蔡宏程

摘 要：在人类社会快速发展的过程中，传统能源如煤炭、石油等被不断开采，其数量已经变得十分有限。然而，社会经济的快速发展给传统能源带来的压力正变得愈来愈大。以中国为例，尽管目前中国传统能源储量较为丰富，但一次能源储量远低于世界平均水准，仅为世界总储量的10%。在如此严峻的能源压力背景下，开发新能源受到了全球各国的密切关注。太阳能是人类取之不尽的可再生能源，具有清洁性、安全性、广泛性及长寿命等特点。光伏发电正是基于太阳能的新型发电技术，它主要是通过半导体界面的光生伏特效应，把光能转变为电能。近年来，我国光伏产业发展迅速，光伏发电站数量正变得愈来愈多，光伏发电站在电力系统当中的地位正在不断提升。基于此，文章对光伏发电相关技术进行了综合性阐述，并提出了一系列观点，以供参考。

关键词：光伏；发电；电路；变换器

1 光伏发电概述

光伏发电的主要原理为半导体的光电效应。当光子照射于金属上时，其能量会被金属当中的电子吸收。当电子所吸收的能量足够大时，可有效克服金属内部引力，并从金属表面脱离出来成为光电子，此时半导体与金属结合的不同部位便会产生电位差，便会形成电压。也就是说，光伏发电是光子转变为电子、光能量转变为电能量的过程[1]。

从电力生产发展趋势来看，推广光伏发电具有其必然性。我国是一个典型的能源生产大国，但同时也是能源消耗大国，人均能源占有率远低于世界平均水准。同时，在能源消费结构上，我国与其他发达国家相比存在较大的差异，调整空间巨大。在这种背景下，国家对优化能源消费结构愈来愈重视，于“十二五”期间提出了能源结构调整目标，其重点在于非石化能源比重增加及碳减排两个目标，从而形成低排放、低污染、低能耗的新型经济形态。在这种背景下，生物质能、风能及太阳能等可再生资源得到了广泛关注。其中太阳能是常见能源中一次性转换效率最高的能源，优势十分明显，是未来能源发展的重要方向。正是基于太阳能的这种特性，光伏发电有了巨大的发展空间，并逐步得到推广，部分地区已经构建成了较为成熟的光伏发电站。

2 光伏发电系统结构分析

光伏发电系统主要分为两种，即并网式光伏发电系统及独立式发电系统。在偏远或无电网地区独立式发电系统的应用较为广泛。在实际运行过程中，由于太阳能电池发电量会受到环境、光照等影响，因此，在獨立式发电系统当中会配备一些电能存储装置如蓄电池等。相对于独立式光伏发电系统而言，并网式光伏发电系统应用范围更广。它是由光伏阵列、控制器及逆变器构成，具体结构如下图1所示：

并网式光伏发电系统主要是通过逆变器与电网相连，在逆变器的作用下将电能直接输入至公共电网。部分系统为了实现电能峰谷调配，也会加入一定的电能存储装置。控制器可对光伏阵列当中的最大功率点进行跟踪，并对逆变器并网的功率及波形进行动态调控，以保证电能能够稳定地输入至电网当中[2]。

3 光伏电池原理分析

光伏阵列是整个并网光伏发电系统的核心构件，承担了不可替代的作用。光伏阵列是由若干个光伏电池所构成。光伏电池类型较多，主要包括单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池、非晶硅光伏电池，另外还有铜铟硒光伏电池、砷化镓光伏电池、聚合物光伏电池等。其具体发电原理如下图2所示。

结合图2来看，光伏电池属于典型的不加偏置的PN结器件。当入射光子能量超过临界值时，半导体当中的原子会将光子能量吸收并产生空穴电子对。受势垒区内建电场作用，图2中P区光电子会逐渐进入N区，并且在N区边界形成累积。N区光生空穴则会进入P区，逐渐在P区边界累积。在这种情况下，P区域N区之间便会形成光生电动势，其方向与电场方向相反。光生载流子运动过程中，部分空间电荷被中和，会让PN结势垒降低，并产生正向注入。当正向电流IF与光生电流IL大小一致时，便会形成一个电压，即P区与N区之间存在一个相对电压，这就是光生电压。只要保持光照状态，并接通外电路，电流便持续性地流过负载R，该效应便是光伏效应，即光伏电池发电原理。

并网光伏发电系统主要电能来源为光伏阵列。光伏电池单元是光伏阵列当中的最小单元，一般不会用作独立电源。将光伏电池单元进行串、并联封装后，并能够获得光伏电池组件，其功率为几瓦至几百瓦不等。将在这些光伏电池组件按照一定方式组合，便能够得到光伏电池阵列。光伏电池阵列具有非线性特征。受到自然因素影响，光伏电池阵列的光强会不断改变。要实现输出功率最大化，就需要对光伏阵列的最大功率点进行跟踪。常见的方法包括以下几类：

（1）恒定电压控制。当温度条件一定，而光照强度存在差异时，光伏电池输出曲线的最大功率数值几乎处于一条垂直线附近。只要保持光伏电池阵列输出电压为某一常数且与某一光照强度下光伏电池阵列最大功率点的电压相同，就能够让光伏电池在该温度条件下输出最大功率。也就是说，将最大功率点跟踪简化成了恒电压跟踪。该方法控制过程较为简单，易于操作，具有较好的稳定性，与直接耦合的光伏系统相比，能够多获得将近20%的电能。但该方法无法对温度条件进行控制。以单晶硅光伏电池为例，当电池温度升高时，其开路电压会有所下降，这就意味着最大功率点所对应的电压也会随着电池温度的变化而出现变化。这样便无法完全跟踪光伏电池列阵最大功率点，会让系统功率出现一部分损失。

（2）电导增量法。对于功率P存在P=IV。对该式两端V进行求导，可得：dP/dV=d（IV）/dV=I+V（dI/dV）。当dP/dV>0时，V小于最大功率点电压Vmax；当dP/dV<0时V小于最大功率点电压Vmax；当dP/dV=0，V等于最大功率点电压Vmax。将以上三种情况代入上式可得：

当V-I/V；

当V>Vmax时，dI/dV<-I/V；

当V=Vmax时，dI/dV=-I/V；

这样便能够结合dI/dV与-I/V之间的关系对工作点电压进行调整，以实现最大功率跟踪。该方法相对于恒定电压控制具有一定的优势，即便光照强度出现变化，光伏电池阵列输出电压也能够以较为平稳的变化状态来追随光照变化。同时，稳态电压震荡较小。但该方法可能会导致整个系统稳定在一个局部最大功率点，并且该方法实施过程中对相关硬件要求较高，特别是传感器要具备较高的精度，才能让系统作出快速响应。

（3）扰动观察法。该方法主要是在各控制周期通过较小的步长对光伏电池陣列输出进行调整。所改变的步长为定值，其方向既可以是增加，也能够是减少。控制对象是光伏电池的输出电流或电压。通过对比干扰前后的光伏电池输出功率，对干扰方向进行调节，让系统始终能够保持在最大功率点上进行输出。该方法测定参数较少，且传感器精度要求不高，容易实现。但跟踪步长无法兼顾精度与速度，当外部环境出现突发性变化时，可能存在误判。并且光伏电池阵列只能在最大功率点附近震荡运行，会造成一定功率损失。

4 DC/DC变换器的特征分析

DC/DC变换器是光伏发电系统当中重要的组件之一。它主要是通过控制半导体开关，并配合电容、电感等器件来对输出直流电压进行控制。与一般的DC/DC变换器相比，光伏发电系统当中的DC/DC变换器具有一定的差异性，主要表现为以下几个方面：（1）控制方式差异。传统DC/DC变换器需要电压保持在可控状态，在进行闭环控制过程中，其反馈信号主要为输出电压。也就是说，需要借助输出电压来判断系统的运行状态。在光伏发电系统当中，为了兼顾最大功率点跟踪，DC/DC变换器需要将光伏电池输出电压控制在最大功率点附近，其反馈信号为输出功率或输入功率。（2）控制芯片差异。传统DC/DC变换器主要通过专用芯片进行控制，整个控制过程较为简单。在光伏发电系统当中，由于需要进行最大功率点跟踪，因此整体算法较为复杂，其控制芯片多为单片机或DSP。（3）输入功率。当负载为定值时，传统DC/DC变换器输入功率基本上能够维持稳定状态，保持不变。而在光伏发电系统当中，受光照强度影响，光伏阵列输出功率会不断发生变化，DC/DC变换器的输入功率自然也会随之产生变化。

5 光伏发电相关电路特征分析

5.1 BOOST电路

BOOST电路是光伏发电系统当中一种常见的电路结构。BOOST电路主要是以电感电流方式向负载发电，从而实现负载电压升高。BOOST电路电感存在于电路输入端。电感上的纹波电流大小可接近于平滑的直流电流。所以在实际应用过程中，BOOST电路只需并联较小的无感电容即可，甚至可以不加电容。BOOST电路整体结构较为简单，具体如下图3所示：

由于功率开关管一端接地，因此相关驱动电路设计得到了简化。但BOOST电路输入端电压较低，在功率为定值的情况下，输入电流会明显上升，所以电路损耗相对较大，这会对电路转化效率产生一定影响，并且BOOST电路只能进行升压变换。然而，带耦合电感的交错并联Boost电路则能够克服普通BOOST电路的一些缺陷。在基础BOOST电路上增加两个独立电感L1及L2，从而形成耦合电感，利用其漏感便可解决二极管反向恢复问题，从而降低方向恢复损耗。在电流连续工作的情况下，电路整体效率能够得到提升。但是，功率开关承受的电压为整个输出电压，因此高压环境对功率开关管的要求较高，具体如下图4所示：

图4 带耦合电感的交错并联BOOST电路示意图

TL-Boost电路较上述两种BOOST电路具有更好的性能。该类型电路能有效克服一般Boost电路在高压、大功率应用环境下功率管电压应力高、变换器效率低的缺陷。功率开关管仅需承受1/2的输出电压，整体耐压要求明显降低，有利于器件选型。根据对称性原理，将总的BOOST电感平均分为了两个相同的部分，分别置于输入电压反向端与正相端，具体结构如下图5所示：

5.2 BUCK电路

一般情况下，BUCK电路输入端电流会处于断续状态。若将其直接与光伏阵列连接，光伏阵列会出现输出电流不连贯的情况，此时光伏系统便无法达到最佳运行状态。所以需要将储能电容与光伏电池阵列输出端连接，以此来保证光伏电池阵列能够保持连续输出电流的状态，如下图6所示：

当功率器断开时，光伏电池阵列便能够对电容进行充电，此时系统处于发电状态。通过调节占空比，让光伏电池阵列输出平均功率，并实现最大功率跟踪。BUCK电路结构较为简单，功率开关管输入电流较小，整体线损较低，电路转化效率较高。但由于BUCK电路输入端与储能电容并联，在大功率状态下，储能电流会不断进行充放电，长期运行会对其工作稳定性产生影响。同时，BUCK电路只能用作降压变换。在功率为定值的情况下，光伏电池串联数量更多，可能会导致局部热斑，这会影响光伏电池的使用寿命。

6 结束语

光伏发电是未来我国电力事业发展的重点方向之一。除了光伏并网发电系统外，分布式光伏发电系统也具有较好的前景。将分布式发电与微电网结合，不但能够就地提供电力资源，而且可用于电网调度，还能提供调压、调频等辅助服务，可从侧面保障电力系统的应急备用能力及供电安全。在电力改革背景下，光伏发电会不断普及，其发展空间是巨大的。

参考文献

[1]张立文，张聚伟，田葳.太阳能光伏发电技术及其应用[J].应用能源技术，2010（03）：4-8.

[2]周翔.光伏发电技术发展趋势及其应用研究[J].河南科技，2010（20）：1-2.