光伏发电利用技术研究

1、光伏发电利用技术研究【摘要】光伏发电在解决我国无电地区电力建设和电力规模的并网发电的市场中都将扮演重要的角色，应当予以高度重视。本文对当前两种光伏发电利用技术做了简要的探究。 【关键词】光伏发电并网光伏独立光伏 中图分类号：TM6文献标识码：A文章编号： 光伏发电系统按照是否与公共电网相连，可以分为并网和独立两种类型。本文分别对这两种技术做了简要的研究。 一、我国光伏发电的发展 中国光伏发电产业始于20世纪70年代，2000年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量及其装机容量逐年稳步增加。2011年，我国装机容量达到2.4 GW，截至2011年底，光伏系统累计装机总容量已达到3GW。 光伏

2、发电技术在我国应用的近几十年中，太阳能发电走过了从空间应用、地面小规模应用到现在的地面较大规模利用时代，从20022011年，特别是2002年基本解决了全国近800个无电乡的乡政府用电问题。规模如此之大，在国际上也是空前的。在接下来的23年内，我国解决了 11592个自然村和16889个行政村的用电问题。由于所有的这些村庄都处于偏远地区，十分分散，只能建造独立的太阳能发电系统。 到2020年前，随着成本将不断下降，政府扶持政策的不断推出，我国太阳能光伏发电产业将会得到不断的完善和发展，20052010年，我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，在2010年以后，随着太阳能光伏电池成本的大幅下

3、降，发电成本也随着降低，2011年，每千瓦发电成本降至1.0元，而20102020太阳能光伏发电将会由独立光伏发电系统转向并网发电系统，发电成本到年将约为0.6元每千瓦时。2020年，我国太阳能光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列。 二、光伏并网发电系统 1、系统结构 通常光伏并网逆变器主电路采用电压型逆变的拓扑结构，如图1所示。 图1 主电路拓扑结构 系统采用三相桥的电路结构，逆变电压通过电感与电网相连，实现光伏系统的并网运行。并网运行模式下，系统的控制目标是使逆变器输出之正弦波电流的频率和相位与电网电压的频率和相位相同，电流的大小由光伏阵列输出的功率决定。 2、光伏阵列的最大功率点跟踪（

4、MPPT） 光伏阵列的特性曲线如图2a所示，阵列工作点不同决定了它的输出功率也不同。光伏阵列最大功率点跟踪的原理是：通过检测光伏阵列在不同工作点下的输出功率，经过比较寻优，找到光伏阵列在确定日照和温度条件下输出最大功率时对应的工作电压。具体实现方法如下：首先使光伏阵列工作于某一确定电压值，然后扰动太阳电池输出电压值(UPV+U)，再测量输出功率的变化，与扰动之前的功率值相比。若输出功率值增加，则表示扰动方向正确，可向同一方向以+U为步长再扰动；若扰动后的功率值减小，则向反方向以-U为步长再扰动。此法的最大优点在于其结构简单，被测参数少，通常被较普遍地应用于光伏系统最大功率点的跟踪控制。通过不断

5、扰动使阵列输出功率趋于最大，寻优过程如图2b所示。 图2 光伏阵列特性曲线 3、并网控制策略 （1）逆变器拓扑和控制方式 并网逆变器采用电压型全桥逆变器，控制方式一般采用输出电流控制，控制逆变器的输出电流以跟踪市电电压，即可达到并联运行的目的。本文采用电流控制方式为滞环比较方式，虽然滞环比较方式频率不固定，但它具有自动峰值限制能力，电流跟踪精度高、动态响应快、不依赖负载参数和无条件稳定等优点。 滞环控制原理是将给定电流与反馈电流的误差与一个确定滞环阈值H做比较，以确定两对开关管的开关逻辑，如图3所示。在输出电流正半周，当误差超过滞环的上阈值，开关管S2和S3导通，S1和S4关断，UAB=E，电

6、感电流减小；当误差低于滞环的下阈值，开关管S1和S4导通，S2和S3关断，UAB=E，电感电流增大。 图3 采用滞环控制方式的并网逆变原理图 （2）并网控制策略 光伏并网系统采用双闭环控制策略进行并网控制。双闭环的外环为电压环，目的是为了控制并网逆变器直流输入端电压即电容电压稳定；内环为电流环，目的是为了控制并网逆变器的输出电流与电网电压同频同相，输送到电网的功率因数近似为1。 将实际检测到的电容电压与给定的电容电压相比较，差值经过调节器，得到电流环的给定并网电流的幅值，当实际的电容电压超过给定值时，给定并网电流的幅值会增大，电容电压会下降；当实际的电容电压小于给定值时，给定并网电流的幅值会减

7、小，电容电压则会增加，由此来实现电容电压稳定。给定并网电流幅值与经过锁相环节得到的电网电压的频率和相角同步信号相结合，得到并网电流的给定信号，此给定电流再与实际检测到的并网电流相比较，差值经过滞环比较环节，得到全桥逆变器的功率器件的开关信号，控制功率器件开通和关断，使并网电流在指定的环宽以内变化。 三、独立光伏发电系统 1、三端口变换器系统工作状态分析 三端口变换器共包括单向输入端、单向输出端和双向输入/输出端三个端口。在独立光伏发电系统中，输入端与光伏阵列相连，输出端与负载相连，双向端则与蓄电池相连。其中输入端仅接受外部输入功率，负载端口仅向外部输出功率，储能端口既能接受功率，又能输出功率，

8、用来平衡系统功率，保证负载供电的连续性和可靠性。 三端口变换器的系统工作状态取决于光伏电池和负载端的功率关系。当光伏阵列输入功率为零时，蓄电池单独向负载供电，变换器工作于单输入单输出模式；当光伏阵列输入功率小于负载功率时，不足的能量由蓄电池补充，变换器工作于双输入模式；当光伏阵列输入功率大于负载功率时，光伏阵列输入的多余能量用以给蓄电池充电，变换器工作于双输出模式。 2、三端口变换器拓扑 三端口变换器与传统两端口变换器的本质区别在于其内部包含多条功率流。其三个端口之间等效的功率流包括：(1)输入端到输出端；(2)输入端到双向端；(3)双向端到输出端。只要建立起上述三条功率流所需要的传输路径并满

9、足如下约束条件就能够构造出三端口变换器拓扑：(1)三条功率流均独立可控，满足各种工况下系统功率控制的要求；(2)三条等效功率传输路径均为单级功率变换，以实现高的变换效率和功率密度。按照上述思路，本文构造并提出了一系列三端口变换器拓扑，包括非隔离和部分隔离两大类，图4分别给出了非隔离和部分隔离三端口变换器典型拓扑实例。 以图4(a)所示非隔离变换器为例进行分析：当PV功率大于负载功率时，PV向负载供电的同时向蓄电池充电，调节S1的占空比可以实现输入源的最大功率跟踪(MPPT)，调节S2的占空比可以进一步实现负载电压的控制，此时S4一直关断，S3作为S2的同步整流管与S1互补导通；当PV功率小于负

10、载功率时，PV和蓄电池向负载供电，此时S2一直关断，S4一直导通，调节S1实现PV的MPPT，调节S3实现负载端电压的稳定；当PV输入功率为0时，S1和S2都一直关断，S4一直导通，控制S3实现负载端电压的稳定。 图4 三端口变换器拓扑 三端口变换器的控制策略是决定整个系统能否正常工作的关键因素。独立光伏供电系统中，需要同时实现PV的MPPT控制、蓄电池充放电(电压/电流)控制和负载电压/电流或功率控制。仍以图4(a)所示非隔离三端口变换器为例，本文提出采用输入电压调节器(IVR)、蓄电池电流调节器(BIR)、蓄电池电压调节器(BVR)和输出电压调节器(OVR)等四个调节器及其自主竞争机制的系统功率控制方法：OVR控制器的输出用来调节开关管S2，S3，S4的占空比，保证在任何情况下，输出电压都是稳定的。IVR，BIR，BVR控制器竞争得到最小值，用来调节开关管S1的占空比，从而控制PV端电压，实现PV输入功率的控制，进而实现PV的MPPT控制及蓄电池充电控制。 结束语 采用模块化光伏并网发电系统结构，能够有效提高系统的冗余性和可靠性，采用提出的系统效率优化控制方法，能够有效提高系统效率，提出的新型非隔离光伏并网逆变器拓扑结构，能够有效减小漏电流、提高变换效率。在光伏独立发电系统中，采用三端口变换器能够有效实现光伏电池、储能蓄电池和负载三者的能量管理和