浅谈电力电子技术在光伏发电中的应用

徐敏

（大连电子学校 辽宁大连 116000）

摘 要：光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术，光伏发电是电力电子学与能源科学的一个结合点，是有待电力电子学开拓的新的应用领域。

关键词：光伏发电 逆变电路 直流变换

随着石化能源的日益枯竭及其转换过程给环境带来的污染和温室效应等问题，可再生能源已成为人类越来越紧迫的课题。太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源。太阳能光伏发电是将太阳光辐射能直接转换为电能的方法，即太阳光辐射能经电池转换为电能，再经过能量存储、控制和能量变换，转换为便于人们使用的直流或交流电能。光伏发电已逐渐成为人们利用太阳能的主要手段之一，可以说从太阳能电池产生电势开始，直到大家能使用这一电能为止，整个过程就是运用电力电子技术对电能进行变换、处理的过程。因此，光伏发电是电力电子学与能源科学的一个结合点，是有待电力电子学开拓的新的应用领域。[1]

太阳能光伏电池所发出的电能是随太阳光辐照度、环境温度、负载等变化而变化的不稳定直流电，还不能满足用电负载对电源品质要求，因此需要应用电力电子技术对其进行直流-直流（DC-DC）或直流-交流（DC-AC）变换，以获得稳定的高品质直流电或交流电供给负载或电网。

一、典型光伏发电系统的基本结构

光伏发电系统分为独立光伏系统和并网光伏系统。

独立光伏发电也叫离网光伏发电，主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。

并网光伏发电就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网，可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。

带有蓄电池的并網发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑；不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。并网光伏发电有集中式大型并网光伏电站，一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，还没有太大发展。而分散式小型并网光伏，特别是光伏建筑一体化光伏发电，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。[2]

二、光伏直流变换电路

光伏直流变换电路的主要功能是：实现“最大功率点跟踪（MPPT）”，即：随着天气（辐照度、温度）变化，实时调整负载的伏安特性使其相交于光伏电池伏安特性的最大功率输出点处，降低负载失配功率损失。

光伏电池是一种输出特性迥异于常规电源的直流电源，对电压接受型负载（如蓄电池）、电流接受型（如永磁直流电动机）、纯阻性负载3种不同类型的负载，其匹配特性也迥然相异光伏直流变换电路主要有脉冲宽度调制（PWM）和脉冲频率调制（PFM）两种方法，其中PWM为常用控制方法。光伏直流变换器主电路分直接变换和间接变换两大类，直接变换有Buck（降压）变换器、Boost（升压）变换器等，间接变换有单端正激变换器、单端反激变换器等，其中Buck变换器、Boost变换器主电路是最基本的变换器拓扑，由此可派生出多种组合结构。

Buck变换器主电路如图所示，VT、VD、L、C 组成降压斩波器，调节开关管VT的开通占空比可调节负载电压，以调节光伏阵列工作点。

Boost变换器主电路如图所示，L、VT、VD、C组成升压斩波器。当开关管VT开通时，L储能；开关管VT关断时， L所储磁能转化成的感应电压与光伏阵列输出电压串联相加向负载供电，开关管VT的开通占空比增大时输出电压增大。适当调节占空比，可调整光伏阵列输出电压，使其处于最大功率点电压，且该电路可将光伏阵列输出电压升高。

三、光伏逆变电路

1.“逆变”是将直流电变换为极性周期改变的交流电。离网型光伏发电系统中的逆变器多采用电压源型逆变器。随着全控型电力电子器件和脉宽调制技术的进步，采用桥式主电路、以标准正弦波作为PWM调制波的正弦脉宽调制（SPWM）技术是目前应用最广泛的电压源逆变器控制技术，为了使逆变器输出电压滤波后尽量正弦化，出现了选择性消谐波等优化的PWM技术。在此基础上，进一步出现了以控制输出电流正弦化为目标的电流瞬时值滞环跟踪PWM控制技术和针对三相桥式电压型逆变器的电压空间矢量PWM（SVPWM ）技术。SVPWM具有直流电压利用率高、动态响应快、开关损耗低、输出电压波形的总谐波畸变率低等优点，在三相电压型逆变器控制中的应用日益广泛。

2.按控制方式分类，有电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制4种方法。以电流源为输入的逆变器，其直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入，但由于大电感往往会导致系统动态响应差，因此当前世界范围内大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式。

3.按照逆变器与市电并联运行的输出控制可分为电压控制和电流控制。如果逆变器的输出采用电流控制，则只需控制逆变器的输出电流以跟踪市电电压，即可达到并联运行的目的。由于其控制方法相对简单，因此使用比较广泛。

综合以上所述原因，光伏并网逆变器一般都采用电压源输入、电流源输出的控制方式。典型逆变电路有：单相直接逆变系统、半控桥逆变技术系统、多DC-DC（MPPT）逆变系统，

参考文献

[1]《电力电子技术》人民邮电出版社 徐丽娟主编

[2]《电力电子技术》机械工业出版社 王兆安主编