太陽能光伏發電系統研究

王林川，高云鵬

(東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

1 光伏發電系統發展的迫切性

進入21世紀后，隨著人類工業化文明的日趨發展，能源問題越來越受到重視和關注，電力的需求量也隨之增長，其中火電、水電、核電等占了很大的比重［1－3］。我國發電的主要來源仍是火力發電，但火力發電需要燃燒大量的煤炭、石油等化石燃料，造成了資源的匱乏和環境的破壞。隨著不可再生能源的大量開采與利用，使人類面對的能源危機問題日趨嚴重。太陽能取之不盡、用之不竭，低成本、高效益，尤其具有極高的清潔性，越來越受到關注［4－6］。合理利用太陽能等可再生能源發電是解決能源危機和環境污染問題的一種有效方法，對可持續發展具有極其重要的意義。

光伏發電技術是將太陽輻射能轉化為電能的新型發電技術。隨著科學技術的不斷進步，光伏組件材料的價格也隨之不斷降低，光伏發電越來越明顯地顯現出其經濟效益和可利用的社會價值，使其作為緩解能源壓力和改善環境的重要戰略引起發達及發展中國家重視。

太陽能光伏發電具有以下優點［7－9］:

1)無污染，無排放廢棄物，無輻射。

2)資源廣泛，不受地域限制，只有區域間太陽能資源豐富的差別。

3)方便靈活，光伏電池可按需求增多或減少，擴容方便。

4)獨立光伏發電系統可解決偏遠地區長期用電難的問題。

但是，太陽能光伏發電也存在諸多問題:

1)易受環境的影響。光照的不穩定性和間歇性造成了光伏出力具有波動性和不可控性，導致無法制訂特定的發電計劃。

2)電壓穩定問題。光伏發電的不確定性和不可控性使并網時系統母線電壓越限，產生電網電壓波動等問題。

3)易受外界條件的影響。外界條件的變化將使系統工作不穩定，尤其當系統中負荷變化時更為嚴重。

為解決光伏發電系統產生的諸多問題，各國科技工作者從提高光伏發電系統的發電效率、降低成本、增大發電容量、保證系統的穩定性和可靠性等方面進行了有效研究，并合理地將一些理論研究成果運用于光伏產業中。

光伏發電技術幾十年來的發展歷程，呈現出如下發展趨勢:晶體硅光伏電池光電轉換效率和生產技術水平持續提高;隨著晶體硅光伏電池硅片厚度的不斷降低，硅材料消耗不斷減小，光伏電池生產成本大幅降低;CdTe、非晶硅、CIS等薄膜光電池已逐步進入市場，薄膜光伏電池的市場份額將快速增長;多晶硅薄膜光伏電池的光電轉換效率不斷接近晶體硅光伏電池，成本遠低于晶體硅光伏電池，發展前景廣闊;疊層、量子點、多能帶、熱光伏、多載流子等新一代光伏電池將克服第一代硅光伏電池成本高、第二代非晶硅等薄膜光伏電池光電轉換效率低的問題，且有原材料豐富、無毒等優點;光伏發電產業專用設備和儀器制造技術不斷進步，光伏電池生產規模及生產能力快速增長，光伏模塊價格大幅降低。

2 光伏發電系統的發展

在過去的十年間，光伏產業的發展速度十分驚人，并成功躋身到世界上發展最快的產業隊伍中。2012年世界太陽能電池的產量為10.7 GW，比2011年增長了35%，而世界太陽能電池的年增長率已經連續10 a超過30%，全世界的太陽能電池產量都呈現出快速增長的趨勢。表1所示為2005年至2012年期間世界太陽能電池的歷年產量和年增長率。

表1 世界太陽能電池的歷年產量和年增長率Tab.1 Production over the years and the annual growth rate of the world solar cell

目前，全世界近100個國家都投身于開發和利用太陽能電池的浪潮中，并積極生產各類相關的節能產品［10－12］。圖1所示為2005年至2012年期間世界各地太陽能電池的年產量。

由于目前光伏發電的成本還是很高，世界各發達國家都制定了激勵政策來刺激光伏發電市場。德國首先實施“上網電價”光伏發電激勵政策，取得了明顯的成效，十萬屋頂計劃順利實施，連續多年光伏發電的安裝量位居世界第一。繼德國之后，西班牙、意大利、法國、荷蘭等歐洲國家紛紛效仿，先后出臺各自的上網用電政策。美國對于光伏發電的激勵政策主要有“上網電價”補貼、初投資補貼、稅收優惠和“凈電表”等方法。而日本主要實行安裝光伏發電系統時對初投資進行補貼，類似于美國的《凈電表計量法》［13－15］。

由圖1可以看出，我國已經成為生產太陽能電池的主要力量。我國太陽能電池產業形成了一定的聚集態勢，并在個別地區形成了獨具特色的光伏產業集群。然而，我國光伏產業的發展仍面臨“兩頭在外”的困境，在國內大規模推廣光伏發電技術尚存在一定的困難，主要原因在于:技術水平不強，設備不夠先進，與發達國家相比存在明顯差距，原材料不足，生產規模小等。隨著其他能源利用形式的逐漸飽和，光伏發電勢必將成為主流能源利用形式。因此，我國政府十分重視光伏能源的發展，近些年來頒布了多個與可再生能源法相關的配套政策來刺激和推動光伏發電產業的發展。2008年國家電力監管委員會頒布了《電網企業全額收購可再生能源電量監管辦法》，強調電網企業必須按照《可再生能源法》的原則有限收購可再生能源發電量;隨后電監會能源辦又共同發布了《節能發電調度辦法(試行)》，提倡優先調度可再生發電資源，進一步明確了我國可再生能源的發展目標。2020年中國光伏發電的具體規劃目標如表2所示［16－17］。

3 光伏并網系統研究現狀

3.1 光伏并網系統的組成

根據光伏系統是否并網，可將其劃分成兩種形式:離網光伏系統和光伏并網系統。離網光伏系統是指一種獨立運行的系統，它沒有連接到大電網中，因此離網光伏系統通常用來服務于一些地址偏遠、用電不方便的地區。直流系統、交流系統和混合系統是離網光伏系統的三種主要形式。

表2 中國2020年光伏發電的具體規劃目標Tab.2 Planning objectives of China photovoltaic power generation in 2020

光伏并網系統通常可以看作是大電網的組成部分，它可以傳輸有功功率和無功功率到與之相連接的電力系統中。按照有無儲能裝置，光伏并網系統可分為有儲能裝置光伏并網系統和無儲能裝置光伏并網系統。根據功率級別和光伏陣列的分布情況，可將光伏并網系統分為集中型大型光伏并網系統和分布式小型光伏并網系統。光伏并網發電就是利用并網逆變器將光伏系統連接到大電網中，將光伏系統所產生的電能傳輸到大電網中，由電網進行分配，為當地的負荷供電。隨著對系統穩定運行要求的逐步升高，光伏并網發電已成為當今社會光伏發電系統主要采用的運行方式［18－20］。

3.2 光伏并網系統的控制

光伏并網控制系統主要由光伏組件、變換器、逆變器和控制器構成。隨著科學技術的日益進步及對光伏并網系統了解和認識的日益成熟，人們逐漸能夠將某些先進的控制算法應用到光伏并網系統的控制中。由光生伏特效應的原理可知，光伏電池會根據外界陽光的照射產生光生電流，通過合理的控制來調節變換器的占空比，進行阻抗匹配，便可使系統工作在最大功率點，光伏組件輸出最大功率;控制器對并網逆變器進行合理控制，可以讓逆變器的輸出電流跟蹤電網電壓波形。因此光伏并網系統的控制主要分為光伏并網最大功率點跟蹤控制和光伏并網逆變器控制［21－22］。

3.2.1 光伏并網最大功率點跟蹤控制

最大功率點跟蹤控制(MPPT)，就是利用一定的控制技術來尋求光伏電池的最優工作狀態，使系統能夠保持最大功率輸出。實現光伏最大功率點跟蹤控制需要滿足兩個條件:1)選擇適當的變換電路作為光伏最大功率點跟蹤控制的主電路;2)通過適當的最大功率跟蹤控制算法來控制變換器的占空比，從而達到跟蹤最大功率點的目的。當前國內外常用的MPPT控制算法主要有:定電壓跟蹤法、短路電流比例系數法、擾動觀測法、電導增量法、電流掃描法、差值計算法、神經網絡法、模糊邏輯控制法、滑模控制法以及綜合控制算法等［23－24］。3.2.2 光伏并網逆變器控制

光伏并網逆變器實現并網的主要條件是逆變器輸出三相交流電，其諧波含量在規定范圍內，能夠很好地跟蹤到電網電壓波形，保持與電網電壓同頻同相，并且以單位功率因數向電網輸送有功功率。因此，能否實現友好并網主要取決于對并網逆變器的控制，如何控制并網逆變器獲得良好的輸出電流波形成為逆變器領域研究的熱點。人們將各種各樣的控制理論，比如PID控制、滯環電流控制、自適應控制、模糊控制、重復控制等引入到并網逆變器的研究中。由于每一種控制方法都存在一定的優點，同樣也存在一定的缺陷，將兩種或者兩種以上的控制方法有機結合，取長補短，實現算法互補，成為當下光伏并網系統控制研究的趨勢。

4 帶儲能的光伏發電系統

在光伏發電系統中，由于受到外界條件的變化導致系統產生的電能不能一直達到負載所需。為了解決此問題，使光伏發電可以持續可靠地向負載提供電能，光伏發電系統需要配備一定容量的儲能裝置進行能量調節。儲能裝置的作用主要有:

1)在保證光伏發電系統可靠性的前提下，保證其持續性。光伏陣列不可能持續產生電能，例如在光照強度很弱、夜晚無光照等情況下，為使負載可以正常使用，需要儲能裝置釋放電能，由儲能單元補充提供負載部分電能，通過這樣的方式，便能確保系統供電的可靠性和持續性。

2)增強系統的穩定性。在光伏發電系統中，當系統受外界影響時，容易導致電壓波動使電能質量下降，因此需要調節系統的電能質量。儲能裝置可以在電能質量的調節中發揮重要作用。當系統出現較大擾動時，儲能裝置可以釋放或吸收短時峰值功率，減少電壓的波動，確保系統的穩定性。

3)增加系統的可調度性。對于小型獨立光伏發電系統，配置一些小容量的儲能單元就可保證系統的持續供電。然而對于一些中大型光伏系統，儲能裝置容量的大小會限制系統供電的持續性，因此光伏發電系統配置越大容量的儲能裝置，越能增加系統調度的靈活性，同時提高了經濟效益。

在傳統并網光伏系統的直流母線上添加儲能元件，即構成了帶儲能系統的并網光伏系統。通過控制儲能雙向變流器電感電流值的大小與流動方向，實現了對儲能元件的充放電;通過儲能元件對電能的儲存和釋放，可以平滑太陽能發電出力波動，解決太陽能發電自身出力的隨機性和不可控性問題，減小太陽能出力變化對電網的沖擊。隨著電力工業發展中存在問題的增多，儲能技術也隨之發展起來。電能本身不能存儲，然而可將電能轉化成機械能、化學能或電磁能等形態實現存儲。根據能量存儲方式的不同，可將儲能方式分為機械儲能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等)、電化學儲能(如鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池等)、電磁場儲能(如超導儲能、超級電容器儲能等)和變相儲能(如熔融鹽儲能、冰蓄冷儲能等)四大類型［24－26］。

各種能源存儲技術在能量密度、功率密度、響應速度和能源系統的大規模存儲能力等方面有不同的表現，而在系統應用的所有方面儲能電源系統也提出了不同的技術要求，很少能有一種儲能技術能夠徹底解決電力系統中產生的各種問題。因此，必須兼顧兩者的需求，選擇合適的存儲方法。各種儲能技術在電力系統中應用的比較如表3所示。

表3 應用于電力系統的儲能技術比較Table 3 Compare energy storage technology applied to power system

5 光伏發電系統的前景展望

目前尚沒有一種非常完美的儲能技術可用于電力系統的各個環節。根據儲能技術的特點、技術成熟度及產業化程度，現階段電池儲能系統是一種比較適合電力系統應用的儲能電源。但電池儲能也有一定的缺陷，其循環次數少、響應速度較慢、易污染環境等缺點已經不能滿足于光發電系統的長期使用。而近些年超級電容器作為新興的儲能元件被廣泛使用，其具有能量密度大、響應速度快的特點，然而，超級電容器不可以長時間儲存能量，又具有一定的局限性。因此利用兩者間的互補性，組建一個混合儲能單元，既可以提高儲能的功率輸出能力，又可以長時間使用，是光伏發電系統未來發展的重要方向之一。

盡管與傳統發電方式相比，目前光伏發電的成本仍偏高，尚不具備大規模商業開發的條件，但以太陽能為主體的新能源將成為21世紀世界能源供應的主體。可以預測，隨著光伏產業的快速發展，光伏發電的成本將不斷下降并逐步逼近傳統發電的成本，從而成為具備競爭能力的可再生能源。

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