淺談電力電子技術在光伏發電中的應用

徐敏

（大連電子學校 遼寧大連 116000）

摘 要：光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術，光伏發電是電力電子學與能源科學的一個結合點，是有待電力電子學開拓的新的應用領域。

關鍵詞：光伏發電 逆變電路 直流變換

隨著石化能源的日益枯竭及其轉換過程給環境帶來的污染和溫室效應等問題，可再生能源已成為人類越來越緊迫的課題。太陽能是取之不盡、用之不竭的清潔能源。太陽能光伏發電是將太陽光輻射能直接轉換為電能的方法，即太陽光輻射能經電池轉換為電能，再經過能量存儲、控制和能量變換，轉換為便于人們使用的直流或交流電能。光伏發電已逐漸成為人們利用太陽能的主要手段之一，可以說從太陽能電池產生電勢開始，直到大家能使用這一電能為止，整個過程就是運用電力電子技術對電能進行變換、處理的過程。因此，光伏發電是電力電子學與能源科學的一個結合點，是有待電力電子學開拓的新的應用領域。[1]

太陽能光伏電池所發出的電能是隨太陽光輻照度、環境溫度、負載等變化而變化的不穩定直流電，還不能滿足用電負載對電源品質要求，因此需要應用電力電子技術對其進行直流-直流（DC-DC）或直流-交流（DC-AC）變換，以獲得穩定的高品質直流電或交流電供給負載或電網。

一、典型光伏發電系統的基本結構

光伏發電系統分為獨立光伏系統和并網光伏系統。

獨立光伏發電也叫離網光伏發電，主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負載供電，還需要配置交流逆變器。

并網光伏發電就是太陽能組件產生的直流電經過并網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電之后直接接入公共電網，可以分為帶蓄電池的和不帶蓄電池的并網發電系統。

帶有蓄電池的并網發電系統具有可調度性，可以根據需要并入或退出電網，還具有備用電源的功能，當電網因故停電時可緊急供電。帶有蓄電池的光伏并網發電系統常常安裝在居民建筑；不帶蓄電池的并網發電系統不具備可調度性和備用電源的功能，一般安裝在較大型的系統上。并網光伏發電有集中式大型并網光伏電站，一般都是國家級電站，主要特點是將所發電能直接輸送到電網，由電網統一調配向用戶供電。但這種電站投資大、建設周期長、占地面積大，還沒有太大發展。而分散式小型并網光伏，特別是光伏建筑一體化光伏發電，由于投資小、建設快、占地面積小、政策支持力度大等優點，是并網光伏發電的主流。[2]

二、光伏直流變換電路

光伏直流變換電路的主要功能是：實現“最大功率點跟蹤（MPPT）”，即：隨著天氣（輻照度、溫度）變化，實時調整負載的伏安特性使其相交于光伏電池伏安特性的最大功率輸出點處，降低負載失配功率損失。

光伏電池是一種輸出特性迥異于常規電源的直流電源，對電壓接受型負載（如蓄電池）、電流接受型（如永磁直流電動機）、純阻性負載3種不同類型的負載，其匹配特性也迥然相異光伏直流變換電路主要有脈沖寬度調制（PWM）和脈沖頻率調制（PFM）兩種方法，其中PWM為常用控制方法。光伏直流變換器主電路分直接變換和間接變換兩大類，直接變換有Buck（降壓）變換器、Boost（升壓）變換器等，間接變換有單端正激變換器、單端反激變換器等，其中Buck變換器、Boost變換器主電路是最基本的變換器拓撲，由此可派生出多種組合結構。

Buck變換器主電路如圖所示，VT、VD、L、C 組成降壓斬波器，調節開關管VT的開通占空比可調節負載電壓，以調節光伏陣列工作點。

Boost變換器主電路如圖所示，L、VT、VD、C組成升壓斬波器。當開關管VT開通時，L儲能；開關管VT關斷時， L所儲磁能轉化成的感應電壓與光伏陣列輸出電壓串聯相加向負載供電，開關管VT的開通占空比增大時輸出電壓增大。適當調節占空比，可調整光伏陣列輸出電壓，使其處于最大功率點電壓，且該電路可將光伏陣列輸出電壓升高。

三、光伏逆變電路

1.“逆變”是將直流電變換為極性周期改變的交流電。離網型光伏發電系統中的逆變器多采用電壓源型逆變器。隨著全控型電力電子器件和脈寬調制技術的進步，采用橋式主電路、以標準正弦波作為PWM調制波的正弦脈寬調制（SPWM）技術是目前應用最廣泛的電壓源逆變器控制技術，為了使逆變器輸出電壓濾波后盡量正弦化，出現了選擇性消諧波等優化的PWM技術。在此基礎上，進一步出現了以控制輸出電流正弦化為目標的電流瞬時值滯環跟蹤PWM控制技術和針對三相橋式電壓型逆變器的電壓空間矢量PWM（SVPWM ）技術。SVPWM具有直流電壓利用率高、動態響應快、開關損耗低、輸出電壓波形的總諧波畸變率低等優點，在三相電壓型逆變器控制中的應用日益廣泛。

2.按控制方式分類，有電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制4種方法。以電流源為輸入的逆變器，其直流側需要串聯一大電感提供較穩定的直流電流輸入，但由于大電感往往會導致系統動態響應差，因此當前世界范圍內大部分并網逆變器均采用以電壓源輸入為主的方式。

3.按照逆變器與市電并聯運行的輸出控制可分為電壓控制和電流控制。如果逆變器的輸出采用電流控制，則只需控制逆變器的輸出電流以跟蹤市電電壓，即可達到并聯運行的目的。由于其控制方法相對簡單，因此使用比較廣泛。

綜合以上所述原因，光伏并網逆變器一般都采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式。典型逆變電路有：單相直接逆變系統、半控橋逆變技術系統、多DC-DC（MPPT）逆變系統，

參考文獻

[1]《電力電子技術》人民郵電出版社 徐麗娟主編

[2]《電力電子技術》機械工業出版社 王兆安主編