光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

摘 要：近年來，國家對(duì)電力的需求量逐年遞增，同時(shí)對(duì)以化石作為能源的發(fā)電類企業(yè)的環(huán)境監(jiān)管力度也在逐年提高。因此，太陽能、風(fēng)能等清潔、綠色能源受到了廣泛的認(rèn)可和關(guān)注。本文對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)中的最大功率跟蹤點(diǎn)（MPPT）以及光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，最后對(duì)光伏技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)作出了展望。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；光伏并網(wǎng)；MPPT；并網(wǎng)逆變器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.176

1 光伏發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀

1.1 光伏發(fā)電的背景與意義

由于化石能源日漸枯竭，以及能源轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的排放物對(duì)環(huán)境的污染，再次引發(fā)了世界對(duì)綠色可再生能源的關(guān)注和重視。2014年國家可再生能源中心和能源基金會(huì)適時(shí)介紹了《中國2050年高比例可再生能源發(fā)展情景暨途徑研究》項(xiàng)目，其研究成果顯示，在2050年或者更早時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)高比例可再生能源發(fā)展，即可再生能源占一次能源消費(fèi)比例超過60%。其中，風(fēng)電和太陽能這類清潔能源的裝機(jī)容量也會(huì)逐年上升，最終可再生能源將代替化石能源在能源供應(yīng)中的主導(dǎo)地位。

1.2 我國光伏發(fā)電的發(fā)展近況

從上個(gè)世紀(jì)九十年代開始，我國通過與西方國家合作，在西部各個(gè)省份相繼建成了數(shù)個(gè)獨(dú)立光伏發(fā)電工程，扶持了一部分自然條件差，無電邊遠(yuǎn)地區(qū)。近些年，我國頒布了一系列的法律、法規(guī)，促進(jìn)了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光伏組件的成本日益降低，光伏電站的裝機(jī)容量開始向百兆瓦級(jí)甚至千兆瓦級(jí)發(fā)展，與建筑物屋頂以及墻面結(jié)合的分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)也逐步走進(jìn)人們的視野。

1.3 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)分類與組成

在已建成的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)型光伏發(fā)電為主流運(yùn)行模式。這其中又可劃分為集中式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和分布式小型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。分布式光伏系統(tǒng)表現(xiàn)為利用建筑的屋頂及墻面安裝光伏組件，所發(fā)出的電能首先是自用，多余或不足的部分通過電網(wǎng)調(diào)節(jié)，與電網(wǎng)形成有效的供需互動(dòng)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、逆變器以及控制器三大部分組成。光伏陣列是整個(gè)系統(tǒng)中價(jià)值最高的組件，其成本的高低決定著整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)。逆變器是將光伏陣列輸出的直流電逆變?yōu)榻涣麟?，并且饋入電網(wǎng)的裝置。通過嵌入最大功率跟蹤點(diǎn)的固定算法，控制器可以有效的提高整體的輸出功率，并且控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

2 相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 最大功率跟蹤點(diǎn)（Maximum Power Point Tracking）

光伏電能輸出的隨機(jī)性、間斷性和不確定性是由太陽輻照度和周圍的環(huán)境溫度引起的。隨著輻照度和溫度的改變，光伏陣列的輸出端電壓也隨之變化，從而改變整體的輸出功率。MPPT的目的是在環(huán)境條件不斷變化的情況下，光伏陣列仍能輸出最大功率，從而提高了發(fā)電的效率，同時(shí)也可減少儲(chǔ)能裝置的裝機(jī)容量，降低整個(gè)系統(tǒng)的建設(shè)成本。MPPT是一種算法，它是固化在MPPT控制器中微處理芯片內(nèi)的算法程序?，F(xiàn)有的MPPT算法可以分為自尋優(yōu)法和非自尋優(yōu)法兩大類，自尋優(yōu)法應(yīng)用更為廣泛，以下是常見的兩種自尋優(yōu)法。

（1）恒壓電壓法。相對(duì)于溫度變化的影響，太陽輻照度的變化對(duì)光伏陣列輸出功率的影響更為明顯。對(duì)比圖1中一族光伏陣列P-V曲線，可以發(fā)現(xiàn)每條不同的曲線在最大功率點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的電壓值區(qū)別不大，我們可以粗略地認(rèn)為它是一個(gè)恒定的電壓值，這樣就把問題制簡(jiǎn)化為穩(wěn)壓控制。雖然此方法原理簡(jiǎn)單，但是控制的精度不高。

（2）導(dǎo)納增量法。由光伏陣列的P-V特性曲線可知，在最大功率點(diǎn)處，功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)為零。

由（3）式可知，當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí)，光伏陣列工作點(diǎn)即為最大功率點(diǎn)。導(dǎo)納增量法準(zhǔn)確性高，而且可隨著環(huán)境的快速變化仍保持較好的跟蹤性，缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜，對(duì)微處理的性能要求比較高，譬如有的場(chǎng)合需要多核處理器來提高運(yùn)算速度。

2.2 并網(wǎng)逆變器

并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電中的核心設(shè)備，逆變器的設(shè)計(jì)及控制方式是核心內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)。直流鏈環(huán)節(jié)采用并聯(lián)電容器儲(chǔ)能的為電壓型逆變器，直流側(cè)采用串聯(lián)電感提供穩(wěn)定直流輸入的為電流型逆變器。由于直流鏈電感的起動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果不佳，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)多數(shù)采用電壓型逆變器。單相及三相并網(wǎng)型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，直流鏈采用電容來儲(chǔ)能并濾除高頻紋波，電容對(duì)于后級(jí)逆變電路可等效為一個(gè)電壓源。在二級(jí)或多級(jí)光伏系統(tǒng)中，通常會(huì)在逆變環(huán)節(jié)之前，光伏陣列直流輸出之后，加上一級(jí)直流斬波電路，用以穩(wěn)定逆變環(huán)節(jié)輸入的直流電壓，使其滿足逆變的輸入電壓要求。

3 結(jié)論

本文分析了光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)論如下：

最大功率跟蹤點(diǎn)：雖然各種MPPT的算法都能實(shí)現(xiàn)最大功率的輸出，但是他們都存在一定的不足之處，有的體現(xiàn)在精確度，有的表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度。隨著研究的不斷深入以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，今后會(huì)有更加完善的方法出現(xiàn)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，逆變器已由單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)展為多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，雖然上述改進(jìn)提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，但由此產(chǎn)生的統(tǒng)一控制問題，多個(gè)逆變器產(chǎn)生的諧波疊加問題，都有待在今后的研究中解決。

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作者介紹：劉珅（1983-），男，研究生，工程師，主要從事電氣供配電設(shè)計(jì)工作。