2.项目八任务二 光伏发电中的电力电子技术

电力电子技术主编徐立娟

光伏发电中的电力电子技术

1任务描述与目标

2相关知识3任务实施提

纲

一、任务描述与目标任务描述：随着化石能源的日益匮乏及其转换为电能的过程给环境带来的污染和温室效应等问题日益凸显，寻找可再生清洁能源已成为人类越来越紧迫的课题。太阳能作为取之不尽、用之不竭的清洁能源，显然是符合这一要求的能源之一。太阳能光伏发电是将太阳光辐射能直接转换为电能，即将太阳光辐射能通过太阳能电池转换为电能，再经过能量存储、控制和变换，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动势开始，直到大家能使用其电能为止，整个过程就是运用电力电子技术对太阳能进行变换、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。任务名称：光伏发电中的电力电子技术

一、任务描述与目标任务目标：（1）了解光伏发电的基本概念及基本原理。（2）熟悉光伏发电的主要用途。（3）了解光伏发电中的电力电子技术。

二、相关知识光伏发电概述01光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转换为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳能电池组件，再配合功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电概念及原理

二、相关知识光伏发电概述01光伏发电的基本原理是光射入半导体时所引起的光电效应。光伏电池的基本特性与二极管的类似，可以用简单的PN结来说明，即当具有适当能量的光照射半导体时，光与构成半导体的材料相互作用产生电子和空穴，如半导体中存在PN结，则电子向N型半导体扩散，空穴向P型半导体扩散，并分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端，如用导线连接这两个电极，就有电荷流动产生电能，这就是光生伏特效应，简称光伏效应。光伏发电概念及原理

二、相关知识光伏发电概述01理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电器，大到兆瓦级发电站，小到玩具，光伏发电无处不在。太阳能光伏发电的基本元件是太阳能电池（片），包括单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池和薄膜电池等。其中，单晶硅电池和多晶硅电池用量非常大，非晶硅电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。多晶硅电池的效率在16%～17%，单晶硅电池的效率在18%～20%。光伏组件由一个或多个太阳能电池片组成。光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场提供电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草坪灯等；三是并网发电。光伏发电的主要用途

二、相关知识光伏发电概述01我国太阳能电池的研究始于1958年。1959年，第1个有实用价值的太阳能电池研制成功。我国光伏发电产业于20世纪70年代起步，1971年3月首次成功地应用于我国第二颗卫星上，1973年太阳能电池开始在地面应用，1979年开始生产单晶硅电池。20世纪90年代中期，光伏发电进入稳步发展时期，太阳能电池及组件产量逐年稳步增加。经过30多年的努力，光伏发电在21世纪初迎来快速发展的新阶段。我国光伏发电的历史、现状及发展趋势

二、相关知识光伏发电概述01我国的光伏发电产业的发展有两次跳跃。第一次是在20世纪80年代末，我国先后投产了多条太阳能电池生产线，使我国的太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百千瓦一下子上升到6个厂的4.5MW，引进太阳能电池生产设备和生产线的投资主要来自中央政府、地方政府、国家工业部委和大型国有企业。第二次光伏发电产业的跳跃式发展是在2000年以后，主要是受到国际大环境的影响、国际项目/政府项目的启动和市场的拉动。2002年由中华人民共和国国家发展和改革委员会负责实施的“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程，以及2006年实施的“送电到村”工程均采用宇翔太阳能光伏发电技术。在这些措施的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展的势头日渐明朗。我国光伏发电的历史、现状及发展趋势

二、相关知识光伏发电概述01到2007年年底，我国光伏发电系统的累计装机容量达到100MW，从事太阳能电池生产的企业达到50余家，太阳能电池生产能力达到2900MW，太阳能电池年产量达到1188MW，超过日本和欧洲各国，并初步建立起从原材料生产到光伏发电系统建设等多个环节组成的完整产业链，特别是多晶硅材料生产取得重大进展，突破年产千吨大关，冲破太阳能电池原材料生产的瓶颈制约，为我国光伏发电产业的规模化发展奠定基础。2007年是我国太阳能光伏发电产业快速发展的一年，受益于太阳能产业的长期利好，整个光伏发电产业出现前所未有的投资热潮，迎来快速发展。我国光伏发电的历史、现状及发展趋势

二、相关知识光伏发电概述012009年6月，由中广核能源开发有限责任公司、江苏百世德太阳能高科技有限公司和比利时Enfinity公司组建的联合体以1.0928元/千瓦时的价格竞标成功我国首个光伏发电示范项目——甘肃敦煌10MW并网光伏发电项目，1.0928元/千瓦时电价的落定，标志着该电价不仅将成为国内后续并网光伏发电站的重要基准参考价，也将成为国内光伏发电补贴政策出台、国家大规模推广并网光伏发电的重要依据。我国光伏发电的历史、现状及发展趋势

二、相关知识光伏发电概述01在今后的十几年中，我国光伏发电的市场将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠发电站和城市屋顶发电系统。我国太阳能光伏发电发展潜力巨大，配合积极、稳定的政策扶持，截至2020年年底，全国光伏发电系统装机容量为25.3MW，年发电量可达3.3亿MW，相当于80多个大型煤电厂发电量。随着《2030年前碳达峰行动方案》的提出，我国太阳能光伏发电产业又将迎来新一轮的快速增长，并吸引更多的战略投资者融入这个行业中来。我国光伏发电的历史、现状及发展趋势

二、相关知识光伏发电中的电力电子技术02太阳能光伏电池所发出的电能是随太阳光辐射照度、环境温度、负载等变化而变化的不稳定直流电，不能满足用电负载对电源品质的要求，因此需要应用电力电子技术对其进行直流/直流（DC/DC）变换或直流/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。

二、相关知识光伏发电中的电力电子技术02典型光伏发电系统的基本结构光伏发电系统分为独立型光伏发电系统和并网型光伏发电系统。

二、相关知识光伏发电中的电力电子技术02光伏直流变换电路光伏直流变换电路主要采用PWM和PFM两种控制方法。其中，PWM为常用控制方法。光伏直流变换器主电路分为直接变换和间接变换两大类，直接变换有降压（Buck）变换器、升压（Boost）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变换器主电路和Boost变换器主电路是基本的变换器拓扑，由此可派生出多种组合结构。

二、相关知识光伏发电中的电力电子技术02光伏直流变换电路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。设置CS是为保证光伏阵列输出电流连续，以免发电功率损失。该电路具有结构简单、效率高、易控制的特点。

二、相关知识光伏发电中的电力电子技术02光伏直流变换电路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，当开关管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，且该电路可将光伏阵列输出电压升高。该电路结构简单、效率高、易控制，但不能进行降压变换。

二、相关知识光伏发电中的电力电子技术02光伏直流变换电路单端正激变换器主电路如图所示，在VT开通时，光伏阵列经变压器T向C、R馈电。调节占空比或T的变比，可调节输出电压。其多用于小容量的降压电路，需采取磁芯复位措施。

二、相关知识光伏发电中的电力电子技术02光伏直流变换电路单端反激变换器主电路如图所示，在VT关断时，光伏阵列经变压器T向C、R馈电。它具有元件少、易实现多路输出的优点，但变压器的励磁电流仍为单向。

二、相关知识光伏逆变电路03“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PWM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SPWM技术是目前应用非常广泛的电压源逆变器控制技术，为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，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源型逆变器的电压空间矢量PWM（SpaceVectorPulseWidthModulation，SVPWM）技术。SVPWM技术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，在三相桥式电压源型逆变器控制中的应用日益广泛。

二、相关知识光伏逆变电路03光伏直流变换电路（1）离网型光伏发电逆变器。离网型光伏发电逆变器一般采用电压源型逆变器，图所示为单相桥式全控电压源型逆变器主电路结构。图中，CS组成直流侧滤波电路，L1、C1组成交流输出滤波器，T为变压器。

二、相关知识光伏逆变电路03光伏直流变换电路离网型三相光伏发电系统中的逆变器主要有两种形式：一是采用3个上图所示的单相桥式全控电压源型逆变器组合（如并联）为三相电压源型逆变器，其存在元器件多、成本高、体积大的缺点；二是采用三相桥式电压源型逆变器（见右图），其利用由3个桥臂构成的变换器代替3个单相桥式全控电压源型逆变器，具有结构简单、成本低、体积小的优点，应用广泛。

二、相关知识光伏逆变电路03光伏直流变换电路（2）并网型光伏发电逆变器。并网型光伏发电逆变器的控制目标是使逆变器输出电压的幅值、频率、相位与电网一致，输出电流波形谐波小，实现向电网无扰动平滑供电。按功率级数，并网型光伏发电逆变器有单极式、两级式两种。其中，单极式结构简单，无DC/DC环节，光伏阵列直接经逆变器并网，但电网与光伏发电系统直流母线间无能量解耦环节，实现MPPT、逆变、并网控制的算法复杂。图8-7（b）所示为两级式并网型光伏发电逆变器，先通过前级的DC/DC变换实现MPPT，再经后级的DC/AC变换进行逆变、并网控制，两级控制可以解耦，控制算法较为简单。

二、相关知识光伏逆变电路03光伏直流变换电路按逆变器输出与电网之间是否接有隔离变压器，并网型光伏发电逆变器分为隔离型并网型光伏发电逆变器和非隔离型并网型光伏发电逆变器。隔离型并网型光伏发电逆变器不仅能够提高安全性，且可通过选择隔离变压器变比调节电压变换范围，增大直流母线电压的输入范围，故可根据场地要求进行光伏阵列优化设计。

二、相关知识光伏逆变电路03光伏直流变换电路图所示为有隔离变压器的电压型三相大功率并网型光伏发电逆变器的结构。其控制方式分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制4种。以电流源为输入的并网型光伏发电逆变器，其直流侧需要串联一大电感器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性能差，因此当前世界范围内大部分并网型光伏发电逆变器均采用以电压源输入为主的控制方式。

二、相关知识光伏逆变电路03光伏直流变换电路并网型光伏发电逆变器与市电并联运行的输出控制方法可分为电压控制和电流控制。如果并网型光伏发电逆变器的输出采用电流控制，则只需控制并网型光伏发电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。由于该控制方法相对简单，因此使用比较广泛。综上所述，并网型光伏发电逆变器一般采用电压源输入、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、桥式半控逆变技术系统、多DC/DC（MPPT）逆变系统，如下图所示。

二、相关知识光伏逆变电路03光伏直流变换电路

二、相关知识光伏逆变电路03光伏直流变换电路

二、相关知识光伏发电中电力电子技术的发展04（1）光伏发电中的多电平逆变器。在交流大功率变换领域，常采用开关器件串/并联、多重化（功率变换装置串/并联）及多电平变换等技术解决电力电子器件耐压与功率变换电压等级的矛盾。其中，多电平变换技术已成为研究热点。传统的逆变器又称二电平逆变器，其在一个开关周期内逆变桥臂的相电压