电力电子技术在太阳能光伏电池中的应用

电力电子技术论文题目电力电子技术在太阳能光伏发电中的应用院系电气工程学院电力电子技术在太阳能光伏发电中的应用1概述11自本世纪五十年代未第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子的诞生。进入70年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品，普通晶闸管不能自关断的半控型器件，被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容易和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出GTRGTO，功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管IGBT为代表的第三代电力电子器件，开始向大容易高频率、响应快、低损耗方向发展。而进入90年代电力电子器件正朝着复台化、标准模块化、智能化、功率集成的方向发展，以此为基础形成一条以电力电子技术理论研究，器件开发研制，应用渗透性，在国际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域。12世界能源结构正在发生巨大的变革。以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构将逐步转变为以资源无限，清洁干净的可再生能源为主的多样性，复合型的能源结构。太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广应用15。随着太阳能光伏发电应用的发展，太阳能光伏发电已经不再只是作为偏远无电地区的能源供应，而是向逐渐取代常规能源的方向发展。在国外，并网发电逐渐成为太阳能光伏发电的主要应用领域，太阳能光伏产业已经逐渐形成，并持续高速发展。13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21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框图一般如图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。整个光伏系统中太阳能电池、蓄电池、负载和控制器组成。虚线框中部分即为系统控制部分的结构框图，一般由充电电路、放电电路和状态控制电路3部分组成。图1独立供电的太阳能光伏系统结构框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。22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，范围在200W/M2到1000W/M2之间。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满足式1令，则当时，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。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。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。系统包括300PW太阳能电池，3块100AH全封闭免维护铅酸蓄电池和系统控制器，控制器中包括实现最大功率点跟踪的充电控制和高频逆变器。负载为250W高压钠灯。系统组成如图4所示。图4独立供电的太阳能光伏试验系统框图图5充电电路控制框图图6照明供电电路结构框图此试验系统中，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。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。参考文献1MCALAIS,VGAGELIDIS,“MULTILEVELCONVERTERSFORSINGLEPHASEGRIDCONNECTEDPHOTOVOLTAICSYSTEMSANOVERVIEW“,IEEEPROCOFISIE98,VOL1,PP224229,JULY1998,SOUTHAFRICA2CHUAANDCSHEN,“COMPARATIVESTUDYOFPEAKPOWERTRACKINGTECHNIQUESFORSOLARSTORAGESYSTEM“,1988IEEEAPPLIEDPOWERELECTRONICSCONFERENCEANDEXPOSITIONPROCEEDINGS,VOL2PP6796833KHHUSSEIN,IMUTA,THOSHINOANDMOSAKADA,“MAXIMUMPHOTOVOLTAICPOWERTRACKINGANALGORITHMFORRAPIDLYCHANGINGATMOSPHERICCONDITIONS,“IEEPROCEEDINGSONGENERATION,TRANSMISSIONANDDISTRIBUTION,VOL142,NO1,PP5964,JANUARY19954GAKERN,“SUNSINE300,UTILITYINTERACTIVEACMODULEANTIISLANDINGTESTRESULTS,“INPROC26THIEEEPHOTOVOLTAICSPECIALISTSCONF,1997,PP126512685GASMITH,PAONIONS,ANDDGINFIELD,“PREDICTINGISLANDINGOPERATIONOFGRIDCONNECTEDPVINVERTERS,“PROCINSTEL