2023分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)

分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)目 錄第1章 緒論 11分布式發(fā)電系統(tǒng)的研究概況 11.1分布式發(fā)電系統(tǒng)的基本概念 11.1.2分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 22分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù) 32.1我國(guó)太陽能資源及光伏發(fā)展?jié)摿?31.2.2分布式發(fā)電系統(tǒng)中光伏發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù) 53本書的主要內(nèi)容 6第2章 光伏發(fā)電基礎(chǔ) 81光伏電池的基本原理和等效電路 82.1.1光伏效應(yīng) 82.1.2單體光伏電池的等效電路和電量方程 82.1.3光伏電池陣列 102.2光伏電池的數(shù)學(xué)物理模型和伏安特性曲線 112.2.1光伏電池的數(shù)學(xué)物理模型 112.2.2光伏電池的伏安特性曲線和填充因數(shù) 122.3光伏電池的轉(zhuǎn)換效率及其影響因素 132.3.1光伏電池的轉(zhuǎn)換效率/p>

……………13……………14……………152.3.5環(huán)境因素對(duì)光伏電池?cái)?shù)學(xué)物理模型的修正 152.4陰影條件下光伏陣列的輸出特性 16241熱斑現(xiàn)象分析242多峰現(xiàn)象分析

………………………17………………………182.4.3引起光伏陣列多峰輸出特性的因素 1925光伏電池的分類251按結(jié)構(gòu)分類252按材料分類26光伏系統(tǒng)的組成

…………22…………23…………23…………24ⅧⅧ分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)第2版261獨(dú)立光伏系統(tǒng)262并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

………………………24………………………256.3光伏系統(tǒng)與分布式發(fā)電系統(tǒng) 28第3章 光伏發(fā)電技術(shù)中的電力電子技術(shù) 301DC-DC變換電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略 303.1.1單象限直接DC-DC變換電路 303.1.2多象限直接DC-DC變換電路 343.1.3隔離型DC-DC變換電路 383.1.4DC-DC變換電路的控制技術(shù) 433.2DC-AC變換電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 463.2.1逆變電路基本結(jié)構(gòu) 47322高頻鏈逆變器323多電平逆變器

………………………48………………………553.2.4逆變器的串聯(lián)與并聯(lián) 613.3逆變器的調(diào)制技術(shù) 623.3.1SPWM技術(shù) 633.3.2空間矢量調(diào)制（SVM）技術(shù) 723.3.3諧波注入PWM技術(shù) 773.3.4優(yōu)化PWM技術(shù) 803.3.5多電平變流器和多重化變流器的PWM技術(shù) 893.4并網(wǎng)光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新進(jìn)展 923.4.1并網(wǎng)光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀 923.4.2Z源逆變器 934.3組合型逆變器 98第4章 直流母線分布式光伏發(fā)電技術(shù) 1051直流母線分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 1054.1.1微型直流光伏系統(tǒng) 1054.1.2獨(dú)立直流光伏母線供電系統(tǒng) 1064.1.3并網(wǎng)混合系統(tǒng) 1074.2直流母線分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與交流電網(wǎng)的接口 1074.3直流母線分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制方法 1084.3.1下垂特性控制 1084.3.2電壓水平信號(hào)法 1103.3直流母線信號(hào)法 111第5章 交流母線分布式光伏發(fā)電技術(shù) 1131交流母線分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 1135.2逆變器并網(wǎng)技術(shù) 1155.2.1光伏逆變器并網(wǎng)相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 115目錄Ⅸ5.2.2光伏并網(wǎng)逆變器的交流側(cè)濾波器結(jié)構(gòu) 117目錄Ⅸ5.2.3光伏并網(wǎng)逆變器的控制模式 1185.2.4分布式光伏并網(wǎng)逆變器的功率調(diào)節(jié)技術(shù) 1215.3逆變器并聯(lián)技術(shù) 1255.3.1逆變器并聯(lián)的控制方法 1255.3.2逆變器并聯(lián)的環(huán)流及其抑制 1315.3.3功率計(jì)算方法 1355.4逆變器控制策略 1385.4.1控制策略概述 1385.4.2坐標(biāo)變換法線性控制 1395.4.3非坐標(biāo)變換法線性控制 1455.4.4非線性控制 1544.5并網(wǎng)逆變器直流側(cè)控制 165第6章 光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤 1701光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的基本原理 1706.2恒定電壓控制 1716.3最大功率點(diǎn)跟蹤算法 1726.3.1擾動(dòng)觀察法 1726.3.2三點(diǎn)比較法 1756.3.3電導(dǎo)增量法 1776.3.4二次插值法 1796.3.5自適應(yīng)模糊控制法 1816.4計(jì)及陰影的最大功率點(diǎn)跟蹤方法 1826.4.1傳統(tǒng)方法改進(jìn)的MPPT技術(shù) 1834.2添加硬件電路實(shí)現(xiàn)的MPPT技術(shù) 1846.4.3智能算法 185第7章 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能后備元件及系統(tǒng)集成 1881蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng) 1887.1.1鉛酸蓄電池特性分析 1897.1.2蓄電池充放電控制方法 1917.1.3光伏系統(tǒng)中的充放電技術(shù) 1947.2超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng) 1967.3燃料電池后備系統(tǒng) 1977.3.1燃料電池的基本原理 1987.3.2燃料電池的輸出特性 1987.3.3燃料電池的數(shù)學(xué)模型 1997.3.4燃料電池的控制實(shí)現(xiàn) 2007.4光伏發(fā)電系統(tǒng)集成 202ⅩⅩ分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)第2版7.4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)集成概況 2027.4.2多端口DC-DC變換器 2044.3SST單元介紹 213第8章 分布式發(fā)電系統(tǒng)的綜合管理 2171直流母線分布式發(fā)電系統(tǒng)的能量?jī)?yōu)化管理 2178.1.1DBS能量?jī)?yōu)化管理 2178.1.2變換器控制結(jié)構(gòu) 2188.1.3控制實(shí)現(xiàn) 2208.2含光伏直流微電網(wǎng)系統(tǒng)綜合管理 2218.2.1系統(tǒng)控制 2238.2.2獨(dú)立運(yùn)行模式與模式切換 2248.2.3變流器單元控制 2258.3直流混合網(wǎng)絡(luò)能量的優(yōu)化管理 2278.3.1數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化管理 2278.3.2中心直流微電網(wǎng)的操作方式 2293.3自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 232第9章 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的其他關(guān)鍵技術(shù) 2351光伏并網(wǎng)逆變器的直流分量及共模漏電流問題 2359.1.1直流分量注入的危害、成因及其解決方法 2359.1.2共模漏電流的危害、成因及其解決方法 2409.2孤島效應(yīng)及其檢測(cè)技術(shù) 2489.2.1并網(wǎng)逆變系統(tǒng)孤島檢測(cè)分析 2499.2.2無源檢測(cè)方法 2509.2.3有源檢測(cè)方法 2539.2.4混合孤島檢測(cè)方法 2569.3分布式發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 2609.3.1阻抗分析研究 2619.3.2影響阻抗的因素 2629.3.3系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)量 265參考文獻(xiàn) 268第1章緒 論能源是人類生產(chǎn)、生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，能源的利用推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步和人民生活水平的提高。傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)以化石燃料為主。隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，化石燃料的儲(chǔ)量日益萎縮，面臨枯竭的危險(xiǎn)。有報(bào)告預(yù)測(cè)，現(xiàn)有的石油和天然氣儲(chǔ)量將在50年內(nèi)耗盡，煤的使用也只能維持120年。同時(shí)，化石燃料也對(duì)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生了重要影響，是環(huán)境污染和氣候惡化的元兇。伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，我國(guó)能源發(fā)展也面臨能源供需缺口的加大、石油后備資源不足、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。為了實(shí)現(xiàn)能源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，除了積極實(shí)現(xiàn)常規(guī)能源的高效化、優(yōu)質(zhì)化利用，提高能源利用效率外，還應(yīng)對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生危害的新能源和可再生能源進(jìn)行大規(guī)模的利用。新能源與可再生能源既是近期重要的補(bǔ)充能源，又是未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。開發(fā)利用太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿瓤稍偕茉词墙鉀Q能源危機(jī)的重要途徑之一。由于可再生能源的分散性、多樣性和隨機(jī)性，分布式發(fā)電系統(tǒng)成為可再生能源發(fā)電的必然網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，尤其是對(duì)于單機(jī)容量較低的光伏發(fā)電系統(tǒng)?；诳稍偕茉吹姆植际桨l(fā)電系統(tǒng)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略的重要組成部分。1.1分布式發(fā)電系統(tǒng)的研究概況1.1.1分布式發(fā)電系統(tǒng)的基本概念分布式發(fā)電（DistributedGeneration，DG）作為電力行業(yè)的第二次物質(zhì)革命展現(xiàn)在世人面前。應(yīng)該說，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)分布式發(fā)電的具體含義仍沒有準(zhǔn)確的定義，甚至各國(guó)的叫法也大不相同：在英國(guó)，稱為嵌入式發(fā)電（EmbeddedGenera-tion）；在北美，稱為分散式發(fā)電（DispersedGeneration）；在歐洲和亞洲的部分國(guó)家，叫做非集中式發(fā)電（DecentralizedGeneration）。就一般而言，分布式發(fā)電是指發(fā)電功率在數(shù)千瓦至幾十兆瓦的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發(fā)電單元。分布式發(fā)電可以用來滿足電力系統(tǒng)和用戶特定的要求，如調(diào)峰、為邊遠(yuǎn)用戶或商業(yè)區(qū)和居民區(qū)供電，其特點(diǎn)是電力就地產(chǎn)生、就地消化，也可與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，具有節(jié)省輸變電投資、易PAGE2分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)第PAGE2分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)第2版PAGE3第1章緒論P(yáng)AGE3第1章緒論于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)高效優(yōu)質(zhì)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。分布式發(fā)電系統(tǒng)電源位置靈活、分散的特點(diǎn)極好地適應(yīng)了分散的電力需求和資源分布，延緩了輸、配電網(wǎng)升級(jí)換代所需的巨額投資，同時(shí)它與大電網(wǎng)互為備用，也使供電可靠性得以改善。目前，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已開始廣泛研究能源多樣化的、高效的和經(jīng)濟(jì)的分布式發(fā)電系統(tǒng)。無疑，分布式發(fā)電系統(tǒng)將成為未來大型電網(wǎng)的有力補(bǔ)充和有效支撐。分布式發(fā)電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)之間存在如下的四種方式：方式1為分布式發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行向附近的用戶供電；方式2是分布式發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，但在分布式發(fā)電系統(tǒng)與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)之間有自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置；方式3是分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行，但分布式發(fā)電系統(tǒng)對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)無電能輸出；方式4為分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行，且向當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)輸出電能。不同的運(yùn)行方式具有不同的特點(diǎn)。分布式發(fā)電從系統(tǒng)觀點(diǎn)看問題，將發(fā)電機(jī)、負(fù)載、儲(chǔ)能裝置及控制裝置等結(jié)合，形成一個(gè)單一可控的單元，同時(shí)向用戶供給電能。分布式發(fā)電方式中的電源多為微電源，即含有電力電子接口的小型發(fā)電設(shè)備，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、光伏電池（也稱太陽電池）以及超級(jí)電容、飛輪、蓄電池等儲(chǔ)能裝置。它們接在用戶側(cè)，具有低成本、低電壓、低污染等特點(diǎn)。分布式發(fā)電方式中的微電源既可與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，也可在電網(wǎng)故障或需要時(shí)與主網(wǎng)斷開單獨(dú)運(yùn)行。在接入問題上，入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只針對(duì)其與大電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)（PCC），而不針對(duì)各個(gè)具體的微電源。這不僅解決了分散電源的大規(guī)模接入問題，充分發(fā)揮了分散電源的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，還為用戶帶來了其他多方面的效益。由分布式供能的結(jié)構(gòu)分析可看出，如此靈活的運(yùn)行方式與高質(zhì)量的供電服務(wù)離不開完善的控制系統(tǒng)?？刂茊栴}也正是分布式供能研究中的一個(gè)難點(diǎn)問題。其中一個(gè)基本的技術(shù)難點(diǎn)在于如果微電源數(shù)量太多，很難要求一個(gè)中心控制點(diǎn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做出快速響應(yīng)并進(jìn)行相應(yīng)控制，往往一旦系統(tǒng)中某一控制元器件故障或軟件出錯(cuò)，就可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。因此，分布式供能的控制應(yīng)該做到能夠基于本地信息對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的事件做出自主響應(yīng)，例如，對(duì)于電壓跌落、故障、停電等，發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)利用本地信息自動(dòng)轉(zhuǎn)換到獨(dú)立運(yùn)行方式，而不是像傳統(tǒng)方式中由電網(wǎng)調(diào)度統(tǒng)一協(xié)調(diào)。具體來講，分布式供能的控制應(yīng)當(dāng)保證：任何一個(gè)微電源的接入不對(duì)系統(tǒng)造成影響，自主選擇運(yùn)行點(diǎn)，平滑地與電網(wǎng)并列、分離，對(duì)有功、無功進(jìn)行獨(dú)立控制，具有校正電壓跌落和系統(tǒng)不平衡的能力。1.1.2分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，我國(guó)集中式供電網(wǎng)規(guī)模迅速膨脹。這種發(fā)展所帶來的安全性問題不容忽視，2008年初雪災(zāi)中出現(xiàn)的電力系統(tǒng)事故充分暴露了集中式供電網(wǎng)潛在的安全隱患。另外，由于各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，對(duì)于廣大經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的農(nóng)村地區(qū)來說，特別是農(nóng)牧地區(qū)和偏遠(yuǎn)山區(qū)，要形成一定規(guī)模的、強(qiáng)大的集中式供配電網(wǎng)需要巨額的投資和較長(zhǎng)的時(shí)間周期。因此，能源供應(yīng)嚴(yán)重制約著這些地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而分布式發(fā)電技術(shù)則剛好可以彌補(bǔ)集中式發(fā)電的這些局限性。在我國(guó)西北部廣大農(nóng)村地區(qū)風(fēng)力資源十分豐富，風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用速度迅猛，除自用外，還可送往其他地區(qū)，這種無污染的綠色能源還可以減輕當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境污染。分布式發(fā)電系統(tǒng)中的可再生能源除風(fēng)力發(fā)電外，太陽能光伏電池、中小型水力發(fā)電等都是解決我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)缺電的良好方法。在我國(guó)城鎮(zhèn)，分布式發(fā)電技術(shù)作為集中供電方式技術(shù)不可缺少的重要補(bǔ)充，將成為我國(guó)未來能源領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。就全世界范圍來看，能源利用效率越高、環(huán)境保護(hù)越好的國(guó)家，對(duì)于發(fā)展分布式發(fā)電技術(shù)的推廣應(yīng)用就越熱衷，鼓勵(lì)支持政策越明確。全球范圍內(nèi)，已安裝300萬臺(tái)80000MW的速度遞增。美國(guó)電力科學(xué)研究院研究表明，2010年，25的電能由小于2MWDG裝置提供，DG所占市場(chǎng)份額將達(dá)到20歐盟發(fā)展委員會(huì)也提出到2010年歐盟發(fā)電量中熱電聯(lián)產(chǎn)所占的比例將由目前的918印度2012年利用再生能源發(fā)電比例也將超過10與歐洲國(guó)家相比，在美國(guó)輻射狀電網(wǎng)的應(yīng)用很廣泛，這給技術(shù)上提出了挑戰(zhàn)。這種輻射電網(wǎng)并不適合電力潮流的反向流動(dòng)，特別是對(duì)小型輸電單位，很難處理分布式發(fā)電入網(wǎng)問題。當(dāng)有大量分布式發(fā)電上網(wǎng)時(shí)，需要有高額投資來升級(jí)配電網(wǎng)。1.2分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)1.2.1我國(guó)太陽能資源及光伏發(fā)展?jié)摿μ柲苁亲钪匾目稍偕茉粗?，光伏發(fā)電技術(shù)也是分布式發(fā)電系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。我國(guó)是太陽能資源豐富的國(guó)家，因此光伏發(fā)電技術(shù)在我國(guó)有著廣闊的市場(chǎng)前景。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同的地區(qū)有不同的利用形式。總的來說，有以下三種：①在荒漠地區(qū)，可以構(gòu)建大型光伏電站；②在發(fā)展較好的地區(qū)，可以發(fā)展太陽能光伏建筑；③在偏遠(yuǎn)地區(qū)，可以構(gòu)建獨(dú)立光伏微電網(wǎng)。1.2.1.1荒漠光伏電站，萬，其中主要有塔克拉瑪干沙漠（3376km2），古爾班通古特沙漠（面積488萬km2），巴丹吉林沙漠（443萬km2），柴達(dá)木盆地沙漠（面積349km2）、騰格里沙漠（面積為427萬km2）和庫(kù)布齊沙漠（面積為1.2萬km）等。這些荒漠地區(qū)年總輻射量超過1600kW·h/m2。平均下來，1km100MWp的產(chǎn)能（Wp是太陽電池輸出功率單位，是標(biāo)準(zhǔn)太陽光照條件下，即歐洲委員會(huì)定義的101標(biāo)準(zhǔn)，在輻射強(qiáng)度為1000W/m2，大氣質(zhì)量為AM1.5，電池溫度為25℃條件下，太陽電池的輸出功率）。照此推算，1000km2安裝荒漠光伏電站可達(dá)到100GWp，而這只占我國(guó)荒漠地區(qū)總面積的0.1%?？梢姡覈?guó)發(fā)展超大規(guī)?；哪娬镜臐摿Ψ浅４蟆?010荒漠光伏電站已經(jīng)成為我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略中非常重要的部分。我國(guó)規(guī)劃在年以前建立2或3座10～20MWp的荒漠先導(dǎo)示范電站，總裝機(jī)容量達(dá)到30MWp，以實(shí)驗(yàn)其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的可行性。2010～2020年正式啟動(dòng)我國(guó)開闊地2010（荒漠）光伏電站計(jì)劃，爭(zhēng)取2010～2020年新增光伏電站裝機(jī)容量達(dá)到11970MWp，到2020年底累計(jì)開闊地（荒漠）光伏電站裝機(jī)容量達(dá)到12GWp。從目前我國(guó)的國(guó)力和政策看，荒漠光伏電站應(yīng)靠近主干電網(wǎng)（最好在50km以內(nèi)），以減少新增輸電線路的投資。主干電網(wǎng)具有足夠的承載能力，在不改造的情況下，有能力輸送光伏電站的電力。還應(yīng)靠近距離用電負(fù)荷中心在100km以內(nèi)，以減少輸電損耗；如果附近沒有用電負(fù)荷中心，則最好有大型水電站，可以將光伏電站的電力通過抽水蓄能進(jìn)行轉(zhuǎn)換。1.2.1.2太陽能光伏建筑太陽能光伏發(fā)電在發(fā)達(dá)地區(qū)推廣利用的最佳形式就是與公共電網(wǎng)并網(wǎng)，并且與建筑結(jié)合，即光伏建筑一體化。光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑結(jié)合的早期形式主要就是所謂的“屋頂計(jì)劃”，這是德國(guó)率先提出的方案并進(jìn)行具體實(shí)施。目前，光伏建筑已經(jīng)從單純地將光伏組件安裝在屋頂上，發(fā)展成為將光伏組件作為建筑材料的一部分?，F(xiàn)在通常將光伏組件構(gòu)造成平板狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)和加工滿足建筑材料的基本要求。 2 2m2我國(guó)房屋總建筑面積已經(jīng)達(dá)到億m（城市：億m，屋頂面積約為8億農(nóng)村：億m2，億m2）。1/5上安裝光伏發(fā)電，總安裝容量可達(dá)到（約占2004年我國(guó)電力總量的1/5，年發(fā)電量約120W·h，占全國(guó)總發(fā)電量的7.3%）。國(guó)家規(guī)劃到200年累計(jì)安裝0p，2020年達(dá)到1GWp。目前，已經(jīng)完成MWp級(jí)電站3座。1.2.1.3偏遠(yuǎn)地區(qū)獨(dú)立光伏微電網(wǎng)偏遠(yuǎn)地區(qū)遠(yuǎn)離城市電網(wǎng)，可構(gòu)建獨(dú)立光伏微電網(wǎng)。我國(guó)還有大約28000個(gè)村莊、700萬戶、3000萬人口無電。這些無電人口大都分布在我國(guó)西部地區(qū)和一些海島，其中一些無電村莊使用柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，每日供電2～3h。有些連柴油發(fā)電機(jī)也沒有，只能點(diǎn)酥油燈、煤油燈和蠟燭照明。這些無電地區(qū)有很豐富的太陽能資源，光伏發(fā)電在這樣的地區(qū)有廣闊的市場(chǎng)前景。如果每個(gè)無電村按照10kWp，每個(gè)無電戶按照400Wp規(guī)劃，再考慮到已建電站的擴(kuò)容，則潛在市場(chǎng)大約是3000MWp。按規(guī)劃，2010年以前爭(zhēng)取全部解決西部50戶以上的無電村和15%的散居無電戶的用電問題，新增光伏發(fā)電量為265MWp，累計(jì)用于農(nóng)村電氣化的太陽電池達(dá)到300MWp?？紤]到光伏發(fā)電的低能量密度和隨機(jī)性，光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)邊遠(yuǎn)地區(qū)供電，當(dāng)容量較小時(shí)需配以儲(chǔ)能單元才能獨(dú)立運(yùn)行，或者是幾種能源組成聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，如風(fēng)/光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)、光伏/小型水電站聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)等。22分布式發(fā)電系統(tǒng)中光伏發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于以上各種光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)，不論是需要與主干電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的荒漠電站和光伏一體建筑，還是與儲(chǔ)能設(shè)備和其他能源聯(lián)合發(fā)電的獨(dú)立光伏電網(wǎng)，都具有分布式發(fā)電的特點(diǎn)。在分布式發(fā)電系統(tǒng)中，與光伏發(fā)電相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點(diǎn)有：適應(yīng)光伏發(fā)電的電力電子變換器目前常用的并網(wǎng)光伏逆變器大多采用DCDCAC的雙級(jí)結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)楣夥嚵刑峁┑闹绷麟妷浩毡榈陀谝蟮慕涣鬏敵鲭妷?，而DCAC變換電路中，應(yīng)用最廣泛的全橋逆變器和半橋逆變器均屬于Buck型，瞬時(shí)輸出電壓總低于輸入電壓，只能實(shí)現(xiàn)降壓變換。為此，一般在橋式逆變電路前增加一級(jí)可升壓變換的DCDC變換器，將輸入直流電壓升高。并且，由于光伏陣列的直流電壓典型值比交流電壓峰值低很多，DCDC變換器應(yīng)具有高的電壓增益?？梢杂糜懈哳l隔離的間接DCDC變換器達(dá)到上述要求，這也同時(shí)可以滿足電氣隔離要求。當(dāng)然，也可以在橋式逆變電路后增加工頻升壓變壓器，在提供電氣隔離的同時(shí)，提高電壓等級(jí)。雙級(jí)結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)逆變器雖然能夠靈活適應(yīng)各種輸入輸出電壓指標(biāo)，還具有更高的自由度等級(jí)（即有更多的可控變量），可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種功能（例如電氣隔離、最大功率點(diǎn)跟蹤、無功功率補(bǔ)償、有源濾波等），但功率級(jí)的數(shù)量增多，將降低整體的效率、可靠性和簡(jiǎn)潔程度，增加系統(tǒng)開銷。為此，目前逆變器研究的一大發(fā)展趨勢(shì)，就是直接將多功率級(jí)的系統(tǒng)架構(gòu)整合為單級(jí)系統(tǒng)，即所謂單級(jí)逆變器。儲(chǔ)能元件是光伏系統(tǒng)重要的組成部分。針對(duì)各種儲(chǔ)能元件的特點(diǎn)，找到合適的電力電子變換器結(jié)構(gòu)，也是光伏發(fā)電中重要的研究熱點(diǎn)。研究適應(yīng)光伏發(fā)電的電力電子變換器的重點(diǎn)是使光伏系統(tǒng)在整個(gè)工作范圍內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)高效率、高功率密度和高可靠性的運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其優(yōu)化配置由于包括太陽能在內(nèi)的可再生能源的能量密度低、隨機(jī)性強(qiáng)，所以由其構(gòu)成的分布式發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的集中式發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有顯著的區(qū)別。此時(shí)，應(yīng)根據(jù)對(duì)當(dāng)?shù)乜稍偕茉吹姆植碱A(yù)測(cè)、隨機(jī)性與可用性評(píng)估和負(fù)荷水平評(píng)估，提出基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；研究分布式發(fā)電系統(tǒng)中母線電壓的形式（交流或直流）、大小、頻率（對(duì)于交流形式）等物理量的選擇方法；提出該分布式發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)太陽能光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、多元復(fù)合儲(chǔ)能單元（含飛輪、超級(jí)電容和蓄電池）的容量配置方法，以降低系統(tǒng)成本；研究分布式發(fā)電系統(tǒng)中各種電力電子變換器的配置及其輸入輸出電壓、功率等級(jí)的選擇。分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制由于分布式發(fā)電系統(tǒng)具有多能量來源、多變流器（主要是逆變器）并網(wǎng)的特點(diǎn)，因此必須對(duì)其并網(wǎng)控制進(jìn)行研究。這方面包括針對(duì)具有多能源多并網(wǎng)逆變器的分布式發(fā)電系統(tǒng)，研究其并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)相互耦合影響的機(jī)理和并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制問題；研究獨(dú)立運(yùn)行時(shí)多個(gè)逆變器的電壓和頻率的協(xié)調(diào)控制，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)負(fù)荷的合理分配；研究合適的并網(wǎng)、獨(dú)立控制模式和協(xié)調(diào)一致的切換控制策略；研究柔性并網(wǎng)、暫態(tài)過程以及分布式發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)或本地負(fù)荷的沖擊影響等問題；針對(duì)具有多能源多并網(wǎng)逆變器的分布式發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，開展適合并網(wǎng)逆變器的無盲區(qū)孤島檢測(cè)方法和防偽孤島技術(shù)研究。分布式發(fā)電系統(tǒng)的能量管理針對(duì)分布式能源（DR）的隨機(jī)性、分布式發(fā)電單元的投切、負(fù)載變化、敏感負(fù)載對(duì)供電可靠性和電能質(zhì)量高要求、分布式發(fā)電系統(tǒng)附近配電線路擁塞、分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的供購(gòu)電計(jì)劃等問題，應(yīng)研究分布式發(fā)電系統(tǒng)各種運(yùn)行方式下分布式發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元與負(fù)載之間的能量?jī)?yōu)化，滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求；針對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)和故障解列時(shí)的能量變化，應(yīng)研究分布式發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行方式變化時(shí)的能量調(diào)度策略，滿足分布式發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行方式切換的要求。光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全性和可靠性問題在分布式發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)并網(wǎng)規(guī)范中，對(duì)各發(fā)電單元的端口特性提出了具體的要求。為此，需要分析分布式發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)特性，包括不同分布式發(fā)電單元以及分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)端口特性，穩(wěn)態(tài)情況下主要包括：有功功率、無功功率、電壓、頻率和諧波等特性。考慮到分布式發(fā)電高度隨機(jī)性，還要研究這些特性隨時(shí)間變化的規(guī)律。具體到光伏發(fā)電系統(tǒng)，目前遇到的安全性和可靠性問題包含以下幾個(gè)方面：并網(wǎng)逆變器的直流分量注入問題、光伏并網(wǎng)單元的對(duì)地漏電流問題和孤島及其檢測(cè)技術(shù)問題。3本書的主要內(nèi)容光伏發(fā)電技術(shù)雖然起源很早，但真正得到發(fā)展不過是近十幾年的事情，尤其是在我國(guó)。特別是作為分布式發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分的光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)，更是剛剛開始起步。雖然這方面的研究已經(jīng)取得了一些成果，但還有許多重要的內(nèi)容仍在研究中。本書的主要內(nèi)容是對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電領(lǐng)域一些現(xiàn)有成果的介紹。此外還對(duì)那些正在研究中的相關(guān)技術(shù)也有所提及，但限于作者的認(rèn)知水平，只能是很膚淺的。本書首先介紹了光伏發(fā)電的一些基礎(chǔ)知識(shí)，包括光伏發(fā)電的基本原理、光伏電池（包括光伏電池的工作原理、等效電路、數(shù)學(xué)物理模型和發(fā)電效率及其影響因素）、光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成與功能等。這部分內(nèi)容對(duì)后面章節(jié)的展開有一個(gè)提綱挈領(lǐng)的作用。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與火電、水電等傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)一個(gè)不同的地方就是大量電力電子變換器的應(yīng)用。為此，本書對(duì)各種適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的常規(guī)電力電子變換器進(jìn)行了簡(jiǎn)單、概括的介紹。同時(shí)結(jié)合目前的研究熱點(diǎn)，介紹了光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最新研究進(jìn)展。考慮到解決偏遠(yuǎn)地區(qū)供電問題已經(jīng)成為我國(guó)重要的戰(zhàn)略規(guī)劃，本書專辟一章介紹直流母線分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，并對(duì)其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與優(yōu)化、能量管理及分配、交流電網(wǎng)的連接方式與接口等進(jìn)行了介紹。交流母線分布式發(fā)電系統(tǒng)是包括太陽能在內(nèi)的可再生能源發(fā)電的最佳結(jié)構(gòu)。本書對(duì)其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹和討論。光伏逆變器的并網(wǎng)、并聯(lián)和控制是保證分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定和安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，也是目前相關(guān)研究中的熱點(diǎn)，本書對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行了著重介紹。光伏發(fā)電系統(tǒng)具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和不確定性，其能量形式不是恒定的而是變化的，為了更有效地利用光伏系統(tǒng)能量，必須采取最大功率跟蹤技術(shù)，這也是本書的重要內(nèi)容之一。儲(chǔ)能元件和后備單元是光伏發(fā)電系統(tǒng)重要的組成部分。本書以蓄電池、超級(jí)電容和燃料電池為主，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能和后備單元進(jìn)行了介紹。分布式發(fā)電系統(tǒng)必須具備能量?jī)?yōu)化管理、生產(chǎn)調(diào)度、安全預(yù)警及故障診斷等綜合管理策略。與傳統(tǒng)的集中式發(fā)電系統(tǒng)不同，分布式發(fā)電系統(tǒng)在這方面尚未有統(tǒng)一的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。本書將介紹幾種已經(jīng)在工程實(shí)際中得到驗(yàn)證的綜合管理方案。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種新鮮事物，也面臨一些特殊問題，比如直流注入及對(duì)地漏電流問題、孤島及其檢測(cè)問題、穩(wěn)定性問題等。這些問題的研究雖然取得了一些成果，但還在繼續(xù)研究中。本書介紹了這些方面已經(jīng)取得的最新成果。最后，本書介紹了幾個(gè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)例，希望能為工程技術(shù)人員提供一些實(shí)用性的幫助。第2章光伏發(fā)電基礎(chǔ)光伏發(fā)電的基礎(chǔ)部件就是光伏電池（又稱太陽電池）陣列。太陽光經(jīng)由光伏電池陣列才能轉(zhuǎn)換為電能。因此，在對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)及其在分布式發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行全面介紹之前，本章首先介紹光伏發(fā)電的基礎(chǔ)，主要包括光伏電池的工作原理、數(shù)學(xué)物理模型及光伏系統(tǒng)的基本構(gòu)成等。1光伏電池的基本原理和等效電路2.1.1光伏效應(yīng)太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能。這種把光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器，就是光伏電池。光伏電池的物理基礎(chǔ)是由兩種不同半導(dǎo)體材料構(gòu)成的大面積PN結(jié)，以及非平衡少數(shù)載流子在PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)作用下形成的漂移電流。用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射到半導(dǎo)體PN結(jié)時(shí)，半導(dǎo)體吸收光能后，使其原子產(chǎn)生電子空穴對(duì)，并在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)而分離，電子被送入N型區(qū)，空穴被送入P型區(qū)，從而使N型區(qū)有過剩的電子，P型區(qū)有過剩的空穴。這樣，就在PN結(jié)的附近形成了與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)的一部分與內(nèi)建電場(chǎng)相抵消，其余的使P型區(qū)帶正電，N型區(qū)帶負(fù)電，這種現(xiàn)象被稱為光生伏特效應(yīng)。這樣，P型區(qū)和N型區(qū)產(chǎn)生的光生載流子在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，反向穿過勢(shì)壘，形成光電流。該電流流過外部電路就會(huì)產(chǎn)生一定的輸出功率，如圖2-1所示。12單體光伏電池的等效電路和電量方程實(shí)際中當(dāng)受到光照的光伏電池接上負(fù)載時(shí)光生電流流經(jīng)負(fù)載并在負(fù)載兩端建立起端電壓，這時(shí)光伏電池的工作情況可用圖2-2所示的等效電路來描述圖中把光伏電池看成能穩(wěn)定地產(chǎn)生光電流Iph的電流源（只要光源穩(wěn)定）。其中Rs為串聯(lián)電阻它主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻和電極與硅表面接觸電阻所組成Rsh為旁漏電阻也稱為跨接電阻它是由于硅片邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的。顯然，二極管的正向電流ID（PN結(jié)的總擴(kuò)散電流）IshIL提供，剩余的光電流經(jīng)過Rs，流出光伏電池PAGE11第2章光伏發(fā)電基礎(chǔ)PAGE11第2章光伏發(fā)電基礎(chǔ)10分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)第2版10分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)第2版而進(jìn)入負(fù)載。

圖2-1光伏電池基本原理光伏效應(yīng)描述光伏電池特性的兩個(gè)重要參數(shù)分別是短路電流Isc所謂短路電流就是將光伏電池置于標(biāo)準(zhǔn)光源的照射下，在輸出短路時(shí)流過光伏電池兩端的電流。測(cè)量短路電流的辦法是用內(nèi)阻小于1Ω的電流表接在光伏電池的兩端。Isc與光伏電池的面積大小有關(guān)，面積越大，Isc值越大。一般來說，1cm2光伏電池的Isc約為16～30mA。同一塊光伏電池

2-2單體光伏電池的等效電路其Isc與入射光譜輻射照度成正比。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，Isc值略有上升，一般溫度每升高1℃，Isc約上升78μA?？蛰d電壓Uoc所謂空載電壓就是將光伏電池置于標(biāo)準(zhǔn)光源的照射下，在輸出開路時(shí)光伏電池的輸出電壓，其值可用高內(nèi)阻的直流毫伏計(jì)測(cè)量。光伏電池的空載電壓與光譜輻照度有關(guān)，與電池面積無關(guān)。在100MW/cm2的太陽光譜輻照度下，單晶硅光伏電池的空載電壓為450～600mV，最高可達(dá)690mV。當(dāng)入射光譜輻照度變化時(shí)，光伏電池的空載電壓與入射光譜輻照度的對(duì)數(shù)成正比。環(huán)境溫度升高時(shí)，光伏電池的空載電壓將下降，一般溫度每升高1℃，Uoc下降2～3mV。由上述定義，可列出光伏電池等效電路中各變量的方程式如下：qUDID=I0eAkT-1 （2-1）qUDI I -I

UD=

-I（eqUD-1）-UD

（2-2）L=ph

D Rsh AkT

0Isc

AkT

RshUoc=

qlnI0

+1 （2-3）式中I0為光伏電池內(nèi)部等效二極管PN結(jié)反向飽和電流一般為常數(shù)UD為等效二極管端電壓q為電子電荷，161019Ck為玻耳茲曼常量，086×104eV/K；T為熱力學(xué)溫度；APN結(jié)曲線常數(shù)（1～5）。2.1.3光伏電池陣列以上介紹的是單體光伏電池。單體光伏電池是用于光電轉(zhuǎn)換的最小單元，其尺寸一般為4～100cm2。通常單體光伏電池的工作電壓范圍為0.45～0.50V，工作電流范圍為20～25mA/cm2，一般不能單獨(dú)作為電源使用。為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，須將單體光伏電池進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)并封裝后，構(gòu)成光伏電池組件（是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元）可供使用。光伏電池組件包含一定數(shù)量的光伏電池。一個(gè)組件上，光伏電池的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量是36～40個(gè)（10cm×10cm），這意味著一個(gè)光伏電池組件大約能夠產(chǎn)生16V的電壓，正好能為一個(gè)額定電壓為12V的蓄電池進(jìn)行有效地充電。光伏電池組件具有一定的防腐、防風(fēng)、防雹和防雨功能，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域和系統(tǒng)。當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)合需要較高的電壓和電流，而單個(gè)光伏電池組件不能滿足要求時(shí)，可把多個(gè)組件再經(jīng)過串聯(lián)、并聯(lián)并安裝在支架上，就構(gòu)成了光伏電池陣列，簡(jiǎn)稱光伏陣列，如圖2-3所示。光伏陣列可以滿足負(fù)載所需要的功率要求。由于光伏電池組件具有與單體光伏電池類似的特性，因此單體光伏電池的各電量表達(dá)式同樣適用于光伏陣列。描述光伏陣列的各電量，只需對(duì)光伏電池組件各電量進(jìn)行縮放就可以了，即電壓乘以串聯(lián)數(shù)，電流乘以并聯(lián)數(shù)。圖2-3光伏陣列2.2光伏電池的數(shù)學(xué)物理模型和伏安特性曲線光伏電池本身外部特性具有很強(qiáng)的非線性，在使用時(shí)，溫度、日照強(qiáng)度的變化均可影響系統(tǒng)的伏安及功率-電壓（P?U）特性。式（2-2）是建立在物理原理上的實(shí)際光伏電池的解析表達(dá)式，廣泛應(yīng)用于光伏電池的理論分析中。但由于表達(dá)式中的四個(gè)參數(shù)（Iph、I0、Rsh和A）不僅與電池溫度和光照強(qiáng)度有關(guān)，而且確定十分困難，因此不適合工程上應(yīng)用。為此，需要給出適于工程實(shí)際的光伏電池的數(shù)學(xué)物理模型，并在此基礎(chǔ)上得到其伏安特性曲線。2.2.1光伏電池的數(shù)學(xué)物理模型光伏電池的實(shí)用化表達(dá)式不僅要求體現(xiàn)光伏電池的技術(shù)特性參數(shù)，還要便于計(jì)算機(jī)分析計(jì)算，即由輸入的光伏電池實(shí)際測(cè)量的技術(shù)參數(shù)，通過實(shí)用化方程就能夠再現(xiàn)光伏電池的伏安特性曲線。實(shí)用化表達(dá)式就在式（2-2）的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程化推導(dǎo)，同時(shí)考慮到UD與輸出電壓U的關(guān)系：UD=U+IL·Rs （2-4）IL=Isc1-C1eC2Uoc-1 （2-5IL=Isc1-C1eC2Uoc-1 （2-5 U 1 1式中，C1=I0/Isc；C2= 。ln+11 PAGE12分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)第PAGE12分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)第2版PAGE13第2章光伏發(fā)電基礎(chǔ)PAGE13第2章光伏發(fā)電基礎(chǔ)Im=Isc1-C1eIm=Isc1-C1eC2Uoc-1 （2-6Um Um由于eC2Uoc?1，忽略式（2-6）中-1項(xiàng)，可解出C1e Ime

UmC1=1-I

sc

C2Uoc （2-7）開路時(shí)，IL=0，U=Uoc，將式（2-7）代入式（2-5），有 Im

-UmIL=Isc1-1-IeC2Uoce2-1 （2-8） sc C1由于e2?1，忽略式（2-8）中-1項(xiàng)，可解出C2，有mUmC2=

oc

Im

（2-9）ln1-I

sc因此，利用該模型只需要輸入光伏電池通常的技術(shù)參數(shù)Isc、Uoc、Im和Um，就可以根據(jù)式（2-7）、式（2-9）求出C1和C2，最后由式（2-5）確定光伏電池的伏安特性曲線。2.2.2光伏電池的伏安特性曲線和填充因數(shù)根據(jù)前面的方法，考慮到不同的光照強(qiáng)度，可以得到光伏電池的伏安特性曲線如圖2-4所示。通過該曲線可以看出，光伏電池的輸出電流和輸出電壓均與太陽輻照的通量密度成正比的關(guān)系。不同的光照強(qiáng)度條件下，可得到不同的特性曲線。光伏電池輸出伏安特性曲線與電流軸的交點(diǎn)為短路電流Isc，與電壓軸的交點(diǎn)為空載電壓Uoc。從伏安特性曲線可以看出，光伏電池既非恒壓源，也非恒流源，而是一種非線性直流電源。光伏陣列的伏安特性曲線與負(fù)載

圖2-4光伏電池在不同光照下的伏安特性曲線特性曲線L的交點(diǎn)A、B、C、D和E即為光伏電池的工作點(diǎn)。如果能使工作點(diǎn)移至光伏陣列伏安特性曲線某一點(diǎn)（如圖中A′、B′、C′、D′、E′），使得此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值Im、電壓值Um圍成的矩形面積最大，則稱此點(diǎn)為光伏陣列的最佳輸出功率或最大輸出功率Pm。由此，可以引出表征光伏電池優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)，即填充因數(shù)FF：FF=UmImUocIocFF=

（2-10）式中，F(xiàn)F是評(píng)估光伏電池負(fù)載能力的重要因素。一般而言FF<1，例如常規(guī)的硅光伏電池的FF為0.75～0.8。FF與多方面因素有關(guān)，如電池材料的PN結(jié)曲線常數(shù)A、串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh等電池內(nèi)部因素，以及光照強(qiáng)度、工作溫度等電池外部因素。為了更有助于精確尋找最大功率點(diǎn)，可以根據(jù)伏安特性曲線繪制出圖2-5所示的功率電壓（P?U）特性曲線?？梢钥闯鲈诘竭_(dá)Pm之前，曲線近似為直線線段，隨著U的升高P線性增大。該線段越陡，伏安特性曲線

圖2-5光伏電池的P?U曲線越接近矩形，曲線填充因數(shù)FF越大。此時(shí)對(duì)應(yīng)的光伏電池輸出特性也就越好，電池的光電轉(zhuǎn)換效率就越高。2.3光伏電池的轉(zhuǎn)換效率及其影響因素2.3.1光伏電池的轉(zhuǎn)換效率光伏電池的轉(zhuǎn)換效率是光伏電池的輸出功率P與投射到電池表面上的全部光功率Pin之比，其值取決于工作點(diǎn)，在零和最大功率點(diǎn)處的效率最大值之間變化。通常采用效率的最大值作為光伏電池的效率，即η=UmIm=UmIm×100% （2-11）Pin SAall式中，Aall為電池總的光照表面積；S為光照強(qiáng)度。光照強(qiáng)度的單位為W/m2，在大氣層之外其值最大，為1.37kW/m2，稱為太陽常數(shù)。需要特別注意的是，如果光伏陣列不工作于最大功率點(diǎn)，則其實(shí)際效率都低于按此定義的效率值。影響光伏電池轉(zhuǎn)換效率的因素非常多，比如光的反射作用、材料內(nèi)部的禁帶寬度、填充因數(shù)及雜散電阻等。其中最為重要的有三個(gè)：光譜響應(yīng)、光照特性和溫度特性。2.3.2光譜響應(yīng)太陽光譜中，不同波長(zhǎng)的光具有不同的能量，所含的光子數(shù)目也不相同。因此，光伏電池接受光照射所產(chǎn)生的光子的數(shù)目也就不同。為反映光伏電池的這一特性，需要引入光譜響應(yīng)這一參量。光伏電池在入射光中每一種波長(zhǎng)的光能作用下所收集到的光電流，與相對(duì)于入射到電池表面的該波長(zhǎng)的光子數(shù)之比，叫做光伏電池的光譜響應(yīng)，又稱為光譜靈敏度。光伏電池的光譜響應(yīng)，與太陽電池的結(jié)構(gòu)、材料性能、結(jié)深、表面光學(xué)特性等因素有關(guān)，并且它還隨環(huán)境溫度、電池厚度和輻射損傷而變化。幾種常用的光伏電池的光譜響應(yīng)曲線如圖2-6所示。233光照特性

圖2-6光伏電池光譜響應(yīng)曲線為了研究光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池伏安特性的影響，僅對(duì)改變光照強(qiáng)度而保持其他條件（主要是溫度、大氣質(zhì)量等）不變進(jìn)行研究。圖2-4給出的就是在以上假設(shè)下不同光照強(qiáng)度時(shí)的光伏電池伏安特性，可以看出，光伏電池輸出的最大功率Pm、空載電壓Uoc和短路電流Isc都受到光照強(qiáng)度S的影響，光伏電池的伏安特性曲線和光照強(qiáng)度呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖2-4中所示，短路電流受光照強(qiáng)度的影響比較強(qiáng)烈，而空載電壓對(duì)光照強(qiáng)度的影響則相對(duì)很小。如果進(jìn)行較為粗略的簡(jiǎn)化，可以設(shè)Im∝Isc∝S。而根據(jù)式（2-3），有Um∝Uoc∝lnS。再根據(jù)式（2-11），則有η=UmIm∝lnSS=lnS （2-12）SAall S也就是說，在其他條件不變的情況下，光伏電池的轉(zhuǎn)換效率與光照強(qiáng)度的對(duì)數(shù)近似呈正比，這是光伏電池非常特別并且在實(shí)際使用中非常重要的一個(gè)特性。這表明光伏電池具有相當(dāng)好的部分負(fù)載特性，即光伏電池在帶有部分負(fù)載時(shí)的效率不見得會(huì)比帶額定負(fù)載時(shí)的效率低，這已經(jīng)為實(shí)踐所驗(yàn)證。不過這一結(jié)論有個(gè)前提條件，即要求光伏電池的工作點(diǎn)始終保持在其最大功率點(diǎn)上，這必須通過相應(yīng)的控制手段予以保證。有關(guān)光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤控制的內(nèi)容將在第6章中詳細(xì)展開。2.3.4溫度特性當(dāng)光伏電池本身溫度發(fā)生變化時(shí)，其伏安特性也會(huì)有相應(yīng)的變化，從而最終影響其轉(zhuǎn)換效率。圖2-7所示為同一光照強(qiáng)度下，溫度不同時(shí)光伏陣列的伏安特性曲線。圖中標(biāo)出點(diǎn)為不同溫度時(shí)，光伏陣列的最大功率點(diǎn)。從圖中可見，空載電壓線性地隨電池溫度變化，短路電流變化緩慢。溫度對(duì)伏安特性的較大影響反映在最大輸出功率上，光伏電池具有負(fù)的溫度系數(shù)，即在某一溫度范圍內(nèi)，光伏電池溫度越高，其所能輸出的

2-7光伏電池的溫度特性最大功率越小，效率也越低。因此，如果要標(biāo)定某一光伏電池的效率，必須同時(shí)給出其相應(yīng)的溫度。光伏電池在光照強(qiáng)度為100W/m2，溫度變化范圍在20～70℃時(shí)效率變化的情況，可以用下式近似地表達(dá)：η=η0[1-α（T-T0）]（2-13）10根據(jù)式（2-13），當(dāng)溫度升高α=0010根據(jù)式（2-13），當(dāng)溫度升高5%時(shí)，光伏電池的效率下降約這是個(gè)典型的數(shù)量級(jí)5%

圖2-8不同溫度下，光伏電池的P?U曲線可以看出，溫度對(duì)光伏電池的影響是不容忽視的。圖2-8所示為同一光照強(qiáng)度、不同溫度下，光伏電池的P?U曲線圖。從圖中可以看出，溫度每升高1℃，效率的損失率為0.35%～0.45%，也就是說，在20℃工作的光伏電池的輸出功率比在70℃工作時(shí)高20%。國(guó)際上定義標(biāo)準(zhǔn)的光伏電池溫度為25℃。2.3.5環(huán)境因素對(duì)光伏電池?cái)?shù)學(xué)物理模型的修正光伏電池的伏安特性與光照強(qiáng)度和電池溫度有關(guān)，可以認(rèn)為光伏電池的數(shù)學(xué)物理模型方程以光照強(qiáng)度和電池溫度作為參變量。通常，光照強(qiáng)度S變化范圍為0～1000W/m2，電池溫度變化范圍為10～70℃。由于生產(chǎn)廠商通常只提供太陽電池組件在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下測(cè)出的Isc、Uoc、ImUm所以按照實(shí)用化表達(dá)式可以得到在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的太陽電池伏安特性曲線，取Sref=000W/m2、Tref=5℃為參考光照強(qiáng)度和參考電池溫度。當(dāng)電TS不是參考光照強(qiáng)度和參考電池溫度時(shí)必須考慮它們的影響并需要對(duì)光伏電池的數(shù)學(xué)物理模型進(jìn)行修正Tair與電池溫度T的關(guān)系為T=Tair+0.03S （2-14）根據(jù)參考光照強(qiáng)度和參考電池溫度下的Isc、Uoc、Im和Um，可以推算出新的光照強(qiáng)度和新的電池溫度下的Isc′、Uoc′、Im′和Um′，再將它們代入實(shí)用表達(dá)式，即可得到新的光照強(qiáng)度和新的電池溫度下的伏安特性曲線。ΔT=T-Tref （2-15）ΔS=S/Sref-1 （2-16）Isc′=IscΔS+11+aΔT （2-17）Uoc′=Uoc1-cΔTln1+bΔS （2-18）Im′=ImΔS+11+aΔT （2-19）Um′=Um1-cΔTn1+bΔS （2-20）推算過程中假定伏安特性曲線形狀不變，系數(shù)a、b和c的典型值為a=0.0025/℃，b=0.5，c=0.00288/℃。10%相關(guān)文獻(xiàn)證明，按照上述公式計(jì)算出的各電量數(shù)值與實(shí)測(cè)數(shù)值的誤差均在以內(nèi)，也就是說，在實(shí)際應(yīng)用中完全可以按上述公式繪出精確度相當(dāng)高的伏10%安特性曲線。2.4陰影條件下光伏陣列的輸出特性前面已經(jīng)對(duì)光伏電池單體的輸出特性及其影響因素進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。在實(shí)際應(yīng)用中，需要將光伏電池單體組合為光伏組件以滿足功率要求。在大功率系統(tǒng)中，則要把光伏組件組合為光伏陣列。在統(tǒng)一光照模式下，光伏陣列的工作狀態(tài)是對(duì)負(fù)載輸出能量，而當(dāng)陰影條件發(fā)生時(shí)，被遮擋的部分會(huì)消耗能量并開始發(fā)熱，久而久之就會(huì)形成熱斑，對(duì)光伏陣列造成極大的損壞。在光伏陣列內(nèi)部反并聯(lián)旁路二極管，可以對(duì)光伏陣列進(jìn)行保護(hù)，但會(huì)造成光伏陣列在陰影條件下P-U曲線的多峰現(xiàn)象。下面以由兩個(gè)光伏組件BP3160（36個(gè)光伏單體串聯(lián)組成）的最小光伏陣列對(duì)熱斑現(xiàn)象和多峰現(xiàn)象進(jìn)行分析。2.4.1熱斑現(xiàn)象分析在統(tǒng)一光照模式下，光伏陣列內(nèi)部各個(gè)模塊都承受正壓，工作狀態(tài)是對(duì)外輸出能量，如圖2-9a所示的由兩個(gè)光伏組件串聯(lián)形成的最小光伏陣列A。如果光照強(qiáng)度為1000W/m2，溫度為298K（光伏組件未受陰影遮擋）時(shí)，其P-U曲線如圖2-9b所示。由圖中可見，光伏組件能夠輸出較高的能量，其最大功率點(diǎn)為（31.5V，153W）。3當(dāng)圖2-9中的光伏陣列A中的光伏組件2受到陰影遮擋時(shí)，如圖2-10a所示，如果此時(shí)組件1的光照強(qiáng)度為1000W/m2，組件2的光照強(qiáng)度為300W/m2，溫度仍為298K。此時(shí)光伏組件的P-U曲線如圖2-10b所示。從圖2-10b中可看出，光伏組件對(duì)外輸出能量效率較低，僅為未受遮擋時(shí)輸出功率的1。3圖2-9無陰影遮擋時(shí)光伏陣列及其輸出特性

圖2-10有陰影遮擋時(shí)光伏陣列及其輸出特性出現(xiàn)以上情況，主要是由于被陰影遮擋的光伏組件2的輸出特性發(fā)生了變化。由電路原理可知，當(dāng)兩電流不等的電流源串聯(lián)時(shí)，電流大的電流源會(huì)向電流小的電流源倒灌電流，穩(wěn)定時(shí)總電流為兩電流源電流的平均值。電流小的電流源接受了倒灌電流（與總電流方向相反），而承受反壓。對(duì)于圖2-10a所示的有陰影遮擋的光伏陣列A中，光伏組件1無遮擋，輸出電流大，相當(dāng)于上述串聯(lián)回路中電流大的電流源；光伏組件2受到遮擋，光照強(qiáng)度大幅下降，輸出電流小，相當(dāng)于上述串聯(lián)回路中電流小的電流源。根據(jù)上述分析可知，光伏組件1會(huì)向光2倒灌電流。圖2-11給出了受陰影遮擋后，光伏組件2的伏安特性曲線。由圖中可見光伏組件2的工作區(qū)間為第一象限和第二象限。工作在第一象限時(shí)，光伏組件2承受正壓，工作狀態(tài)是向外輸出能量；工作在第二象限時(shí)，光伏組件2承受反壓，工作狀態(tài)是自身吸收能量。若光伏組件2長(zhǎng)期工作在第二象限內(nèi)，自身吸收能量所轉(zhuǎn)化的熱量不能及時(shí)散發(fā)掉，就會(huì)在光伏組件上形成熱點(diǎn)，對(duì)光伏陣列造成很大的損壞，這就是所謂的熱斑現(xiàn)象。如果光伏組

2-11陰影遮擋后光伏組件2的伏安特性件2所承受的反壓大于某一閾值，則會(huì)使光伏組件內(nèi)的PN結(jié)雪崩擊穿，輸出電流會(huì)呈指數(shù)曲線上升，造成光伏陣列的永久損壞。2.4.2多峰現(xiàn)象分析為了避免熱斑現(xiàn)象的發(fā)生，可以在光伏組件兩端反向并聯(lián)旁路二極管，如圖2-12所示。當(dāng)陰影條件發(fā)生時(shí)，如果光伏組件2工作在第二象限，即光伏組件2承受反壓，則其反并聯(lián)的旁路二極管就會(huì)自然導(dǎo)通，從而避免熱斑現(xiàn)象的發(fā)生。設(shè)定光伏陣列B中光伏組件1的光照強(qiáng)度為1000W/m2，光伏組

2-12B件2的光照強(qiáng)度為300W/m2，溫度為298K，其P-U曲線呈現(xiàn)多峰特性，I-U曲線呈現(xiàn)多階梯特性，如圖2-13和圖2-14所示。 圖2-13陰影遮擋后光伏陣列B的P-U曲線

圖2-14陰影遮擋后光伏陣列B的I-U曲線對(duì)比光伏陣列A和光伏陣列B，兩者的光照、溫度情況均相同，不同的是光伏陣列B中光伏組件兩端帶有反并聯(lián)旁路二極管，而A沒有。因此，旁路二極管的存在，引起了光伏陣列B光伏P-U曲線雙峰現(xiàn)象的出現(xiàn)。下面分析其原因。在考慮旁路二極管的情況下，光伏陣列B中光伏組件1的I-U特性曲線為圖2-15a中的曲線1，光伏組件2的I-U特性曲線為圖2-15b曲線2，光伏組件1和光伏組件2串聯(lián)后光伏陣列B的I-U特性曲線為圖2-15c曲線3。當(dāng)光伏組件1工作在AB區(qū)間時(shí)，光伏組件2工作在DE區(qū)間，此時(shí)光伏組件1正常工作，旁路二極管截止，光伏組件2的旁路二極管導(dǎo)通，其兩端電壓為0；當(dāng)光伏組件1工作在BC區(qū)間時(shí)，光伏組件2工作在EF區(qū)間，此時(shí)光伏組件1與光伏組件2正常工作，旁路二極管均處于截止?fàn)顟B(tài)。由于光伏組件1與光伏組件2串聯(lián)，電流相同，故以電流為基準(zhǔn)，將曲線1和曲線2的電壓相加，這樣就形成曲線3，如圖2-15c所示。圖2-15陰影遮擋后雙峰特性的形成過程43引起光伏陣列多峰輸出特性的因素上述分析只是從外特性出發(fā)，對(duì)陰影條件下光伏陣列多峰特性作出的基本分析，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。下面對(duì)引起光伏陣列多峰輸出特性的內(nèi)在因素進(jìn)行分析。2.4.3.1陰影位置由于云彩或周圍建筑物對(duì)太陽光的遮擋，以及光伏陣列上積累的灰塵對(duì)太陽光吸收的影響，均會(huì)造成光伏陣列不同位置的光照強(qiáng)度不同。陰影可以發(fā)生于光伏陣列串聯(lián)的光伏模塊之間和并聯(lián)的光伏模塊之間，但對(duì)光伏陣列多峰輸出特性的影響不同。串聯(lián)組件當(dāng)陰影遮擋到光伏陣列中的串聯(lián)組件時(shí)（以兩個(gè)串聯(lián)組件為例），一般有兩種情況：一種是陰影完全遮擋一個(gè)光伏組件；另一種是陰影遮擋了一個(gè)光伏組件的局部。圖2-16a所示是第一種情況。光伏組件2被陰影完全遮擋，光伏組件1未被遮擋。設(shè)定光伏組件1受到的光照強(qiáng)度為1000W/m2，光伏組件2受到的光照強(qiáng)度為300W/m2，溫度均為298K。在這種情況下，光伏組件的P-U曲線如圖2-16b所示。從圖中可以看出，最大功率點(diǎn)為（15.5V，75W）。圖2-17a所示是第二種情況，光伏組件2被陰影遮擋了一半，光伏組件1未被遮擋。假設(shè)光伏組件1的光照強(qiáng)度為1000W/m2，光伏組件2被遮擋部分的光照強(qiáng)度為300W/m2，未被遮擋部分的光照強(qiáng)度仍為1000W/m2，溫度均為298K。這種情況下，光伏組件的P-U曲線如圖2-17b所示。從圖中可以看出，最大功率點(diǎn)為（15.5V，75W）。圖2-16光伏組件2全部遮擋時(shí)的示意圖及P?U曲線

圖2-17光伏組件2部分遮擋時(shí)的示意圖及P?U曲線兩種情況下的最大功率點(diǎn)均為（15.5V，75W），而且都出現(xiàn)了雙峰的情況。雖然圖2-17中光伏組件2只有局部被陰影遮擋，但相比于圖2-16，兩者的P-U曲線幾乎一致。由此可知，不論是全部遮擋還是局部遮擋，都可以看做一種情況來處理，即將局部遮擋的情況視為全部遮擋，可以很大的簡(jiǎn)化模型的復(fù)雜度。并聯(lián)組件當(dāng)陰影遮擋到光伏組件中的并聯(lián)組件時(shí)（以兩個(gè)并聯(lián)組件為例），一般也有兩種情況：一種是陰影完全遮擋一個(gè)光伏組件；另一種是陰影遮擋了一個(gè)光伏組件的局部。2-18所示，光伏組件2被陰影完全遮擋，光伏組件1未被遮擋。設(shè)定光伏組件10W/2，20W/2，溫度均為。，PU曲線如圖2-19所示。從圖中可以看出，最大功率點(diǎn)為（157V，100W），但是光伏組件的PU曲線仍然是呈現(xiàn)單峰特性。圖2-18并聯(lián)組件中陰影遮擋整個(gè)組件 圖2-19被遮擋后的P?U曲線圖2-20所示是另一種情況。光伏組件2被陰影遮擋了一半，光伏組件1未被遮擋。假設(shè)光伏組件1的光照強(qiáng)度為1000W/m2，光伏組件2被遮擋部分的光照強(qiáng)度為300W/m2，未被遮擋部分的光照強(qiáng)度仍為1000W/m2，溫度均為298K。這種情況下，光伏組件的P-U曲線如圖2-21所示。從圖中可以看出，最大功率點(diǎn)為（16.1V，102W）。圖2-20并聯(lián)組件中陰影遮擋局部組件 圖2-21被遮擋后的P?U曲線兩種情況下的P-U曲線均呈現(xiàn)單峰特性，所以陰影對(duì)并聯(lián)光伏組件的影響并不會(huì)引起其多峰的特性。另外，從圖2-19和圖2-21可看出，其P-U曲線基本相同，最大功率點(diǎn)也近似一致，光伏組件2雖然是部分遮擋，但是對(duì)輸出效率的提升很有限，所以局部遮擋和全部遮擋均可看做全部遮擋來處理。綜上所述，陰影只有出現(xiàn)在串聯(lián)光伏組件上才會(huì)引起光伏組件的多峰現(xiàn)象，出現(xiàn)在并聯(lián)組件上并不會(huì)引起多峰現(xiàn)象。2.4.3.2溫度在無陰影遮擋的情況下，外界溫度的改變會(huì)影響光伏組件的開路電壓以及最大功率點(diǎn)，但是不同光伏組件溫度的差異能否引起光伏組件的多峰現(xiàn)象不得而知，因此下面將對(duì)這種情況進(jìn)行分析。首先分析串聯(lián)組件的情況假設(shè)光伏組件1、光伏組件2串聯(lián)，光伏組件1的工作溫度為298K，光伏組件2的工作溫度為318K，光照強(qiáng)度均為1000W/m2，其PU曲線如圖2-22所示。從圖中可以看出PU曲線呈現(xiàn)單峰特性，溫度的差異并沒有造成光伏組件的多峰現(xiàn)象。

2-22不同溫度下串聯(lián)光伏組件的PU曲線，1、2，1作溫度為8，光伏組件2的工作溫度為，光照強(qiáng)度均為0W/2，其-U曲線如圖2-23。，。在兩種情況下，由于連接方式的不同造成了開路電壓的不同，但是最大功率點(diǎn)基本一致，而且光伏組件溫度的差異均未造成P?U曲線多峰現(xiàn)象的出現(xiàn)。所以在分析模型時(shí)，可以忽略溫度差異帶來的影響，將模型中的溫度統(tǒng)一化，為分析問題帶來方便。2.5

光伏電池的分類

2-23不同溫度下并聯(lián)光伏組件的PU曲線光伏電池多用半導(dǎo)體材料制造而成，發(fā)展至今，業(yè)已種類繁多、形式多樣。光伏電池的分類主要有兩種形式：一種是按電池結(jié)構(gòu)分類，另一種是按電池材料分類。51按結(jié)構(gòu)分類按結(jié)構(gòu)，光伏電池可分為以下幾類：同質(zhì)結(jié)光伏電池同質(zhì)結(jié)光伏電池是由同一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)PN結(jié)的光伏電池。異質(zhì)結(jié)光伏電池異質(zhì)結(jié)光伏電池是用兩種不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料在相接的界面上構(gòu)成一個(gè)異質(zhì)PN結(jié)的光伏電池。如果兩種異質(zhì)材料的晶格結(jié)構(gòu)相近，界面處的晶格匹配較好，則稱為異質(zhì)面光伏電池。肖特基結(jié)光伏電池肖特基結(jié)光伏電池是用金屬和半導(dǎo)體接觸組成一個(gè)肖特基勢(shì)壘的光伏電池，也叫做MS（金屬-半導(dǎo)體）光伏電池。其原理是基于在一定條件下金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)可產(chǎn)生整流接觸的肖特基效應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)的光伏電池已經(jīng)發(fā)展為金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）光伏電池和金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）光伏電池。薄膜光伏電池薄膜光伏電池是指利用薄膜技術(shù)將很薄的半導(dǎo)體光電材料鋪在非半導(dǎo)體的襯底上而構(gòu)成的光伏電池。這種電池可大大地減少半導(dǎo)體材料的消耗（薄膜厚度以微米計(jì)），從而大大降低了光伏電池的成本。疊層光伏電池疊層光伏電池是指將兩種對(duì)光波吸收能力不同的半導(dǎo)體材料疊在一起構(gòu)成的光伏電池。鑒于波長(zhǎng)短的光子能量大，在硅中的穿透深度小的特點(diǎn)，通常是讓波長(zhǎng)最短的光線被最上邊的寬禁帶材料電池吸收，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光線能夠透射進(jìn)去讓下邊禁帶較窄的材料電池吸收，這樣就可能最大限度地將光能變成電能。濕式光伏電池濕式光伏電池是指在兩側(cè)涂有光活性半導(dǎo)體膜的導(dǎo)電玻璃中間加入電解液而構(gòu)成的光伏電池。這種結(jié)構(gòu)的光伏電池不但可以減少半導(dǎo)體材料的消耗，還為建筑物和太陽能應(yīng)用的一體化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。52按材料分類按材料，光伏電池包括以下三類：硅光伏電池這種電池是以硅為基體材料的光伏電池，包括單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池和非晶硅光伏電池等。單晶硅光伏電池材料結(jié)晶完整，載流子遷移效率高，串聯(lián)電阻小，光電轉(zhuǎn)換效率最高（可達(dá)20%左右），但成本比較昂貴。制作多晶硅光伏電池的材料，用純度不太高的太陽級(jí)硅即可。而太陽級(jí)硅由冶金級(jí)硅用簡(jiǎn)單的工藝就可加工制成。多晶硅材料又有帶狀硅、鑄造硅、薄膜多晶硅等多種類型，用它們制造的光伏電池又分為薄膜和片狀兩種。多晶硅光伏電池的轉(zhuǎn)換效率比單晶硅光伏電池低。非晶硅光伏電池是采用內(nèi)部原子排列短程有序而長(zhǎng)程無序的非晶硅材料制成。非晶硅材料基本被制成薄膜電池形式，造價(jià)低廉，光電轉(zhuǎn)換效率低，穩(wěn)定性也不如晶體硅光伏電池，主要應(yīng)用于弱光性電源。非硅半導(dǎo)體光伏電池主要包括硫化鎘光伏電池和砷化鎵光伏電池。硫化鎘分為單晶和多晶兩種。常見的有硫化亞銅/硫化鎘光伏電池、碲化鎘/硫化鎘光伏電池、銅銦硒/硫化鎘光伏電池等。砷化鎵具有較好的溫度特性，理論效率高，較適于制成太空光伏電池。有機(jī)光伏電池主要是由一些有機(jī)的光電高分子材料構(gòu)成的光伏電池。2.6光伏系統(tǒng)的組成光伏系統(tǒng)就是光伏電池應(yīng)用系統(tǒng)，或稱光伏電池發(fā)電系統(tǒng)。光伏系統(tǒng)通常由光伏陣列、能量?jī)?yōu)化控制器、儲(chǔ)能組件及逆變器等部分組成。光伏系統(tǒng)一般分為獨(dú)立光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)兩大類。獨(dú)立光伏系統(tǒng)是指供用戶單獨(dú)使用的光伏系統(tǒng)，如在邊遠(yuǎn)地區(qū)使用的家用光伏電源等。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)是指與電網(wǎng)系統(tǒng)相連的光伏系統(tǒng)，產(chǎn)生的電能可以輸入電網(wǎng)。這里所稱的電網(wǎng)可以是傳統(tǒng)意義上的大電網(wǎng)，也可以是由各種可再生能源構(gòu)成的分布式發(fā)電系統(tǒng)。在本書中主要是指后者。2.6.1獨(dú)立光伏系統(tǒng)2-24。，，，。。，。；，。，，（）。圖2-24獨(dú)立光伏系統(tǒng)原理示意圖光伏陣列在經(jīng)過能量?jī)?yōu)化控制器和儲(chǔ)能組件的聯(lián)合控制后，得到穩(wěn)定的直流輸出（一般為電壓源）。該電源可以直接提供給直流負(fù)載，也可以經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電提供給交流負(fù)載。光伏系統(tǒng)中的儲(chǔ)能組件可以采用多種設(shè)備。目前，最常用的儲(chǔ)能組件就是蓄電池。此外，超級(jí)電容、超導(dǎo)線圈以及飛輪都可以作為儲(chǔ)能組件。光伏系統(tǒng)還可以使用揚(yáng)水蓄能設(shè)備作為儲(chǔ)能組件，即所謂光伏水泵。光伏水泵已經(jīng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)推廣使用。由于光伏系統(tǒng)不能獲得連續(xù)的功率輸出（比如夜間或陰雨天氣，就幾乎沒有有效的功率輸出），因此單一能源的光伏系統(tǒng)應(yīng)用受到了限制。將光伏電池與其他能源形式聯(lián)合起來供電成為了一種趨勢(shì)。圖2-25所示是由小型直流風(fēng)力發(fā)電機(jī)與光伏電池構(gòu)成小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，可用于公路照明系統(tǒng)。在圖2-25，，，。、，，2-25。圖2-25小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)原理示意圖2.6.2并網(wǎng)光伏系統(tǒng)顧名思義，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)就是與電網(wǎng)并聯(lián)的光伏系統(tǒng)。這里的電網(wǎng)，可以是傳統(tǒng)的大電網(wǎng)，也可以是基于可再生能源的分布式電網(wǎng)；既可以是交流電網(wǎng)，也可以是直流電網(wǎng)。一個(gè)滿足并網(wǎng)光伏系統(tǒng)定義的最小系統(tǒng)如圖2-26所示。在最小并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中，只有一個(gè)光伏陣列。光伏陣列發(fā)出的電能經(jīng)具有能量?jī)?yōu)化控制功能的逆變器變換為交流電，再與交流電網(wǎng)并聯(lián)，共同向負(fù)載供電。這也是傳統(tǒng)的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的基本構(gòu)成。在這里，光伏陣列只是作為補(bǔ)充能源，為負(fù)載供電的主要是大電網(wǎng)，因而光伏陣列的輸出能力不必與負(fù)載匹配，也無需由儲(chǔ)能組件優(yōu)化能量分配。圖2-26最小并網(wǎng)光伏系統(tǒng)原理示意圖隨著光伏發(fā)電技術(shù)的不斷成熟和推廣應(yīng)用，光伏系統(tǒng)的容量等級(jí)也不斷提升。大型光伏電站的容量等級(jí)已經(jīng)達(dá)到20～400kW，最高的甚至已經(jīng)達(dá)到兆瓦級(jí)。這種容量等級(jí)下，光伏系統(tǒng)已經(jīng)與小型熱電廠的輸出能力不相上下，因而圖2-26所示的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足需要。另外，光伏系統(tǒng)與分布式發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)系密切，也使得并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的構(gòu)成多樣化起來。前面已經(jīng)提到，分布式發(fā)電系統(tǒng)是指由多能量來源、多能源種類構(gòu)成的混合式發(fā)電系統(tǒng)。所謂多能量來源，是指分布式發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)電廠的集中供電不同，是由多個(gè)容量等級(jí)不一的發(fā)電設(shè)備聯(lián)合在一起發(fā)電。所謂多能源種類，是指分布式發(fā)電系統(tǒng)中包含各種能源形式。目前主要是包括光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池和潮汐發(fā)電等。因此即使是能源類型相同，比如都是光伏系統(tǒng)，只要具備多來源的性質(zhì)，就都屬于分布式發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)以上光伏系統(tǒng)與分布式發(fā)電系統(tǒng)的新進(jìn)展，本書將按新的分類方法描述并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。這個(gè)新的分類方法就是按公共母線的性質(zhì)來劃分并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。具體而言，本書把并網(wǎng)光伏系統(tǒng)分為三類：①直流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)；②交流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)；③交直流混合母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。2.6.2.1直流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)隨著光伏系統(tǒng)的不斷發(fā)展，許多屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量已超過3kW。如果采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，直接將多路光伏陣列串聯(lián)、并聯(lián)，會(huì)由于各陣列之間的特性存在差異，光照和溫度條件也不相同，最終導(dǎo)致各陣列的不匹配。同時(shí)，這種方式也無法實(shí)現(xiàn)各陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤。因此，可對(duì)各光伏陣列分別進(jìn)行能量?jī)?yōu)化控制，輸出并入公共直流母線，然后再提供給負(fù)載。這種方式可稱為直流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，如圖2-27所示。在該系統(tǒng)中，由于各支路都需要實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，又要同時(shí)保持直流母線電壓穩(wěn)定，因此需要配備儲(chǔ)能組件。在直流系統(tǒng)中，各能量?jī)?yōu)化控制器均需采用DC-DC變換器。直流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)尤其適用于對(duì)遠(yuǎn)離交流電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)供電，也可以應(yīng)用于封閉式小區(qū)自供電系統(tǒng)。直流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)也可以通過逆變器并入交流電網(wǎng)，這就構(gòu)成交直流混合母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。直流母線式并網(wǎng)光伏系2-27直流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)示意圖統(tǒng)中的電網(wǎng)是低壓直流電網(wǎng)，與傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)和高壓直流電網(wǎng)不同，與其相關(guān)的能量分配方案、穩(wěn)定性分析等方面，還在進(jìn)一步研究中。622交流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)交流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)是目前應(yīng)用最多的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。交流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的種類很多，主要有集中式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)、支路式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)和交流模塊三種。集中式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)集中式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)一般用于大型光伏電站，是由多組串聯(lián)的光伏陣列并聯(lián)在逆變器的直流輸入端，再通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電并入交流電網(wǎng)，功率等級(jí)一般為20～400kW，最近的報(bào)道中出現(xiàn)了兆瓦級(jí)的集中式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。這種集中式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)需要采用大容量的電力電子器件（如IGBT等）同時(shí)引入數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），構(gòu)成數(shù)字化控制并網(wǎng)逆變器。這種系統(tǒng)有望于將

圖2-28集中式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)來大量應(yīng)用到超大規(guī)模光伏沙漠電站中。集中式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-28所示。支路式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)支路式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的概念是在1995年首先在歐洲建立起來的。它是將光伏組件串聯(lián)起來，接到并網(wǎng)逆變器的輸入端，通過逆變器并入低壓電網(wǎng)。這種逆變器通常采用單相逆變器，功率等級(jí)在1～3kW之間。這種系統(tǒng)非常適用于城市分布式發(fā)電和家庭用戶并網(wǎng)發(fā)電，也是目前市場(chǎng)上應(yīng)用最多的光伏系統(tǒng)。多臺(tái)支路式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)在交流側(cè)并聯(lián)，可以很容易地構(gòu)成兆瓦級(jí)并網(wǎng)光伏電站。圖2-29所示就是這種支路式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的示意圖。交流模塊交流模塊是將小型逆變器和

圖2-29支路式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)光伏組件直接結(jié)合起來，交流側(cè)并聯(lián)到低壓電網(wǎng)。這種模塊的功率等級(jí)在50～400W之間，這種系統(tǒng)被認(rèn)為是未來光伏并網(wǎng)逆變器的重要發(fā)展方向之一。交流模塊面臨的挑戰(zhàn)是如何實(shí)現(xiàn)低價(jià)和高可靠性的統(tǒng)一。圖2-30所示就是交流模塊的示意圖。2623交直流混合母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

圖2-30交流模塊集中式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)和支路式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中都有多個(gè)光伏陣列直接串聯(lián)在一起的情況，但光伏陣列的串聯(lián)受到電壓等級(jí)的限制，許多光伏陣列制造時(shí)就規(guī)600V800V如果需要繼續(xù)擴(kuò)充發(fā)電容量就必須在直流側(cè)再增加并聯(lián)支路。研究表明，不同特性的光伏陣列的串并聯(lián)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的輸出影響很大。多個(gè)不同性能的光伏陣列串聯(lián)在一起，輸出電流將會(huì)被限制到略高于電流最小的陣列的電流值；并聯(lián)在一起時(shí)，輸出電壓為各并聯(lián)支路電壓平均值。這種失配嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的整體效率。此外，由于光伏系統(tǒng)與建筑的結(jié)合，使得光伏陣列安裝的方式更加多樣化，光伏陣列可以和墻壁以及窗戶、陽臺(tái)相結(jié)合，這種多樣化的安裝方式使得各個(gè)支路的不一致性加劇。傳統(tǒng)的交流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)效率優(yōu)化。為此，可以采用交直流混合母線的方式；也就是將直流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)和交流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)結(jié)合起來，如圖2-31所示。采用交直流混合母線方案，保留了交流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，同時(shí)各光伏陣列都可以利用自己的DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，而直流側(cè)電壓的穩(wěn)定則由儲(chǔ)能組件和公共電網(wǎng)提供支持。交直流混合母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)是光伏陣列利用效率最高的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有廣闊的應(yīng)用前景。63光伏系統(tǒng)與分布式發(fā)電系統(tǒng)上面已經(jīng)談到了光伏系統(tǒng)與分布式發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)系。實(shí)際上，上述所有并網(wǎng)光伏系統(tǒng)本身都已經(jīng)構(gòu)成了分布式發(fā)電系統(tǒng)，因?yàn)檫@些系統(tǒng)都滿足了分布式發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)必要條件即多能量來源。因此討論并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，很難與分布式發(fā)電圖2-31交直流混合母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)系統(tǒng)脫開關(guān)系?？紤]到光伏系統(tǒng)的局限性，一個(gè)完整的分布式發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)該包含多種能源類型。圖2-32所示是一個(gè)包含光伏系統(tǒng)、風(fēng)電系統(tǒng)在內(nèi)的混合分布式發(fā)電系統(tǒng)示意圖，這是一個(gè)交直流混合母線式結(jié)構(gòu)。圖2-32混合分布式發(fā)電系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)第3章光伏發(fā)電技術(shù)中的電力電子技術(shù)上一章簡(jiǎn)單介紹了