【正文】 電（1） 概述從能源供應(yīng)的諸多因素考慮，太陽能無疑是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想綠色能源。全球能源專家們認(rèn)定，太陽能將成為本世紀(jì)最重要的能源之一。太陽能光伏發(fā)電有離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種工作方式，而并網(wǎng)光伏發(fā)電技術(shù)是當(dāng)今世界光伏發(fā)電的趨勢，是光伏技術(shù)步入大規(guī)模發(fā)電階段，成為電力工業(yè)組成部分之一的重大技術(shù)步驟。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏陣列模塊、逆變器和控制器三部分組成。逆變器將光伏電池所產(chǎn)生的電能逆變成正弦電流并入電網(wǎng)中，控制器控制光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤、控制逆變器并網(wǎng)的功率和電流的波形，從而使向電網(wǎng)輸送的功率與光伏陣列模塊所發(fā)的最大電能功率相平衡。（2） 光伏電池的工作原理光伏電池是以半導(dǎo)體PN結(jié)上接受太陽光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)為基礎(chǔ)，直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器。其工作原理是當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體內(nèi)部N區(qū)和P區(qū)中原子的價(jià)電子受到太陽光子的沖擊，通過光輻射獲取到超過禁帶寬Eg的能量，脫離共價(jià)健的約束從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，由此在半導(dǎo)體材料內(nèi)部產(chǎn)生出很多處于非平衡狀態(tài)的電子一空穴對。這些被光激發(fā)的電子和空穴，或自由碰撞，或在半導(dǎo)體中復(fù)合恢復(fù)到平衡狀態(tài)。其中復(fù)合過程對外不呈現(xiàn)導(dǎo)電作用，屬于光伏電池能量自動損耗部分。一般希望有更多的光激發(fā)載流子中的少數(shù)載流子能運(yùn)動到PN結(jié)區(qū)，通過PN結(jié)對少數(shù)載流子的牽引作用而漂移到對方區(qū)域，對外形成與PN結(jié)勢壘電場方向相反的光生電場。一旦接通外電路，即可有電能輸出。當(dāng)把眾多這樣小的太陽能光伏電池單元通過串并聯(lián)的方式組合在一起，構(gòu)成光伏電池組件，便會在太陽能的作用下輸出功率足夠大的電能。，光生電能形成過程。 光伏電池受光照形成電能示意圖如上所述，正是由于靠近PN結(jié)的光生少數(shù)載流子，在PN結(jié)的漂移作用下，N區(qū)的電子留在N區(qū)，空穴流向P區(qū)；P區(qū)的空穴留在P區(qū)，電子流向N區(qū)，構(gòu)成光生電場。光生電場電壓為 （332）其中、分別電子和空穴密度，為光生少數(shù)載流子密度，為玻爾茲曼常數(shù)（），為電子電荷（），T為絕對溫度。從價(jià)帶最上層到導(dǎo)帶最下層間的能量差為禁帶寬度，其幅值用Eg表示，單位為eV。不同材料的禁帶寬度各不相同（）。它決定了物質(zhì)的導(dǎo)電性能，也是衡量光伏電池的一個(gè)重要的物理量。禁帶寬度受材料、溫度、半導(dǎo)體摻雜量和PN結(jié)結(jié)構(gòu)影響，其經(jīng)驗(yàn)公式如下： （333） 各半導(dǎo)體材料的禁帶寬度參數(shù)其中為絕對溫度0K時(shí)的禁帶寬度。鍺（Ge）硅（Si）鎵砷（GaAs）硒銦銅（CIS）碲化鎘（CdTe）235636204太陽光子的入射能量為： （334）其中為普朗克常數(shù)（，f 為入射光子頻率，c為光速（，為波長（80％的太陽輻射波長范圍大約在400nm到1500nm之間）。~ 。只有當(dāng)入射光子能量大于電子脫離PN共價(jià)鍵束縛的能量時(shí)，才能激發(fā)電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶。而當(dāng)光子能量小于電子脫離PN共價(jià)鍵束縛的能量是，則不能激出電子一空穴對，只能使光伏電池自身加熱。（3） 太陽能光伏電池的數(shù)學(xué)模型當(dāng)光照恒定時(shí)，由于光生電流不隨光伏電池的工作狀態(tài)而變化，因此在等效電路中可以看作是一個(gè)恒流源。光伏電池的兩端接入負(fù)載R后，光生電流流過負(fù)載，從而在負(fù)載的兩端建立起端電壓V。負(fù)載端電壓反作用于光伏電池的PN結(jié)上，產(chǎn)生一股與光生電流方向相反的電流。此外，由于太陽能光伏電池板前后表面的電極以及材料本身所帶有的電阻率，當(dāng)工作電流流過板子時(shí)必然會引起電池板內(nèi)部的串聯(lián)損耗，故引入串聯(lián)電阻。串聯(lián)電阻越大，線路損失越大，光伏電池輸出效率越低。在實(shí)際的太陽能光伏電池中，一般串聯(lián)電阻都比較小，大都在歐至幾歐之間。另外，由于制造工藝的因素，光伏電池的邊緣和金屬電極在制作時(shí)可能會產(chǎn)生微小的裂痕、劃痕，從而會形成漏電而導(dǎo)致本來要流過負(fù)載的光生電流短路掉，因此引入一個(gè)并聯(lián)電阻來等效。相對于串聯(lián)電阻來說，并聯(lián)電阻比較大，一般在1以上。 太陽能光伏電池等效電路由太陽能光伏電池等效電路可得出: （335）其中 ——流過負(fù)載的電流； ——與日照強(qiáng)度成正比例的光生電流 ——太陽能光伏電池的漏電流 而 （336）上式中， ——反向飽和電流（一般而言，其數(shù)量級為A）。 ——電子負(fù)荷（） K——玻爾茲曼常數(shù)（ T——絕對溫度（t+273K）。 A——PN結(jié)理想因子； ——光伏電池并聯(lián)電阻 ——光伏電池串聯(lián)電阻此外 （337）所以，綜合式（335）、（336）、（337）可得： （338）（4） 太陽能光伏電池的輸出特性太陽能電池由于受外界因素（溫度、日照強(qiáng)度等）影響很多，因此其輸出具有明顯的非線性。（a） 常溫不同日照 （b）相同日照不同溫度 太陽能光伏陣列的伏安特性（a） 常溫不同日照 （b）相同日照不同溫度 太陽能光伏陣列的伏瓦特性由以上兩圖可知，溫度相同時(shí)，隨著日照強(qiáng)度的增加，太陽能光伏電池的開路電壓幾乎不變，短路電流有所增加，最大輸出功率增加日照強(qiáng)度相同時(shí)，隨著溫度的升高，太陽能光伏電池的開路電壓下降，短路電流有所增加，最大輸出功率增加；日照強(qiáng)度相同時(shí)，隨著溫度的升高，太陽能光伏電池的開路電壓下降，短路電流有所增加，最大輸出功率減小。此外，無論在任何溫度和日照強(qiáng)度下，太陽能光伏電池板總有一個(gè)最大功率點(diǎn)，溫度（或日照強(qiáng)度）不同，最大功率點(diǎn)位置也不同。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏陣列模塊的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過程就稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（Maximum Power Point Tracking） 儲能元件電力系統(tǒng)儲能元件主要有抽水蓄能、壓縮空氣儲能（CAES）、飛輪儲能、超導(dǎo)線圈儲能（SMES）、超級電容器儲能和鉛酸蓄電池儲能（BESS）等。（1） 儲能技術(shù)的種類及比較1）抽水蓄能抽水儲能是世界上最古老的儲能方法。它需要高低兩個(gè)水庫，在電網(wǎng)低谷負(fù)荷時(shí)，電動機(jī)將水抽到上游水庫，電能以勢能方式儲存，而當(dāng)電網(wǎng)高峰負(fù)荷時(shí)，上游水庫向下游水庫放水帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，勢能轉(zhuǎn)化為電能發(fā)電。目前世界上共有抽水蓄能電站近300座，我國目前已經(jīng)建成和在建的有15座。抽水蓄能電站關(guān)鍵問題是需要有合適的高低兩個(gè)水庫，而符合這樣地理?xiàng)l件的區(qū)域是不多的。此外，抽水蓄能電站破壞生態(tài)環(huán)境，建設(shè)時(shí)間長，投資量大，因此并不適宜在微電網(wǎng)中應(yīng)用。2）壓縮空氣儲能壓縮空氣儲能方式的工作原理是在電網(wǎng)低谷時(shí)利用剩余電力驅(qū)動壓縮機(jī)將空氣儲存于儲氣裝置，當(dāng)用電高峰時(shí)，儲氣裝置排出高壓空氣與天然氣或油等燃料混合燃燒后推動燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。世界上第一座CAES電站1978年始建于德國，容量為290 MW，目前仍在運(yùn)行中。1991年，美國投運(yùn)了一座CAES電站，容量為110 MW。建造壓縮空氣蓄能電站的關(guān)鍵問題是壓縮空氣的貯存，最好利用現(xiàn)成的地下巖鹽洞、現(xiàn)存礦洞或挖掘成的巖石洞來貯存壓縮空氣。3）飛輪儲能飛輪儲能將能量儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中，所儲存的能量和它的質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)的速度平方成正比。20世紀(jì)90年代以來，高強(qiáng)度纖維材料、高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承、電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，使飛輪儲能技術(shù)逐漸走向成熟。飛輪儲能具有能量密度高、工作效率高、循環(huán)使用壽命長、無環(huán)境污染的特點(diǎn)。目前，美國飛輪公司已經(jīng)研制出了電動汽車用飛輪電池，AFS Trinity Power公司可以提供容量100kW和300 kW的UPS以及容量750 kW用于運(yùn)輸機(jī)車的飛輪系統(tǒng)。4）超導(dǎo)線圈儲能SMES將能量存儲在由流過超導(dǎo)線圈的直流電流產(chǎn)生的磁場中，儲存的能量E=LI2，L為超導(dǎo)線圈電感，I為超導(dǎo)線圈中流過的電流。SMES具有快速的電磁響應(yīng)特性和很高的儲能效率，而且使用壽命長。目前，在世界范圍內(nèi)有許多SMES工程正在進(jìn)行或者處在研制階段，美國是最早進(jìn)行超導(dǎo)線圈儲能研究開發(fā)的國家，美國超導(dǎo)公司和美國國際磁體通用公司的中小型SMES已經(jīng)商用化。SMES的應(yīng)用有賴于在兩個(gè)方面取得突破：一是制備低成本、低損耗、機(jī)械性能良好的高溫超導(dǎo)線材；二是提高低溫系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)的長期運(yùn)行可靠性，降低其成本和維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用。5）超級電容器儲能超級電容器利用雙電層原理直接儲存電能，其容量可達(dá)數(shù)萬法拉，是介于蓄電池和傳統(tǒng)電容器之間的一種新型儲能裝置。超級電容器儲存的能量E =CV2，與容量C和工作電壓V的平方成正比。超級電容器體積小，重量輕，具有動態(tài)響應(yīng)快、功率密度高、循環(huán)使用壽命長、環(huán)境友好、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常有前途的儲能器件。超級電容器儲能技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵問題是降低超級電容器的生產(chǎn)成本和提高超級電容器的能量密度。6）鉛酸蓄電池儲能（BESS）鉛酸蓄電池是最成熟的一種二次電池，是一種通用的低成本的儲能器件，作為輔助電源或者動力電源廣泛應(yīng)用于各種消費(fèi)電子、UPS、電力系統(tǒng)、汽車啟動、機(jī)車牽引、電動汽車等。但是鉛酸蓄電池有很多缺點(diǎn)：循環(huán)壽命短、污染環(huán)境、充電時(shí)間長、受溫度影響大、維護(hù)工作量大等等，在各種二次電池技術(shù)發(fā)展日新月異的條件下，這些缺點(diǎn)極大地限制了BESS的發(fā)展。7）儲能技術(shù)綜合比較、超導(dǎo)儲能以及飛輪儲能的性能比較。蓄電池技術(shù)成熟、價(jià)格低，但其循化壽命低、污染環(huán)境，即將被新型環(huán)保的儲能元件取代。飛輪儲能、超導(dǎo)儲能和超級電容器均為優(yōu)秀的儲能元件，是未來的發(fā)展方向，它們具有類似的特性，都可以應(yīng)用于微電網(wǎng)中。超導(dǎo)儲能、飛輪儲能可以用于快速補(bǔ)償，但其功率密度比超級電容器低得多，效果要差一些。和其他儲能方式相比，超導(dǎo)儲能價(jià)格昂貴，除了超導(dǎo)本身的費(fèi)用外，維持低溫所需要的費(fèi)用也相當(dāng)可觀。而飛輪儲能受到轉(zhuǎn)速及機(jī)械強(qiáng)度的限制。在微電網(wǎng)中，由負(fù)荷或者微型電源導(dǎo)致的電能質(zhì)量問題往往具有持續(xù)時(shí)間短、出現(xiàn)頻繁的特點(diǎn)。相比較而言，作為短期儲能裝置，超級電容器更為理想。雖然目前超級電容器價(jià)格依然偏高，但隨著價(jià)格的逐漸下降，超級電容器作為一種高效、實(shí)用、環(huán)保的能量存儲裝置，必然會成為理想的選擇。 各儲能系統(tǒng)的性能比較元件名稱蓄電池超級電容器超導(dǎo)儲能飛輪儲能能量密度（Wh/kg）20～1001～10 15～50功率密度（W/kg）50～2007000～180001 000180～1800循環(huán)壽命103次106 次106次106次效率η80～85% 95%90%90～95%安全性高高低不高維護(hù)量小很小大較大對環(huán)境影響污染無污染無污染無污染成本（）18204（2） 儲能在微電網(wǎng)中的應(yīng)用儲能在微電網(wǎng)中的應(yīng)用可概括提供短時(shí)供電、用于能量緩沖、改善電能質(zhì)量、優(yōu)化微型電源的運(yùn)行，以及提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益等方面。1）提供短時(shí)供電微電網(wǎng)存在兩種典型的運(yùn)行模式：正常情況下微電網(wǎng)與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，稱為并網(wǎng)運(yùn)行模式；當(dāng)檢測到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時(shí)，微電網(wǎng)將及時(shí)與電網(wǎng)斷開從而獨(dú)立運(yùn)行，稱為孤網(wǎng)運(yùn)行模式。微電網(wǎng)往往需要從常規(guī)配電網(wǎng)中吸收部分有功功率，因而微電網(wǎng)在從并網(wǎng)模式向孤網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換時(shí)，會有功率缺額，安裝儲能設(shè)備有助于兩種模式的平穩(wěn)過渡。蓄電池、飛輪儲能能量密度大，適宜為微電網(wǎng)提供短時(shí)供電。2）用作能量緩沖裝置由于微電網(wǎng)規(guī)模較小，系統(tǒng)慣性不大，網(wǎng)絡(luò)及負(fù)荷經(jīng)常發(fā)生的波動就顯得十分嚴(yán)重，對整個(gè)微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。我們總是期望微電網(wǎng)中高效發(fā)電機(jī)（如燃料電池）始終工作在它的額定容量下。但是微電網(wǎng)的負(fù)荷量并非整日保持不變，相反，它會隨著天氣變化等情況發(fā)生波動。為了滿足峰值負(fù)荷供電，必須使用燃油、燃?xì)獾恼{(diào)峰電廠進(jìn)行高峰負(fù)荷調(diào)整，由于燃料價(jià)格很高，這種方式的運(yùn)行費(fèi)用太昂貴。有效地解決這個(gè)問題，通常使用超級電容器儲能，它可以在負(fù)荷低落時(shí)儲存電源的多余電能，而在負(fù)荷高峰時(shí)回饋給微電網(wǎng)以調(diào)整功率需求。儲能系統(tǒng)作為微電網(wǎng)必要的能量緩沖環(huán)節(jié)，其作用越來越重要。它不僅避免了為滿足峰值負(fù)荷而安裝的發(fā)電機(jī)組，同時(shí)充分利用了負(fù)荷低谷時(shí)機(jī)組的發(fā)電，避免了浪費(fèi)。超級電容器功率密度大、能量密度高的特性使它成為處理尖峰負(fù)荷的最佳選擇，而且采用超級電容器只需存儲與尖峰負(fù)荷相當(dāng)?shù)哪芰?。若采用蓄電池儲能，需要存儲幾倍于尖峰?fù)荷的能量。蓄電池曾經(jīng)廣泛用作儲能單元，但是在微電網(wǎng)中需要頻繁地進(jìn)行充、放電控制，這樣勢必會大大縮短蓄電池的使用壽命。在含有如電梯、提升機(jī)、地鐵電站等惡性負(fù)荷的微電網(wǎng)中，配置超級電容器儲能單元可以減少電力驅(qū)動系統(tǒng)對微電網(wǎng)的負(fù)面沖擊影響。在負(fù)載側(cè)有電動機(jī)或傳動裝置等強(qiáng)負(fù)載系統(tǒng)中，當(dāng)大負(fù)載突然起動時(shí)，一般都需要一個(gè)很大的瞬間電流，這時(shí)，如果電源能量不足，電源電壓將瞬間下降，從而使控制電路產(chǎn)生誤操作，如果增大電源容量，對于平常不需大電流的工作場合來說，這顯然是一種浪費(fèi)。而在系統(tǒng)中增加大功率超級電容器就可用較小容量的電源驅(qū)動較大的負(fù)載。3）改善微電網(wǎng)的電能質(zhì)量人們對電能質(zhì)量問題日益關(guān)注。一方面，微電網(wǎng)作為電網(wǎng)要滿足負(fù)荷對供電質(zhì)量的要求，保證供電頻率以及電壓幅值變化、波形畸變率以及年停電次數(shù)等在一個(gè)很小的范圍內(nèi)；另一方面大電網(wǎng)對微電網(wǎng)作為整體的并入電網(wǎng)也提出了嚴(yán)格的要求，如負(fù)荷功率因數(shù)、電流諧波畸變率和最大功率等都有嚴(yán)格限制。儲能系統(tǒng)對微電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高起到十分重要的作用。通過逆變器控制單元，可以調(diào)節(jié)超級電容器儲能系統(tǒng)向用戶及網(wǎng)絡(luò)提供的無功及有功，從而達(dá)到提高電能質(zhì)量的目的。由于超級電容器可快速吸收、釋放大功率電能，非常適宜將其應(yīng)用到微電網(wǎng)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置中，