电力电子技术在太阳能中的应用整理

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太阳能光伏发电中的电力电子技术应用
1 概述
照射在地球上的太阳能非常巨大，大约 40 分钟照射在地球上的太阳能，便足以 供全球人类一年能量的消费。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。而 且太阳能发电绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为是理想的能源。 从太阳能获得电力，需通过太阳电池进行光电变换来实现。它同以往其他电源发 电原理完全不同，具有以下特点：①无枯竭危险；②绝对干净（无公害）；③不受资 源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易 接受；⑦获取能源花费的时间短。不足之处是：①照射的能量分布密度小，即要占用 巨大面积；②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。但总的说来，瑕不掩 瑜，作为新能源，太阳能具有极大优点，因此受到世界各国的重视。 目前国外并网逆变器技术发展十分迅速。目前的研究主要集中在空间矢量 pwm 技术、数字锁相控制技术、数字 dsp 控制技术[1]、最大功率点跟踪[2,3]和孤岛检出技 术[4,5]，以及综合考虑以上方面的系统总体设计等。国外的有些并网逆变器还设计同 时具有独立运行和并网运行功能。 国内太阳能光伏应用仍以独立供电系统为主，并网系统则刚刚起步。目前国内自 主研制的并网逆变器存在有系统运行不稳定，可靠性低的弱点;且保护措施不全，容 易引起事故，与建筑一体化等问题也没有得到很好考虑。 本文主要讨论太阳能光伏发电中电力电子技术的发展应用;介绍独立供电光伏系统和 并网系统的组成特点;根据逆变电路不同的电路拓扑，讨论了太阳能最大功率点跟踪 技术的实现方法;最后给出了一套独立供电的太阳能光伏试验系统的设计，最大功率 点跟踪技术和高效的逆变电路设计得到实现。
2 太阳能光伏系统的组成
2.1 独立供电的光伏系统组成
独立供电的太阳能光伏系统的结构示意图如图 1 所示。由于太阳能电池只能在白 天光照条件下输出能量，根据负载需要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节来提 供夜间所需电力。整个光伏系统由太阳能电池、蓄电池、负载和控制器组成。
独立供电的太阳能光伏系统结构示意 示意图 图 1 独立供电的太阳能光伏系统结构示意图
系统各部分容量的选取配合，需要综合考虑成本、效率和可靠性。随着光伏产业 的迅速发展， 太阳能电池的价格正在逐步下降， 然而它仍是整个系统中最昂贵的部分。 它的

容量选取影响着整个系统的成本。相比较而言，蓄电池价格较为低廉，因此可以 选取相对较大容量的蓄电池，尽可能充分利用太阳能电池所发出的功率。另外，在与 负载容量配合时，应该考虑到连续阴天的情况，对系统容量留出一定裕度。 2.2 并网光伏系统组成
与独立供电的光伏系统相比，并网系统一般都没有储能环节，直接由并网逆变器 接太阳能电池和电网，如图 2 所示。并网逆变器的基本功能是相同的。那就是，在太 阳能电池输出较大范围内变化时，能始终以尽可能高的效率将太阳能电池输出的低压 直流电转化成与电网匹配的交流电流送入电网。太阳能电池输出的大范围变动，主要 原因是白天日照强度的变化。
图 2 太阳能并网系统结构框图
3 太阳能光伏系统的最大功率点跟踪技术
图 3 是在一定温度时，不同光照强度下太阳能电池的输出特性曲线。由图 3 所示 的功率电压曲线可以看到，每条曲线都存在着一个最大功率输出点，并且这个最大功 率点在当前的光照条件下是唯一的。在太阳能光伏系统中采用较多的一阶 mppt 正是 利用了最大功率点的 dp/dv 为零的特性。先对太阳能电池的输出电压和电流进行连续 的采样，并将每次采样的一组电压电流数据相乘折合成功率值，然后减掉上一次采样 得到的功率值，即为功率差分值。当功率达到最大值时，即可近似认为达到最大功率 点，这样就构成了最大功率点跟踪的一阶差分算法[6]。
太阳能电池输出特性曲线(不同光照强度下 不同光照强度下) 图 3 太阳能电池输出特性曲线 不同光照强度下
对于图 1、图 2 所示的独立供电的太阳能光伏系统和并网太阳能系统，最大功率 点跟踪的实现需要采用不同的策略。独立供电系统如图 1 所示，最大功率点跟踪在白 天太阳能电池对蓄电池充电时实现。通过调整 buck 充电电路的驱动脉宽，改变太阳 能电池直流母线电容上的电压，达到跟踪最大功率点的目的。并网系统如图 2 所示， 常用方法是设定逆变输出电流幅值，改变直流母线电容上的电压，达到跟踪最大功率 点的目的。这些控制方法都可以看作电力电子在光伏发电技术中的应用。[7]
4 独立供电的太阳能光伏试验系统
本文介绍一套独立供电的太阳能光伏试验系统。
图 5 充电电路控制框图
图 6 照明供电电路结构框图
高频逆变电路输出电流波形(感性负载 感性负载) 图 7 高频逆变电路输出电流波形 感性负载
此试验系统中，由于具有铅酸蓄电池做储能用，因此最大功率点跟踪在充电电路 设计中实现，考虑到蓄电池的电流接收能力，充电电路的原理框图

如图 5 所示。 图 6 是逆变电路结构框图。根据负载特性，高压钠灯需要配合镇流器工作，相当与感 性负载，电源为高频交流方波，由直流升压、高频逆变两个环节实现。实验波形如图 7 所示。
5 结论
本文对太阳能光伏系统中的最大功率点跟踪和逆变技术进行了讨论。通过对独立 供电的光伏系统和并网光伏系统进行系统组成分析，比较其构成特点和电路拓扑，讨 论得出了各自适用的控制方法。文章最后介绍了一个独立供电的太阳能光伏试验系 统，并给出了实验结果。从上述分析可以看到:太阳能光伏发电作为新能源的应用技 术正在得到迅速发展，而电力电子技术作为其中的关键技术，对太阳能光伏发电应用 的发展起着决定性作用。

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