而且光伏電池的使用壽命也十分長(zhǎng)久，可使用 30 多年。隨著技術(shù) 的進(jìn)步，太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化率與太陽(yáng)能電池的使用壽命必將繼續(xù)提高。 我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電也在飛速發(fā)展中 ， 20 世界 90 年代開(kāi)始我國(guó)太陽(yáng)能光 伏發(fā)電發(fā)展十分快速。到 2021 年我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到 35MW， 占世界份額的 3%。目前，國(guó)內(nèi)五大發(fā)電集團(tuán)、四小發(fā)電豪門(mén)都投入到了太陽(yáng)能 光伏發(fā)電的開(kāi)發(fā)研究中 ， 必將使我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展高 潮當(dāng)中。 光伏發(fā)電的研究前景 近些年人類(lèi)的發(fā)展對(duì)地球環(huán)境造成了很大的破壞 ， 而環(huán)?，F(xiàn)在也成為了各個(gè) 國(guó)家注重的，越是發(fā)達(dá)的國(guó)家越注重對(duì)環(huán)境的保護(hù)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電因其環(huán)保、 高效 、 長(zhǎng)壽等優(yōu)勢(shì)必將是未 來(lái)能源的主流 。 隨著技術(shù)的突破 ， 太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn) 業(yè)將不斷完善與發(fā)展，成本將進(jìn)一步降低。據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)， 2050 年太陽(yáng)能光伏發(fā) 電將占全球發(fā)電量的 13%15%， 2100 年將占 64%。我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電前景 也是一片光明，預(yù)計(jì)到 2020 年太陽(yáng)能光伏發(fā)電成本在我國(guó)將下降到 元 / （ kwh） ,我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)將達(dá)到世界先進(jìn)水平 [5]。 本文的主要工作 本文主要介紹國(guó)內(nèi)外的直流微電網(wǎng)及光伏發(fā)電技術(shù) ， 了解世界各國(guó)直流微電 網(wǎng)及光伏發(fā)電的現(xiàn)狀和研究前景 ， 說(shuō)明該課題存在的必要性和重要性 。 文中主要 介紹現(xiàn)行的直流微電網(wǎng)和光伏模擬器的方案 ， 研究光伏電池的特點(diǎn)和在生產(chǎn)中的 的特性。使用 MATLAB 對(duì)光伏電池進(jìn)行仿真，來(lái)驗(yàn)證光伏電池的特性曲線(xiàn)。直流 微電網(wǎng)技術(shù)與光伏發(fā)電技術(shù)都是世界尖端技術(shù) ， 要說(shuō)明這些技術(shù)的優(yōu)越性和基本 原理。對(duì)直流微電網(wǎng)光伏模擬器從結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、用途幾方面進(jìn)行研究。 5 2 直流微電網(wǎng) 直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu) 微電網(wǎng)是相對(duì)于常規(guī)大電網(wǎng)而言的 ， 是指多個(gè)分布式電源及相關(guān)負(fù)載按一定 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò) ， 并通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)并至大電網(wǎng) 。 微電網(wǎng)是一種較為新型的 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ， 與現(xiàn)在世界范圍內(nèi)應(yīng)用最多的大電網(wǎng)相比 ， 微電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、 保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤立運(yùn)行 [6]。微電 網(wǎng)的控制系統(tǒng)如下圖 21 所示： 圖 21 微電網(wǎng)的控制結(jié)構(gòu) 微電網(wǎng)分為直流微電網(wǎng)與交流微電網(wǎng)兩種 ， 其中直流微電網(wǎng)中系統(tǒng)中的儲(chǔ)能 裝置 、 DG、 負(fù)荷等均通過(guò)電力電子變換裝 置 接入直流母線(xiàn) ， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖 22。 直流微電網(wǎng) DG 與母線(xiàn)之間僅有一級(jí)電壓變換，這就大大節(jié)約了系統(tǒng)的建設(shè)成 本 ， 且無(wú)需考慮 DG 同步的問(wèn)題 ， 這就降低了直流為電網(wǎng)的技術(shù)難度 ， 對(duì)于推廣 直流微電網(wǎng)有很大幫助 。與 交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)因其電壓變換少，這 樣能夠減少在電壓變換時(shí)的能量損耗 。 可以說(shuō)直流微電網(wǎng)是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的聯(lián)網(wǎng) 方式。 6 單相交流母線(xiàn) 三相交流母線(xiàn) 配電網(wǎng) AC AC AC DC DC DC 直流母線(xiàn) DC DC DC DC DC AC DC AC DC DC 交流 直流 儲(chǔ)能 儲(chǔ)能 交 流 直 流 DG DG 直流負(fù)荷 圖 22 直流微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu) 直流微電網(wǎng)的特點(diǎn) 現(xiàn)在社會(huì)對(duì)于能源的應(yīng)用主題在于節(jié)能與環(huán)保 ， 開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能從本質(zhì)上來(lái)講也 是為了這兩點(diǎn) 。 要解決能源問(wèn)題除了開(kāi)發(fā)清潔可靠的新能源這一方法 ， 改善電能 的運(yùn)輸方式也是一種非?？煽康氖侄?。 采用微電網(wǎng)因其輸送電能的靈活性深受重 視 ， 但在微電網(wǎng)中 ， 直流微電網(wǎng)相比較于交流微電網(wǎng)則具有更大的 優(yōu) 勢(shì) 。 如果將 世界現(xiàn)行的主流的交流供電方式改變?yōu)橹绷鞴╇姡梢怨?jié)省 20%的電能損耗 。 可 以說(shuō)直流微電網(wǎng)在供電領(lǐng)域的應(yīng)用可以大大改善當(dāng)今世界緊張的能源問(wèn)題。 直流微電網(wǎng)是通過(guò)一條公共直流母線(xiàn)將所有的微電源鏈接起來(lái) ， 這樣燃料電 池 、 光伏發(fā)電 、 微型汽輪機(jī) 、 風(fēng)力發(fā)電等微電源通過(guò)一個(gè)集中的 DC/AC 換流裝置 與大電網(wǎng)相連，這部分結(jié)構(gòu)與交流微電網(wǎng)較為不同。 相比于交流微電網(wǎng)，直流 微電網(wǎng)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì) ： （ 1） 直流微電 網(wǎng)系統(tǒng)成本和損耗將大幅度減 少 。 在直 流微電網(wǎng)中 ， 直流母線(xiàn)與各種微型電源的連接形式更為方便 、 簡(jiǎn) 單 。 不需如同交 流電網(wǎng)那樣考慮電源的輸出電壓的頻率、相位等。直流微電網(wǎng)只需經(jīng)過(guò)一次 DC/DC 或者 AC/DC 變流轉(zhuǎn)換 ， 而且直流母線(xiàn)與大電網(wǎng)之 間 的連接也只需經(jīng)過(guò)一 7 次 DC/AC 逆變 裝 置，可以說(shuō) 直 流微電網(wǎng) 將 使供電系統(tǒng) 更 加簡(jiǎn)單可靠 。 （ 2）直流 微電網(wǎng)中各微電源更容易實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制?？刂浦绷魑㈦娋W(wǎng)只需控制直流母線(xiàn)電 壓 ， 對(duì)潮流的控制更大程度上也與電流控制有關(guān) 。 （ 3） 與交流微電網(wǎng)相比 ， 直流 微電網(wǎng)中的換流裝置要少了不少，這就大大降低了系統(tǒng)成本和能量損耗 。 （ 4） 在 先進(jìn)的配電系統(tǒng)中 ， 如果能應(yīng)用直流微電網(wǎng) ， 可以把太陽(yáng)能光伏發(fā)電所產(chǎn)生的直 流電直接提供給家庭或者企業(yè)的電子設(shè)施，能夠更加有效的利用太陽(yáng)能。 正因?yàn)橛羞@些優(yōu)勢(shì) ， 可以說(shuō)直流微電網(wǎng)對(duì)于未來(lái)太陽(yáng)能利用有著十分重要的 作用，而直流微電網(wǎng)對(duì)于傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)也是一次十分重要的變革。 直流微電網(wǎng)供電系統(tǒng)的研究 目前 ， 直流供電在節(jié)能家庭的應(yīng)用較多 。 如日本廠(chǎng)商提出 的 “DC 環(huán)保家庭 ” 。 DC 環(huán)保家庭就是將太陽(yáng)能電池所發(fā)的電儲(chǔ)存到充電電池之中，直接使用直流電 來(lái)驅(qū)動(dòng)用電設(shè)備，這樣就沒(méi)轉(zhuǎn)換電能的損耗，當(dāng)沖電電池中的電量用完之后 ， 把 家用的電源轉(zhuǎn)變成直流電，相比起傳統(tǒng)供電，這種直流供電只需要轉(zhuǎn)化一次 ， 可 以節(jié)約能量。日本 NTT 公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了 400V 直流的電源插頭和插排，該公司 還開(kāi)發(fā)出來(lái)支持 380V 的直流供電系統(tǒng)，現(xiàn)正面臨試驗(yàn)。松下公司也正在開(kāi)發(fā)家 用的直流供電系統(tǒng)?？傮w來(lái)講，直流供電系統(tǒng)在家庭用電中的發(fā)展十分迅速 ， 相 信真正普及推廣很快就會(huì)到來(lái)。 直流供電系統(tǒng)不僅僅是在家庭用 電里面發(fā)揮著作用 ， 在數(shù)據(jù)通信中已經(jīng)有數(shù) 據(jù)中心開(kāi)始使用直流供電系統(tǒng)了 ， 如互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心 IDC 機(jī)房耗電量大 ， 一般高 達(dá)幾百到幾千千瓦 。 若仍用 48V 的直流電壓 ， 必然會(huì)使電源設(shè)備效率 低 、 體積大 等 。 而且這種微點(diǎn)導(dǎo)線(xiàn)截面加粗 ， 輸電能耗也會(huì)更大 。 為了跟上未來(lái)對(duì)直流供電 的需求，很多國(guó)家都在研究更高電壓的直流供電系統(tǒng)。 2021 年，隸屬于美國(guó)能源部的勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ LBNL）和美國(guó)英 特爾、思科、美國(guó) Nextck 電力系統(tǒng)、日本 NTT 公司和 Sun 等公司合作共同進(jìn)行 了依靠直流方式向數(shù)據(jù)中心服 務(wù)器提供電能的實(shí)驗(yàn) 。 該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出 ， 使用直流 供電系統(tǒng)消除交直轉(zhuǎn)化過(guò)程每臺(tái)服務(wù)器至少可以降低 %耗電量 。 減少交直轉(zhuǎn) 化不僅僅節(jié)約了電量 ， 更可以消減設(shè)備費(fèi)用 ， 和數(shù)據(jù)中心設(shè)備的發(fā) 熱 ， 這也減少 了數(shù)據(jù)中心制冷所需的費(fèi)用 .如果在這些數(shù)據(jù)中心再使用一些