【文章內(nèi)容簡介】 后提出了待改進的部分和未來的發(fā)展。第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)和光伏電池 7 第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)和光伏電池 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述光伏發(fā)電系統(tǒng)是指利用光生伏打效應(yīng)制作而成的光伏陣列將太陽能源轉(zhuǎn)化為電能并對該能源進行分配處理的系統(tǒng)。 光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成在通常情況下，光伏電池、 。主 控裝置、 。 蓄電池再加上附近的用電設(shè)施等等組成了一整套太陽能發(fā)電系統(tǒng) [17，18] ，它們的具體結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。光伏陣列D C / D C變換器蓄電池交流負載D C / A C逆變器雙向 D C / D C變換器直流負載圖 21 光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成圖（1） 光伏陣列所謂的“光生伏打效應(yīng)”其實是指當(dāng)發(fā)電模塊吸收太陽能源之后，該物體內(nèi)的實現(xiàn)導(dǎo)電功能的載流子會改變其布局情況和密度，產(chǎn)生電動勢和電流，以此來實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，繼而輸出直流電。所以，獲得太陽輻射能量的入口便是光伏電池，它是光伏系統(tǒng)最重要的組成部分，它的成本高低和轉(zhuǎn)換能量的多少都對光伏發(fā)電的發(fā)展起著決定性的作用。（2） 蓄電池光伏電池會隨著光照強度的變化而產(chǎn)生變化的輸出功率。在太陽能電池處于陽光照射下時，所能吸收的能量較多，進而生成電能的效率也會處于一個較高的水平，一般在這時，除了附近的用電設(shè)施所能消耗掉的電能外，還可以產(chǎn)生一部分多余的能量進行存儲，而這一部分多出的能量既可以在太陽能電池?zé)o法接收到日光照射時，作為第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)和光伏電池 8 輔助能源供給附近的用電設(shè)施，這就是其所擁有的優(yōu)勢。當(dāng)然，光伏發(fā)電系統(tǒng)也有其先天的劣勢，那就是太陽能電池輸出的不穩(wěn)定性較強，如果直接連接負載，會導(dǎo)致其使用壽命縮短，如果加上蓄電池，便能保證其輸出相對穩(wěn)定的直流電。當(dāng)前，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列的成本正在持續(xù)的降低，所以，在對光伏系統(tǒng)的蓄電池進行選擇時，應(yīng)著重考慮在成本上相對實惠的，在日常工作的維修護理方面相對簡單的，并且盡量保證能夠正常使用的年限要長，這樣才能夠使整個系統(tǒng)在運行的過程中保持穩(wěn)定、高效。在當(dāng)前環(huán)境下，鉛酸蓄電池還是整個市場的主力軍，生產(chǎn)鉛酸蓄電池的成本大概是光伏發(fā)電系統(tǒng)總投資的四分之一到二分之一 [19]，仍然是一個較高的比重，而且在使用過程中如果出現(xiàn)管理不當(dāng)?shù)那闆r，將會造成蓄電池不正常供電，縮短它的使用年限，這樣，在正常運行時就會容易出現(xiàn)很多問題。所以，擁有一個優(yōu)秀的控制方案是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色。（3） 控制器系統(tǒng)的控制裝置主要是圖 21 框中幾個環(huán)節(jié)，它的主要功能是對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分進行控制，把該環(huán)節(jié)內(nèi)部的各個電子器件進行協(xié)調(diào)，是整個系統(tǒng)在工作狀態(tài)時保持穩(wěn)定。在新世紀里，隨著智能化的不斷發(fā)展，各個領(lǐng)域的計算機技術(shù)、電力電子以及智能控制都處于一個高速發(fā)展的狀態(tài)中，作為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的控制裝置，也逐漸開始使用具有多種性能特點并且具備智能技術(shù)的設(shè)備 [20]，其中出現(xiàn)了許多新的功能，比如有能夠采集和處理多路模擬信號，有對誤差實現(xiàn)主動分析等等諸多從前沒有實現(xiàn)過的功能特點，通過這種方式來達到在線檢驗及控制的目的等。蓄電池控制主要是對輸出電流與輸出電壓進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對蓄電池不同狀態(tài)下的控制。直流電變換控制，主要是由于太陽能電池的工作電壓與負載或者逆變器所需要的電壓不同，所以需要對其輸出的電壓進行控制，以達到系統(tǒng)使用的標(biāo)準。逆變控制，由于光伏陣列所發(fā)出的電能為直流電，在進行并網(wǎng)運行或者是為交流負載供電時，就需要用逆變器把直流電變成交流電。逆變器控制在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的作用是尤為關(guān)鍵的，其一，它可以使光伏陣列產(chǎn)生的直流電得到優(yōu)化，提高效率；其二，它可以聯(lián)系公共電網(wǎng)，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行的可靠性。本文將在后面的章節(jié)對逆變器的控制進行更為深入的研究。 光伏發(fā)電系統(tǒng)分類及應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)主要分為以下三大類 [21，22，23] ：（1） 獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)是獨立運行的裝置，實際中又可以被稱為離網(wǎng)型系統(tǒng)。該系統(tǒng)在一般情況下都搭設(shè)在運輸不通，很少有人生存的地方，或者，應(yīng)用在一些具有其特殊要求地段，它輸出的能量只提供給本地的交流負載。離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有光伏陣列、DC/DC 變換電路、蓄電池組件、控制器、逆變電路和交直流負載幾個部分構(gòu)成。DC/DC 變換電路是根據(jù)實際需要對光伏陣列的輸出進行相應(yīng)的升降壓變換，蓄電池組件將負載使用剩下的電能進行存儲，在光照強第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)和光伏電池 9 度不足時使用。逆變電路負責(zé)對光伏陣列生成的直流電能進行 DC/AC 變換，生成交流電供給后面的交流負載使用。（2） 并網(wǎng)運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)型光伏發(fā)電裝置是與電網(wǎng)相連的，它需將光伏陣列輸出的電能轉(zhuǎn)化為符合國家并網(wǎng)規(guī)定的交流電。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建是當(dāng)今社會的主流趨勢。目前，全世界新增加的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)占據(jù)了絕大多數(shù)的市場，在很多發(fā)達國家如德國、日本，他們在近年來增加的光伏系統(tǒng)幾乎都是并網(wǎng)型的。目前，并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)依據(jù)它們所具有的不同功能特點一般歸納成兩種：第一種是不含蓄電池組件的“不可調(diào)度并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)” ，該系統(tǒng)在公共電網(wǎng)斷電時，將自動停止向電網(wǎng)供電。在系統(tǒng)提供的能量大于本地用電設(shè)施所要的電能時，將多余的輸給電網(wǎng)，其他時間，公共電網(wǎng)則向本地負載提供電能；另外一種是擁有蓄電池組件的“可調(diào)度并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)” ，它的系統(tǒng)中配置有儲能環(huán)節(jié)，在公共電網(wǎng)斷電本地發(fā)電系統(tǒng)供給不足時，能提高本地負載的用電可靠程度，并且蓄電池組件可以為逆變器提供相對平穩(wěn)的直流母線電壓，減少系統(tǒng)在動態(tài)天氣環(huán)境下所產(chǎn)生的波動。但是相應(yīng)的，可調(diào)度并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由于增加的儲能環(huán)節(jié)，也為其帶來的一些明顯的缺點，一個是造成了系統(tǒng)體積以及重量的增加，這會導(dǎo)致安裝和調(diào)試的不便，另外一個就是目前所生產(chǎn)的蓄電池組件壽命普遍較短，定期更換蓄電池則會導(dǎo)致系統(tǒng)運行成本的增加，而且在正常運行時，整個系統(tǒng)需要進行的維護工作也會變得復(fù)雜。（3） 混合運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)該系統(tǒng)是指把光伏發(fā)電系統(tǒng)和其它不同種類的產(chǎn)能系統(tǒng)依據(jù)在實際情況中不同的需要、各自的優(yōu)點以及能涉及到的條件相互組合而成的系統(tǒng)。 光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要研究問題（1） 最大功率跟蹤控制方式在外部環(huán)境以及內(nèi)部器件的影響下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率曲線呈現(xiàn)出非線性函數(shù)的特點。而當(dāng)外部環(huán)境穩(wěn)定時，光伏發(fā)電系統(tǒng)有且只有一個最大功率輸出電點。最大功率跟蹤控制方式有許多種。另外，在當(dāng)前還經(jīng)常在最大功率跟蹤控制器中加入許多新的控制算法，比如滑膜控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等等，也取得了一定的效果。上述各類方法均存在著相應(yīng)的優(yōu)缺點，因此，如何使光伏系統(tǒng)更便捷、更穩(wěn)定的工作在最大功率點，在目前仍然是一個研究熱點。（2） 逆變器并網(wǎng)控制方式隨著太陽能發(fā)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為主要的發(fā)展方向，如何成功實現(xiàn)光伏發(fā)電的并網(wǎng)，逆變環(huán)節(jié)是最為關(guān)鍵的。在 IEEE 提出的標(biāo)準中，對逆變技術(shù)有著嚴格的要求，所以，在不對公共電網(wǎng)造成污染的同時，提高并網(wǎng)電流質(zhì)量的控制策略研究也是目前全世界的研究重點之一 [24]。本文將在第四章對該問題進行深入的研究。（3） 孤島效應(yīng)第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)和光伏電池 10 孤島效應(yīng)（Islanding Effect）是指公共電網(wǎng)突然失壓時，并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)仍保持著對電網(wǎng)中臨近的部分線路供電狀態(tài)的一種效應(yīng) [25]。在該種狀態(tài)時，光伏發(fā)電系統(tǒng)和系統(tǒng)附近的交直流負載會產(chǎn)生一公共電網(wǎng)無法對其進行有效掌控的自供電孤島，如果此時正在進行公共電網(wǎng)的檢修，那么則會對檢修人員和用電設(shè)備造成嚴重的后果。因此，系統(tǒng)必須要迅速檢測到孤島效應(yīng)并及時斷開。本文將在第五章對該問題進行詳細的研究。 光伏電池的工作原理述光伏陣列就是將太陽能源進行轉(zhuǎn)化得到電能的器件，它的材料是由兩種物質(zhì)組成的半導(dǎo)體融合成為一體的 PN 結(jié) [26]，其基本原理為半導(dǎo)體器件的光伏原理。所謂的光伏原理，是指當(dāng)光伏陣列吸收到太陽光照之后，其內(nèi)部的電荷分布將會發(fā)生改變，由此來產(chǎn)生電能 [27]。在各種不同狀態(tài)的物質(zhì)之中都能夠發(fā)生光伏原理，相比而言，在半導(dǎo)體器件中，這種現(xiàn)象的發(fā)生效率是最高的 [28]。如圖 22 所示。圖中①代表的大氣中輻射到光伏陣列的表層而反射回去的太陽射線；②表示剛來到物體表層便被吸收并生成電子空穴對的太陽射線，它們的強度并不足以生成電能；③代表的是能夠接近 PN結(jié)而被接受并產(chǎn)生電子空穴對的太陽射線，該類射線是可以讓光伏陣列產(chǎn)生實際電能的；④代表深入到光伏電池片底部的太陽射線，其中，只有極少可以形成電能；⑤代表被光伏陣列吸收的太陽射線，它們并不足以形成電能，反而會導(dǎo)致光伏陣列的升溫；⑥代表直接穿透光伏電池并且沒有被吸收的太陽射線?？傮w來講，只有被反射回去的那部分太陽射線對光伏電池的發(fā)電構(gòu)不成有效影響，所以，絕大多數(shù)光伏陣列的表面都鋪著防反射層。并且在 PN 結(jié)周圍區(qū)域的太陽射線都是對電池的發(fā)電有效果的，所以，在上面分析的基礎(chǔ)上得出，努力提高有用的太陽射線的數(shù)量，就可以使光伏陣列的實際工作效率得到明顯的改善。圖 22 光伏陣列工作示意圖在進行實驗時，把 P 型半導(dǎo)體與 N 型半導(dǎo)體進行合并，就會使它的周邊出現(xiàn)一個內(nèi)建電場。此時，那些處于 PN 結(jié)周圍的太陽射線被光伏陣列接收并且進行轉(zhuǎn)化之后，其會讓電子躍遷到一個能量更豐富狀態(tài)，這樣就會使電子擺脫束縛，出現(xiàn)電子空穴對。第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)和光伏電池 11 除此之外，在勢壘電場的影響下， 。 光伏陣列中的電子將會涌向 N 型區(qū)，空穴將會涌向P 型區(qū)，這樣，便形成了所謂的光生電場。由于帶電的正負極相反，光生電場會被勢壘電場所消耗一部分。在光伏陣列的兩個區(qū)域內(nèi)會有電動勢，我們稱這種情況下產(chǎn)生的為光生伏打電動勢。如圖 23 所示，這即是光伏發(fā)電的基本原理 [29]。圖 23 光伏發(fā)電原理示意圖 光伏電池輸出特性 光伏電池等效電路由于光伏電池的輸出的非線性，在對其進行分析時需要將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的等效電路，圖 24 給出了光伏陣列的等效電路，這其中把各種電阻都加入從而進行考慮，相對更實際，可以說光伏陣列較為普遍的三類等效模型中的最接近模型就是它。當(dāng)我們忽略掉元件中的內(nèi)阻時，它便是一種不合符實際的模型，整體簡單，雖然能夠為理論研究提供很多便利，但是這種模型不能對陣列的影子效應(yīng)進行合理的呈現(xiàn) [30]，所以，在我們?nèi)粘５氖褂脮r，為了更真實的剖析其所隱藏的難點，最先考慮的是這種更繁雜的等效電路模型。 dIshRsILRphI圖 24 光伏陣列的等效電路圖對上圖進行分析如下：（1） 光生電流 Iph：等同于短路電流 Isc，它的值等于標(biāo)準環(huán)境（電池溫度 T=25℃，照度 R=1000W/m2）下將負載端進行短接后，流過的電流?？偣灿腥齻€因素可以影響到它的大小，包括工作溫度 T、光照強度 R 和面積。（2） 串聯(lián)電阻 Rs：主要由光伏電池的體電阻等電阻構(gòu)成。在理想情況下，其值很小。第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)和光伏電池 12 （3） 并聯(lián)電阻 Rsh：又被稱作旁漏電阻，它形成重要原因是由于光伏陣列材料的周圍在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的污穢，由此而造成了漏電、電池內(nèi)部的不足或者耗盡區(qū)內(nèi)的多種電流共同導(dǎo)致的 [31]。在沒有其它干擾時，他會生成一個較高的數(shù)據(jù)。（4） 暗電流 Id：在光生電流中會有分流經(jīng)過負載 ,此時，負載兩側(cè)的電壓 U 將會正向偏置 PN 結(jié)的二極管，產(chǎn)生和光生電流方向相對的 Id。據(jù)圖 24，得出，輸出電流 I 和輸出端負載 RL 的端電壓 U 關(guān)系式為： （21）shdphI??整理后得到： （22）??1)(Sod?AKTIRUqeI而旁路電流 Ish 可表示成： （23）shsh)(II??將上式進行整理后得到： （24）?? shoph )(1)(S RIUeIIAKTIRUq???其中 （25）??refTscphC10I????????? （26）????????????TAKqEI13refdorefg式中： I——光伏電池的輸出端流經(jīng)負載的電流，單位為 A； U——光伏電池輸出端電壓，單位為 V； Iph——光生電流，單位為 A； Io——流經(jīng)二極管 PN 結(jié)的反向飽和電流，單位為 A； q——電子電荷，其值約為 1019C；? A——PN 結(jié)的理想因子（正偏電壓大時 A=1，小時 A=2） ； K——玻耳茲曼常數(shù)，其值為 1023J/K； T——絕對溫度，其值為 t+273，單位為 K； Tref——參考溫度 , 其值為 25+273，單位為 K； Eg——禁帶寬度電壓， V； CT——短路電流的溫度系數(shù)，其值為 。第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)和光伏電池 13 由于光伏電池輸出的負載端電壓 U 為 （27）LIR?所以，光伏電池的輸出功率 P 為 （28）????LshophL )(1)(S RIUeIRIUP 2AKTIRUq2 ?????考慮到理想情況下，R s 趨近于零，R sh 趨近于無窮大，A =1，則式（24）變成： （29）)(