蔡宏程

摘 要：在人類社會快速發(fā)展的過程中，傳統(tǒng)能源如煤炭、石油等被不斷開采，其數(shù)量已經(jīng)變得十分有限。然而，社會經(jīng)濟的快速發(fā)展給傳統(tǒng)能源帶來的壓力正變得愈來愈大。以中國為例，盡管目前中國傳統(tǒng)能源儲量較為豐富，但一次能源儲量遠(yuǎn)低于世界平均水準(zhǔn)，僅為世界總儲量的10%。在如此嚴(yán)峻的能源壓力背景下，開發(fā)新能源受到了全球各國的密切關(guān)注。太陽能是人類取之不盡的可再生能源，具有清潔性、安全性、廣泛性及長壽命等特點。光伏發(fā)電正是基于太陽能的新型發(fā)電技術(shù)，它主要是通過半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)，把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。近年來，我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，光伏發(fā)電站數(shù)量正變得愈來愈多，光伏發(fā)電站在電力系統(tǒng)當(dāng)中的地位正在不斷提升。基于此，文章對光伏發(fā)電相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了綜合性闡述，并提出了一系列觀點，以供參考。

關(guān)鍵詞：光伏；發(fā)電；電路；變換器

1 光伏發(fā)電概述

光伏發(fā)電的主要原理為半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。當(dāng)光子照射于金屬上時，其能量會被金屬當(dāng)中的電子吸收。當(dāng)電子所吸收的能量足夠大時，可有效克服金屬內(nèi)部引力，并從金屬表面脫離出來成為光電子，此時半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位便會產(chǎn)生電位差，便會形成電壓。也就是說，光伏發(fā)電是光子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮?、光能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芰康倪^程[1]。

從電力生產(chǎn)發(fā)展趨勢來看，推廣光伏發(fā)電具有其必然性。我國是一個典型的能源生產(chǎn)大國，但同時也是能源消耗大國，人均能源占有率遠(yuǎn)低于世界平均水準(zhǔn)。同時，在能源消費結(jié)構(gòu)上，我國與其他發(fā)達(dá)國家相比存在較大的差異，調(diào)整空間巨大。在這種背景下，國家對優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)愈來愈重視，于“十二五”期間提出了能源結(jié)構(gòu)調(diào)整目標(biāo)，其重點在于非石化能源比重增加及碳減排兩個目標(biāo)，從而形成低排放、低污染、低能耗的新型經(jīng)濟形態(tài)。在這種背景下，生物質(zhì)能、風(fēng)能及太陽能等可再生資源得到了廣泛關(guān)注。其中太陽能是常見能源中一次性轉(zhuǎn)換效率最高的能源，優(yōu)勢十分明顯，是未來能源發(fā)展的重要方向。正是基于太陽能的這種特性，光伏發(fā)電有了巨大的發(fā)展空間，并逐步得到推廣，部分地區(qū)已經(jīng)構(gòu)建成了較為成熟的光伏發(fā)電站。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要分為兩種，即并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)及獨立式發(fā)電系統(tǒng)。在偏遠(yuǎn)或無電網(wǎng)地區(qū)獨立式發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛。在實際運行過程中，由于太陽能電池發(fā)電量會受到環(huán)境、光照等影響，因此，在獨立式發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中會配備一些電能存儲裝置如蓄電池等。相對于獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用范圍更廣。它是由光伏陣列、控制器及逆變器構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如下圖1所示：

并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是通過逆變器與電網(wǎng)相連，在逆變器的作用下將電能直接輸入至公共電網(wǎng)。部分系統(tǒng)為了實現(xiàn)電能峰谷調(diào)配，也會加入一定的電能存儲裝置?？刂破骺蓪夥嚵挟?dāng)中的最大功率點進(jìn)行跟蹤，并對逆變器并網(wǎng)的功率及波形進(jìn)行動態(tài)調(diào)控，以保證電能能夠穩(wěn)定地輸入至電網(wǎng)當(dāng)中[2]。

3 光伏電池原理分析

光伏陣列是整個并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心構(gòu)件，承擔(dān)了不可替代的作用。光伏陣列是由若干個光伏電池所構(gòu)成。光伏電池類型較多，主要包括單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池、非晶硅光伏電池，另外還有銅銦硒光伏電池、砷化鎵光伏電池、聚合物光伏電池等。其具體發(fā)電原理如下圖2所示。

結(jié)合圖2來看，光伏電池屬于典型的不加偏置的PN結(jié)器件。當(dāng)入射光子能量超過臨界值時，半導(dǎo)體當(dāng)中的原子會將光子能量吸收并產(chǎn)生空穴電子對。受勢壘區(qū)內(nèi)建電場作用，圖2中P區(qū)光電子會逐漸進(jìn)入N區(qū)，并且在N區(qū)邊界形成累積。N區(qū)光生空穴則會進(jìn)入P區(qū)，逐漸在P區(qū)邊界累積。在這種情況下，P區(qū)域N區(qū)之間便會形成光生電動勢，其方向與電場方向相反。光生載流子運動過程中，部分空間電荷被中和，會讓PN結(jié)勢壘降低，并產(chǎn)生正向注入。當(dāng)正向電流IF與光生電流IL大小一致時，便會形成一個電壓，即P區(qū)與N區(qū)之間存在一個相對電壓，這就是光生電壓。只要保持光照狀態(tài)，并接通外電路，電流便持續(xù)性地流過負(fù)載R，該效應(yīng)便是光伏效應(yīng)，即光伏電池發(fā)電原理。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要電能來源為光伏陣列。光伏電池單元是光伏陣列當(dāng)中的最小單元，一般不會用作獨立電源。將光伏電池單元進(jìn)行串、并聯(lián)封裝后，并能夠獲得光伏電池組件，其功率為幾瓦至幾百瓦不等。將在這些光伏電池組件按照一定方式組合，便能夠得到光伏電池陣列。光伏電池陣列具有非線性特征。受到自然因素影響，光伏電池陣列的光強會不斷改變。要實現(xiàn)輸出功率最大化，就需要對光伏陣列的最大功率點進(jìn)行跟蹤。常見的方法包括以下幾類：

（1）恒定電壓控制。當(dāng)溫度條件一定，而光照強度存在差異時，光伏電池輸出曲線的最大功率數(shù)值幾乎處于一條垂直線附近。只要保持光伏電池陣列輸出電壓為某一常數(shù)且與某一光照強度下光伏電池陣列最大功率點的電壓相同，就能夠讓光伏電池在該溫度條件下輸出最大功率。也就是說，將最大功率點跟蹤簡化成了恒電壓跟蹤。該方法控制過程較為簡單，易于操作，具有較好的穩(wěn)定性，與直接耦合的光伏系統(tǒng)相比，能夠多獲得將近20%的電能。但該方法無法對溫度條件進(jìn)行控制。以單晶硅光伏電池為例，當(dāng)電池溫度升高時，其開路電壓會有所下降，這就意味著最大功率點所對應(yīng)的電壓也會隨著電池溫度的變化而出現(xiàn)變化。這樣便無法完全跟蹤光伏電池列陣最大功率點，會讓系統(tǒng)功率出現(xiàn)一部分損失。

（2）電導(dǎo)增量法。對于功率P存在P=IV。對該式兩端V進(jìn)行求導(dǎo)，可得：dP/dV=d（IV）/dV=I+V（dI/dV）。當(dāng)dP/dV>0時，V小于最大功率點電壓Vmax；當(dāng)dP/dV<0時V小于最大功率點電壓Vmax；當(dāng)dP/dV=0，V等于最大功率點電壓Vmax。將以上三種情況代入上式可得：

當(dāng)V-I/V；

當(dāng)V>Vmax時，dI/dV<-I/V；

當(dāng)V=Vmax時，dI/dV=-I/V；

這樣便能夠結(jié)合dI/dV與-I/V之間的關(guān)系對工作點電壓進(jìn)行調(diào)整，以實現(xiàn)最大功率跟蹤。該方法相對于恒定電壓控制具有一定的優(yōu)勢，即便光照強度出現(xiàn)變化，光伏電池陣列輸出電壓也能夠以較為平穩(wěn)的變化狀態(tài)來追隨光照變化。同時，穩(wěn)態(tài)電壓震蕩較小。但該方法可能會導(dǎo)致整個系統(tǒng)穩(wěn)定在一個局部最大功率點，并且該方法實施過程中對相關(guān)硬件要求較高，特別是傳感器要具備較高的精度，才能讓系統(tǒng)作出快速響應(yīng)。

（3）擾動觀察法。該方法主要是在各控制周期通過較小的步長對光伏電池陣列輸出進(jìn)行調(diào)整。所改變的步長為定值，其方向既可以是增加，也能夠是減少?？刂茖ο笫枪夥姵氐妮敵鲭娏骰螂妷?。通過對比干擾前后的光伏電池輸出功率，對干擾方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓系統(tǒng)始終能夠保持在最大功率點上進(jìn)行輸出。該方法測定參數(shù)較少，且傳感器精度要求不高，容易實現(xiàn)。但跟蹤步長無法兼顧精度與速度，當(dāng)外部環(huán)境出現(xiàn)突發(fā)性變化時，可能存在誤判。并且光伏電池陣列只能在最大功率點附近震蕩運行，會造成一定功率損失。

4 DC/DC變換器的特征分析

DC/DC變換器是光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中重要的組件之一。它主要是通過控制半導(dǎo)體開關(guān)，并配合電容、電感等器件來對輸出直流電壓進(jìn)行控制。與一般的DC/DC變換器相比，光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中的DC/DC變換器具有一定的差異性，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：（1）控制方式差異。傳統(tǒng)DC/DC變換器需要電壓保持在可控狀態(tài)，在進(jìn)行閉環(huán)控制過程中，其反饋信號主要為輸出電壓。也就是說，需要借助輸出電壓來判斷系統(tǒng)的運行狀態(tài)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，為了兼顧最大功率點跟蹤，DC/DC變換器需要將光伏電池輸出電壓控制在最大功率點附近，其反饋信號為輸出功率或輸入功率。（2）控制芯片差異。傳統(tǒng)DC/DC變換器主要通過專用芯片進(jìn)行控制，整個控制過程較為簡單。在光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，由于需要進(jìn)行最大功率點跟蹤，因此整體算法較為復(fù)雜，其控制芯片多為單片機或DSP。（3）輸入功率。當(dāng)負(fù)載為定值時，傳統(tǒng)DC/DC變換器輸入功率基本上能夠維持穩(wěn)定狀態(tài)，保持不變。而在光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，受光照強度影響，光伏陣列輸出功率會不斷發(fā)生變化，DC/DC變換器的輸入功率自然也會隨之產(chǎn)生變化。

5 光伏發(fā)電相關(guān)電路特征分析

5.1 BOOST電路

BOOST電路是光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中一種常見的電路結(jié)構(gòu)。BOOST電路主要是以電感電流方式向負(fù)載發(fā)電，從而實現(xiàn)負(fù)載電壓升高。BOOST電路電感存在于電路輸入端。電感上的紋波電流大小可接近于平滑的直流電流。所以在實際應(yīng)用過程中，BOOST電路只需并聯(lián)較小的無感電容即可，甚至可以不加電容。BOOST電路整體結(jié)構(gòu)較為簡單，具體如下圖3所示：

由于功率開關(guān)管一端接地，因此相關(guān)驅(qū)動電路設(shè)計得到了簡化。但BOOST電路輸入端電壓較低，在功率為定值的情況下，輸入電流會明顯上升，所以電路損耗相對較大，這會對電路轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生一定影響，并且BOOST電路只能進(jìn)行升壓變換。然而，帶耦合電感的交錯并聯(lián)Boost電路則能夠克服普通BOOST電路的一些缺陷。在基礎(chǔ)BOOST電路上增加兩個獨立電感L1及L2，從而形成耦合電感，利用其漏感便可解決二極管反向恢復(fù)問題，從而降低方向恢復(fù)損耗。在電流連續(xù)工作的情況下，電路整體效率能夠得到提升。但是，功率開關(guān)承受的電壓為整個輸出電壓，因此高壓環(huán)境對功率開關(guān)管的要求較高，具體如下圖4所示：

圖4 帶耦合電感的交錯并聯(lián)BOOST電路示意圖

TL-Boost電路較上述兩種BOOST電路具有更好的性能。該類型電路能有效克服一般Boost電路在高壓、大功率應(yīng)用環(huán)境下功率管電壓應(yīng)力高、變換器效率低的缺陷。功率開關(guān)管僅需承受1/2的輸出電壓，整體耐壓要求明顯降低，有利于器件選型。根據(jù)對稱性原理，將總的BOOST電感平均分為了兩個相同的部分，分別置于輸入電壓反向端與正相端，具體結(jié)構(gòu)如下圖5所示：

5.2 BUCK電路

一般情況下，BUCK電路輸入端電流會處于斷續(xù)狀態(tài)。若將其直接與光伏陣列連接，光伏陣列會出現(xiàn)輸出電流不連貫的情況，此時光伏系統(tǒng)便無法達(dá)到最佳運行狀態(tài)。所以需要將儲能電容與光伏電池陣列輸出端連接，以此來保證光伏電池陣列能夠保持連續(xù)輸出電流的狀態(tài)，如下圖6所示：

當(dāng)功率器斷開時，光伏電池陣列便能夠?qū)﹄娙葸M(jìn)行充電，此時系統(tǒng)處于發(fā)電狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)占空比，讓光伏電池陣列輸出平均功率，并實現(xiàn)最大功率跟蹤。BUCK電路結(jié)構(gòu)較為簡單，功率開關(guān)管輸入電流較小，整體線損較低，電路轉(zhuǎn)化效率較高。但由于BUCK電路輸入端與儲能電容并聯(lián)，在大功率狀態(tài)下，儲能電流會不斷進(jìn)行充放電，長期運行會對其工作穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。同時，BUCK電路只能用作降壓變換。在功率為定值的情況下，光伏電池串聯(lián)數(shù)量更多，可能會導(dǎo)致局部熱斑，這會影響光伏電池的使用壽命。

6 結(jié)束語

光伏發(fā)電是未來我國電力事業(yè)發(fā)展的重點方向之一。除了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)外，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)也具有較好的前景。將分布式發(fā)電與微電網(wǎng)結(jié)合，不但能夠就地提供電力資源，而且可用于電網(wǎng)調(diào)度，還能提供調(diào)壓、調(diào)頻等輔助服務(wù)，可從側(cè)面保障電力系統(tǒng)的應(yīng)急備用能力及供電安全。在電力改革背景下，光伏發(fā)電會不斷普及，其發(fā)展空間是巨大的。

參考文獻(xiàn)

[1]張立文，張聚偉，田葳.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2010（03）：4-8.

[2]周翔.光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢及其應(yīng)用研究[J].河南科技，2010（20）：1-2.