【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 后提出了待改進(jìn)的部分和未來(lái)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(yáng)能源轉(zhuǎn)化為電能并對(duì)該能源進(jìn)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(yáng)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(fù)載D C / A C逆變器雙向 D C / D C變換器直流負(fù)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(shí)是指當(dāng)發(fā)電模塊吸收太陽(yáng)能源之后，該物體內(nèi)的實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電功能的載流子會(huì)改變其布局情況和密度，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，繼而輸出直流電。所以，獲得太陽(yáng)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(duì)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(huì)隨著光照強(qiáng)度的變化而產(chǎn)生變化的輸出功率。在太陽(yáng)能電池處于陽(yáng)光照射下時(shí)，所能吸收的能量較多，進(jìn)而生成電能的效率也會(huì)處于一個(gè)較高的水平，一般在這時(shí)，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(jìn)行存儲(chǔ)，而這一部分多出的能量既可以在太陽(yáng)能電池?zé)o法接收到日光照射時(shí)，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(shì)。當(dāng)然，光伏發(fā)電系統(tǒng)也有其先天的劣勢(shì)，那就是太陽(yáng)能電池輸出的不穩(wěn)定性較強(qiáng)，如果直接連接負(fù)載，會(huì)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(duì)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(duì)光伏系統(tǒng)的蓄電池進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)著重考慮在成本上相對(duì)實(shí)惠的，在日常工作的維修護(hù)理方面相對(duì)簡(jiǎn)單的，并且盡量保證能夠正常使用的年限要長(zhǎng)，這樣才能夠使整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)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(gè)市場(chǎng)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(gè)較高的比重，而且在使用過(guò)程中如果出現(xiàn)管理不當(dāng)?shù)那闆r，將會(huì)造成蓄電池不正常供電，縮短它的使用年限，這樣，在正常運(yùn)行時(shí)就會(huì)容易出現(xiàn)很多問(wèn)題。所以，擁有一個(gè)優(yōu)秀的控制方案是太陽(yáng)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(gè)環(huán)節(jié)，它的主要功能是對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分進(jìn)行控制，把該環(huán)節(jié)內(nèi)部的各個(gè)電子器件進(jìn)行協(xié)調(diào)，是整個(gè)系統(tǒng)在工作狀態(tài)時(shí)保持穩(wěn)定。在新世紀(jì)里，隨著智能化的不斷發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子以及智能控制都處于一個(gè)高速發(fā)展的狀態(tài)中，作為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的控制裝置，也逐漸開(kāi)始使用具有多種性能特點(diǎn)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(hào)，有對(duì)誤差實(shí)現(xiàn)主動(dòng)分析等等諸多從前沒(méi)有實(shí)現(xiàn)過(guò)的功能特點(diǎn)，通過(guò)這種方式來(lái)達(dá)到在線檢驗(yàn)及控制的目的等。蓄電池控制主要是對(duì)輸出電流與輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yáng)能電池的工作電壓與負(fù)載或者逆變器所需要的電壓不同，所以需要對(duì)其輸出的電壓進(jìn)行控制，以達(dá)到系統(tǒng)使用的標(biāo)準(zhǔn)。逆變控制，由于光伏陣列所發(fā)出的電能為直流電，在進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行或者是為交流負(fù)載供電時(shí)，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(yùn)行的可靠性。本文將在后面的章節(jié)對(duì)逆變器的控制進(jìn)行更為深入的研究。 光伏發(fā)電系統(tǒng)分類(lèi)及應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)主要分為以下三大類(lèi) [21，22，23] ：（1） 獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是獨(dú)立運(yùn)行的裝置，實(shí)際中又可以被稱(chēng)為離網(wǎng)型系統(tǒng)。該系統(tǒng)在一般情況下都搭設(shè)在運(yùn)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(fù)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(fù)載幾個(gè)部分構(gòu)成。DC/DC 變換電路是根據(jù)實(shí)際需要對(duì)光伏陣列的輸出進(jìn)行相應(yīng)的升降壓變換，蓄電池組件將負(fù)載使用剩下的電能進(jìn)行存儲(chǔ)，在光照強(qiáng)第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)和光伏電池 9 度不足時(shí)使用。逆變電路負(fù)責(zé)對(duì)光伏陣列生成的直流電能進(jìn)行 DC/AC 變換，生成交流電供給后面的交流負(fù)載使用。（2） 并網(wǎng)運(yùn)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(guó)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(huì)的主流趨勢(shì)。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(chǎng)，在很多發(fā)達(dá)國(guó)家如德國(guó)、日本，他們?cè)诮陙?lái)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(diǎn)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(shí)，將自動(dòng)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(shí)，將多余的輸給電網(wǎng)，其他時(shí)間，公共電網(wǎng)則向本地負(fù)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(chǔ)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(shí)，能提高本地負(fù)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(duì)平穩(wěn)的直流母線電壓，減少系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)天氣環(huán)境下所產(chǎn)生的波動(dòng)。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(chǔ)能環(huán)節(jié)，也為其帶來(lái)的一些明顯的缺點(diǎn)，一個(gè)是造成了系統(tǒng)體積以及重量的增加，這會(huì)導(dǎo)致安裝和調(diào)試的不便，另外一個(gè)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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行成本的增加，而且在正常運(yùn)行時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)需要進(jìn)行的維護(hù)工作也會(huì)變得復(fù)雜。（3） 混合運(yùn)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(lèi)的產(chǎn)能系統(tǒng)依據(jù)在實(shí)際情況中不同的需要、各自的優(yōu)點(diǎn)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(wèn)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(diǎn)。而當(dāng)外部環(huán)境穩(wěn)定時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)有且只有一個(gè)最大功率輸出電點(diǎn)。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(lèi)方法均存在著相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，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(diǎn)，在目前仍然是一個(gè)研究熱點(diǎn)。（2） 逆變器并網(wǎng)控制方式隨著太陽(yáng)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(shí)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(zhǔn)中，對(duì)逆變技術(shù)有著嚴(yán)格的要求，所以，在不對(duì)公共電網(wǎng)造成污染的同時(shí)，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(diǎn)之一 [24]。本文將在第四章對(duì)該問(wèn)題進(jìn)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(shí)，并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)仍保持著對(duì)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(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)和系統(tǒng)附近的交直流負(fù)載會(huì)產(chǎn)生一公共電網(wǎng)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效掌控的自供電孤島，如果此時(shí)正在進(jìn)行公共電網(wǎng)的檢修，那么則會(huì)對(duì)檢修人員和用電設(shè)備造成嚴(yán)重的后果。因此，系統(tǒng)必須要迅速檢測(cè)到孤島效應(yīng)并及時(shí)斷開(kāi)。本文將在第五章對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的研究。 光伏電池的工作原理述光伏陣列就是將太陽(yáng)能源進(jìn)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(yáng)光照之后，其內(nèi)部的電荷分布將會(huì)發(fā)生改變，由此來(lái)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(yáng)射線；②表示剛來(lái)到物體表層便被吸收并生成電子空穴對(duì)的太陽(yáng)射線，它們的強(qiáng)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(duì)的太陽(yáng)射線，該類(lèi)射線是可以讓光伏陣列產(chǎn)生實(shí)際電能的；④代表深入到光伏電池片底部的太陽(yáng)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(yáng)射線，它們并不足以形成電能，反而會(huì)導(dǎo)致光伏陣列的升溫；⑥代表直接穿透光伏電池并且沒(méi)有被吸收的太陽(yáng)射線?？傮w來(lái)講，只有被反射回去的那部分太陽(yáng)射線對(duì)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?chē)鷧^(qū)域的太陽(yáng)射線都是對(duì)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(yáng)射線的數(shù)量，就可以使光伏陣列的實(shí)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，把 P 型半導(dǎo)體與 N 型半導(dǎo)體進(jìn)行合并，就會(huì)使它的周邊出現(xiàn)一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)。此時(shí)，那些處于 PN 結(jié)周?chē)奶?yáng)射線被光伏陣列接收并且進(jìn)行轉(zhuǎn)化之后，其會(huì)讓電子躍遷到一個(gè)能量更豐富狀態(tài)，這樣就會(huì)使電子擺脫束縛，出現(xiàn)電子空穴對(duì)。第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)和光伏電池 11 除此之外，在勢(shì)壘電場(chǎng)的影響下， 。 光伏陣列中的電子將會(huì)涌向 N 型區(qū)，空穴將會(huì)涌向P 型區(qū)，這樣，便形成了所謂的光生電場(chǎng)。由于帶電的正負(fù)極相反，光生電場(chǎng)會(huì)被勢(shì)壘電場(chǎng)所消耗一部分。在光伏陣列的兩個(gè)區(qū)域內(nèi)會(huì)有電動(dòng)勢(shì)，我們稱(chēng)這種情況下產(chǎn)生的為光生伏打電動(dòng)勢(shì)。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(duì)其進(jìn)行分析時(shí)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(jìn)行考慮，相對(duì)更實(shí)際，可以說(shuō)光伏陣列較為普遍的三類(lèi)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(shí)，它便是一種不合符實(shí)際的模型，整體簡(jiǎn)單，雖然能夠?yàn)槔碚撗芯刻峁┖芏啾憷?，但是這種模型不能對(duì)陣列的影子效應(yīng)進(jìn)行合理的呈現(xiàn) [30]，所以，在我們?nèi)粘５氖褂脮r(shí)，為了更真實(shí)的剖析其所隱藏的難點(diǎn)，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(duì)上圖進(jìn)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(zhǔn)環(huán)境（電池溫度 T=25℃，照度 R=1000W/m2）下將負(fù)載端進(jìn)行短接后，流過(guò)的電流?？偣灿腥齻€(gè)因素可以影響到它的大小，包括工作溫度 T、光照強(qiáng)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(chēng)作旁漏電阻，它形成重要原因是由于光伏陣列材料的周?chē)谏a(chǎn)過(guò)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(méi)有其它干擾時(shí)，他會(huì)生成一個(gè)較高的數(shù)據(jù)。（4） 暗電流 Id：在光生電流中會(huì)有分流經(jīng)過(guò)負(fù)載 ,此時(shí)，負(fù)載兩側(cè)的電壓 U 將會(huì)正向偏置 PN 結(jié)的二極管，產(chǎn)生和光生電流方向相對(duì)的 Id。據(jù)圖 24，得出，輸出電流 I 和輸出端負(fù)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(jìn)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(fù)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(shí) A=1，小時(shí) A=2） ； K——玻耳茲曼常數(shù)，其值為 1023J/K； T——絕對(duì)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(fù)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(wú)窮大，A =1，則式（24）變成： （29）)(