基于光伏發電系統中直流輸電技術研究

裴堯

摘 要：如今，光伏發電技術逐漸成熟，直流輸電是實現大容量、遠距離、高電壓及其區域電網互聯的重要技術。特高壓直流輸電大容量、遠距離、低消耗屬性被比喻為“電力高速公路”，對于大規模新能源發電具有重要意義。我國的水力發電主要集中在西南地區，而太陽能、風能發電主要集中在北部、西部地區。如果要想將西電東送、節約能源、更充分地利用清潔能源，只有選擇特高壓才能實現清潔能源的大規模、大范圍地輸送和接納。光伏發電的第一關鍵是產生直流電，然后再進行轉變交流。因此，展開直流輸電技術研究是非常必要性的。

關鍵詞：光伏發電；直流輸電；boost電路

引言

光伏發電的主要原理是半導體的光電效應。光子照射到金屬上時，它的能量可以被金屬中某個電子全部吸收。電子吸收的能量足夠大，能克服金屬內部引力做功，離開金屬表面逃逸出來，成為光電子。當P型和N型半導體結合在一起時，接觸面就會形成電勢差，成為太陽能電池。當太陽光照射到P-N結后，空穴由P極區往N極區移動，電子由N極區向P極區移動，形成電流。其有以下優勢及其特點：

（1）可靠性：不管外界環境和季候多么惡劣，太陽能光伏發電系統出現故障的概率都很低。因此，太陽能光伏發電系統可以提供可靠性高的電能。

（2）耐用性：如今，光伏電池組件的出產質量都能保證性能在10年以上正常，一般均可發電25年及更長的時間。

（3）檢修費用低、無污染、安裝靈活、安全性、獨立自主。

1 光伏直流輸電特性

一般光伏發電用直流輸送電能，對電壓要求都較高。在光伏發電系統中，光伏陣列輸出直流電后，經過DC/DC升壓電路后，可以將電壓升高到千伏以上，能夠達到高壓的目的。在本文的研究中，光伏陣列在輸出直流電后，經過boost升壓電路。由U0=■E，當占空比D取0.5-0.8之間時候，電壓可以增加2-5倍。由光伏組件相關產品顯示的參數可知，一個20瓦的光伏組件在最大功率點時，電壓為17.2V。假設一個很小的光伏陣列由40個這樣的組件串聯，當達到最大功率點時，電壓值為688V。經過boost電路升壓后，直流電壓范圍為1376-3440V。這個小的光伏陣列的電壓數量級已經達到千伏以上，具有高壓直流輸電的特點。能夠提高光伏發電系統的容量，降低輸電的成本及其損耗，帶來直接的經濟效益。

2 boost電路的直流升壓系統

2.1 光伏發電系統中boost電路的工作原理

在太陽能光伏發電系統中，要想光伏陣列的輸出電壓達到逆變需要的直流電壓等級，就必須通過DC/DC升壓電路一級一級地升壓。在大容量光伏發電系統中，采用boost變換器，控制策略相對簡單、效率高。Boost變換器具有損耗單元較少的特殊性能，因此能夠大量使用，同時能夠通過調節D來獲取最大功率。Boost變換器是在光伏發電系統中，最大功率跟蹤的理想器件。如圖1所示。

當d（三極管）導通時，光伏電池輸出直流電壓（E）向電路中L充電，充電電流保持I1不變，同時C向負荷提供電壓。因電容值很大，U0為恒定不變。設ton是開關打開時間，EI1ton為L上在ton時間段的儲能；當d關斷時，負載R的電能由E和L共同對C充電來供電。toff為d關閉的時間。則在ton時間段L放出的電能為：EI1ton=（U0-E）I1toff。L在一個穩態周期中的能量守恒，得：

由上述表達式，toff

2.2 光伏發電系統中boost電路參數的選擇

在光伏發電系統中，經過光伏電池輸出的直流電，經boost電路后得到升高的電壓，電路中的電感和電容起關鍵性作用：L經過電壓源蓄能之后，具有使電壓上升的效果，電容C將輸出電壓保持住。因此，DC/DC變換器中，對電感和電容的要求相應較高。

（1）電感的選擇。在開關元件T接通期間，L電流增量為△iL （+）：

其中：L為電感，D為占空比，T為三極管的周期，Us為光伏電池輸出電壓。

忽略內部損耗時，由功率守恒，即有：P0=Ps。其中，Ps和P0分別表示輸出的功率和輸入的功率：

其中：US、IS、U0、I0分別為光伏電池輸出電壓、電流，boost電路輸出電壓和電流。可以推出：

為了使電路中有連續電流，電感中電流的臨界值為△iL：△iL=2IS

電感滿足條件：

因為開關管的峰值電流等問題，這里取紋波電流為：△I■1.4IS

綜合上式可得到電感值為： ，其中f為開關頻率。

（2）電容的選擇在連續的模式下，假設二極管的電流全部流進電容器，△Q為每一個開關周期電容充電或放電的電量，則：△Q=I0DT

由△Q形成的紋波電壓可表示為：

可計算得在電感電流連續模式時，指定紋波電壓限值，需要的電容值為：C？叟■

光伏陣列輸出的直流電，經逆變之后，根據并網原則，由系統容量來判定接入電網電壓的等級，最終接入大電網。

3 結束語

文章從光伏發電前端直流輸電入手，主要針對光伏發電系統中由光伏陣列輸出直流電之后，輸送到逆變器的過程中電能的處理方式進行了研究。通過對大容量光伏發電系統的前端直流輸電的特性和直流輸電的結構、boost電路的原理及其參數選擇進行的分析和研究。進一步說明了在光伏發電系統中采用直流輸電技術的優勢。

參考文獻

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