光伏发电关键技术的研究与发展综述_(1)李建宁

李建宁 / 硕士研究生关键词 /Keywords光伏电池 ·光伏逆变器 ·MPPT·孤岛效应 ·孤岛检测 ·专栏 | Columns70 · 电力电气 · 2012 年第 31 卷第 5 期光伏发电关键技术的研究与发展综述随着最近 10 年全球光伏产业的迅猛发展 ， 光伏发电相关技术的研究取得了巨大的进展 。 结合国内外光伏发电技术的发展及最新研究成果 ， 分析比较了三代太阳能电池的性能参数及最新发展情况 ， 对光伏发电系统中的各类逆变器的拓扑和其工作特性进行了总结 ； 控制策略方面 ， 综述了最大功率点追踪中的恒定电压法 、 扰动观测法 （ 爬山法 ） 和电导增量法的原理与具体实现 ； 并对孤岛检测中的被动式和主动式检测及其实现方法作了深入的探讨和研究 。 在此基础之上 ， 还对未来光伏发电技术的发展趋势进行了分析与展望 。李建宁 刘其辉 李 赢 张雪莉 /华北电力大学电气与电子工程学院自工业革命以来 ， 常规化石能源一直是人类经济发展的支柱 ， 但是能源枯竭和环境恶化使人类加紧了寻找新的清洁的 、 可再生的能源 ， 太阳能以其储量巨大 、 安全和清洁等优点必将成为 21世纪人类的首选 。 太阳能利用形式之一的光伏发电技术以其规模灵活 、 建设周期短和维护简单等优点 ， 成为了人们开发太阳能资源的重要方式 。 光伏产业发展较早的美国 、 日本和德国已经走在了世界的前列 ； 而中国的光伏产业经历了最近 10 年的迅猛发展 ， 已占据了世界光伏电池生产的半壁江山 。本文在结合国内外太阳能光伏发电产业发展现状的基础上 ， 论述了 3 代光伏电池的最新发展 ； 分析了光伏逆变器的典型拓扑及其逆变原理 ； 并对光伏发电控制策略中的最大功率点跟踪和孤岛检测的原理及其实现方法作了对比研究 。光伏电池（ 1） 光伏电池分类 ［ 1］随着光伏电池相关技术的发展 ， 光伏电池种类也不断更新 。 按照使用材料及其应用方式光伏电池分类如图 1 所示 。图 1 太阳能光伏发电分类在各种光伏电池中 ， 应用较多的仍是晶硅 电 池 ， 2009 年 市 场 份 额 为 85% ［ 2］ ；非晶硅也占有一定的市场比率 ； 而大部分多元化合物半导体技术仍处于实验室阶段 ， 离大规模市场应用还有一定距离 。（ 2） 三代光伏电池 ［ 2］第一代光伏电池有多晶硅 （ Polycrys-talline Silicon Solar Cell ） 、 单 晶 硅 电 池（ Monocrystalline Silicon Solar Cell） 。 单晶硅电池转换效率为 16% ～ 20% ， 多晶体硅电池效率为 14% ～ 17% 。 硅材料转化率的经典理论极限是 29% ， 而随着纳米技术 的 引 入 ， 其 转 化 效 率 有 望 提 高 至30% 以上 。 目前以单晶硅 、 多晶硅为主的硅基光伏电池占据着全球 80% 以上的市场份额 。第二代光伏电池有各种薄膜 （ Thin-film） 电池 ， 其薄膜厚度一般在 2 ～ 3μ m。其中包括碲化镉电池 （ CdTe） 、 铜铟镓硒电池 （ CIGS） 、 非晶硅薄膜电池 （ ASi ） 、砷化镓电池和纳米二氧化钛染料敏化电池光伏发电关键技术的研究与发展综述www . eage . com. cn 2012 年 3 月上 · 电力电气 · 71等 。 据统计 ， 2009 年碲化镉电池 （ CdTe） 约占全球薄膜电池产量的 60% ［ 3］ 。第三代太阳电池有超叠层太阳电池 、 热光伏电池 （ TPV） 以及量子阱和量子点超晶格太阳能电池等新型光伏电池 。三种硅材料半导体电池如图 2 所示 。图 2 三种硅材料半导体电池一般最小的太阳能电池单元电压为 0. 45 ～0. 5 V， 电流为 20 ～ 25 mA［ 4］ 。 这样的输出电压电流值明显不能满足实际的用户需求 ， 所以往往通过串并联电池单元 ， 以达到合适的输出电压电流等级 。 为了便于维护保养 ， 提高光伏电池的使用寿命 ， 将这些电池单元封装在一起即形成电池组件 。将若干电池组件串并联在一起即为光伏阵列 ［ 5］ 。（ 3） 世界主要光伏电池生产商根据 Photon International 的 统 计 数 据 ， 2010年 Suntech （ 尚德 ） 、 JA Solar （ 晶澳 ） 和 First So-lar 产能排名前三 ， 其他依次是天合 、 Q-Cells （ 欧洲 ） 、 中国英利 、 Motech （ 中国台湾 ） 、 Sharp （ 日本 ） 、 Gintech （ 中国台湾 ） 和 Kyocera （ 日本 ） 。就市场长远发展来看 ， 晶硅电池所占比例会越来越小 ， 但是在未来 10 年内其主导地位不会改变 。 另外薄膜电池以其用硅量极少 ， 更容易降低成本 ， 是一种新型建筑材料等优点 ［ 2］ 而具有更加广阔的发展前景 。光伏电力电子变流技术 ［ 6］光伏并网逆变器是并网光伏发电系统 （ 简称PV 系统 ） 能量转换和控制的核心 ， 其性能决定了整个光伏并网系统的稳定 、 安全 、 可靠和高效运行 。 根据有无隔离变压器 ， 光伏并网逆变器可分为隔离型和非隔离型等 ， 分类如图 3 所示 。1. 各种类型逆变器结构（ 1） 隔离型光伏并网逆变器 ［ 7］1） 工频隔离型光伏并网逆变器 。 图 4a 为工图 3 光伏并网逆变器分类频隔离型光伏并网逆变器结构 。 这种结构是市场上应用最多的光伏逆变器类型 ， 工频变压器的采用也使主电路和控制电路较简单 。 另外 ， 由于变压器的隔离作用 ， 一方面可以防止电网电流流入光伏发电系统侧 ， 提高系统安全 ， 另一方面可以防止变流器向电网注入直流分量及变压器饱和 。缺点是体积大 ， 成本和安装难度高 。2） 高频隔离型光伏并网逆变器 。 如图 4b 所示 ， 高频隔离变压器大大减小了逆变器的体积和重量 ， 唯一的不足是逆变器的效率比工频要低 。图 4 隔离型光伏并网逆变器结构（ 2） 非隔离型光伏并网逆变器隔离型光伏逆变器的突出缺点是变压器的能量损耗较大 ， 数千瓦的小型变压器的损耗甚至可以达到 5% 以上 。 非隔离型光伏并网逆变器显然克服了这一缺点 ， 它可以显著地提高逆变器效率 。同时省去变压器 ， 使得逆变器的体积和重量都大大减小 ， 结构更简单 ， 成本更低 。1） 单级非隔离型光伏并网逆变器 。 图 5a 为单级非隔离型光伏并网逆变器结构 ， 要求逆变器工作在工频模式 。 同时为了满足直流电直接逆变并网 ， 光伏阵列需要有较高的电压等级 ， 这就对系统的绝缘等级提出了更高的要求 。2） 多级非隔离型光伏并网逆变器 。 图 5b 为多级非隔离型光伏并网逆变器 ， 功率变换一般需DC/DC、 DC /AC 级联组成 。 需要注意的问题 ： 是大面积的光伏阵列与地之间存在的分布电容 ， 即存在共模漏电流 ； 又因为光伏阵列与电网是不隔离的 ， 所以光伏发电系统会向电网注入直流分量 ，对电网中器件的运行产生不利影响 。专栏 | Columns72 · 电力电气 · 2012 年第 31 卷第 5 期图 5 非隔离型光伏并网逆变器结构2. 光伏并网逆变器改进型拓扑非隔离型逆变系统虽然存在上述不足 ， 但是只要措施得当 ， 直流分量还是可以抑制在允许的范围内的 。 由于非隔离型光伏并网逆变器具有体积小 、 质量轻 、 效率高和成本较低等优势 ， 使得其在未来的光伏并网逆变技术中更具发展前景 。在此对非隔离型光伏并网逆变器改进型拓扑及其实现原理作进一步分析 。（ 1） 基于 Z 源网络的单级非隔离型光伏并网逆变器针对常规电压源单级逆变器存在直流电压等级要求较高 、 直流侧抑波电容过大等不足 ， 文献［ 8］ 提出了一种基于 Z 源网络的单级非隔离型光伏并网逆变器 ， 如图 6 所示 。 这种逆变器的优点是 ： 交流电压具有较大的输出范围 ， 可高于 、 低于直流输出电压 ； 同一桥臂间两个管子可同时导通 ， 这正是此种逆变器拥有独特升压特性的原因 。图 6 基于 Z 源网络的单级非隔离型光伏并网逆变器拓扑（ 2） 双模式 Boost 多级非隔离型光伏并网逆变器常规 Boost 多级非隔离型光伏并网逆变器存在开关频率高 、 损耗大的缺点 。 介绍一种改进型的双模式 Boost 多级非隔离型光伏并网逆变器 ，如图 7 所示 。图 7 双模式 Boost 多级非隔离型光伏并网逆变器这种拓扑的优点在于前后两级环节不同时工作于高频 状 态 ， 总 开 关 频 率 减 小 ； 旁 路 二 极 管VDb 的引入使系统工作在全桥逆变模式时输出电流直接通过 VD b， 系统损耗大大减小 。 因此 ， 增加了系统的转化效率和寿命 ， 体积及质量都相应减小 。除了上述拓扑外 ， 文献 ［ 9］ 还介绍了一种多支路光伏并网逆变器 。 它的特点是多个支路逆变器可独立进行能量转换 ， 可最大限度地利用太阳辐射能 ； 同时因其具有安装灵活 、 维护方便等优点而具有较高的使用价值 。控制策略1. 最大功率点追踪研究最大功率点追踪 （ Maximum Power PointTracking， MPPT） 的算法很多 ， 发展较成熟的有恒定 电 压 法 （ Constant Voltage Tracking， CVT） 、扰动观测法 （ Perturbation And Observation， P＆O ）或者 称 爬 山 法 （ Hill Climbing ） 和 电 导 增 量 法（ Incremental Conductance） 等 。1） 恒定电压法 （ CVT） ［ 10］ 是将光伏电压固定在最大功率点附近 ， 实际上是一种稳压控制 。 特点是控制简单容易实现 ， 工作电压稳定 ， 可靠性高 。 但是跟踪精度较差 ， 忽略了温度对电压的影响 ， 在温度变化较大的地区跟踪效果不好 ， 对外界条件的适应性差 。 因此 ， 在实际中应依据应用地点的不同设定合适的电压值 ， 以保证最佳的功率追踪效果 。 通常将恒定电压法与其他方法结合使用 。2） 扰动观测法 （ P＆O ） （ 爬山法 ） ［ 10， 11］ 是通过不断扰动光伏系统的工作点来寻找最大功率点的方向 ， 即不断地增大或者减小 PV 系统的输出端电压 ， 同时将其输出功率与本次扰动前的 PV系统输出功率进行比较 ， 以确定最大功率输出点 ，如图 8 所示 。该控制方法思路简单 ， 实现较为方便 ， 跟踪效率高 ， 能有效提高太阳能的利用效率 。 同时扰动观测法也是研究最多 、 最常用的 MPPT 方法 。缺点是只能在光伏电池最大功率点附近振荡 ； 扰动步长的选择要合适 ， 步长较小时会使 PV 系统光伏发电关键技术的研究与发展综述www . eage . com. cn 2012 年 3 月上 · 电力电气 · 73图 8 扰动观测法长时间工作于低功率输出状态 ， 反之又有可能使其在最大功率点附近波动增加 ； 另外 ， 在环境变化较快时此种方法可能会出现误判 ［ 12 ， 13］ 。3） 电导增量法 ［ 10］ 是通过比较太阳能电池阵列的瞬时导抗与导抗的变化量的方法来完成最大功率点跟踪的功能 。光伏电池的 P-U 曲线是一个单峰值曲线 ， 即在 dP /d U = 0 点取得功率最大值 。 其中 ， P 为光伏电池输出功率 ， U 为光伏电池输出电压 。 因此可得到dP/ dU ＞ 0 最大功率点左侧dP/ dU = 0 最大功率点处dP/d U ＜ 0{ 最大功率点右侧因为 dPdU = dUIdU = I + U dIdU。 因此通过判断 IU +dIdU = 0 即 G + dG = 0 （ G为导电 ） 就可以判断光伏电池是否工作在最大功率点 。该方法优点是能够快速地跟踪光强迅速变化引起的最大功率点变化 ， 控制效果好 ， 稳定度高 。缺点与扰动观测法类似 ， 步长较长时跟踪速度快 ，但是很可能会致使系统在最大功率点附近波动 ；阈值较小时追踪较精确 ， 但是很可能不能稳定运行于阈值之内 ， 而是左右振荡 。除上述几种常用的 MPPT 控制方法外 ， 还有一些新发展出来的算法 ， 如间歇扫描法 、 三点重心比较法 、 直线近似法 、 模糊控制法以及神经网络控制法等 。 虽然最大功率跟踪控制方法很多 ，但很多算法并不完善 ， 而且有些算法现阶段技术无法很好地实现 ， 因此在未来的可再生能源开发领域 ， MPPT 控制方法仍有着广阔的发展空间 。2. 孤岛检测（ 1） 孤岛效应孤岛效应是指当电网由于电气故障 、 误操作或自然因素等原因中断供电时 ， 各个用户端的分布式发电系统 （ 如光伏发电 、 风力发电和燃料电池发电等 ） 因未能及时检测出停电状态而将自身脱离公共电网 ， 此时分布式发电系统和本地负载形成一个公共电网系统无法控制的自给供电的孤岛系统 ， 如图 9 所示 。图 9 光伏发电系统的孤岛网络拓扑图如果孤岛内没有预先规划和设计好的控制措施 ， 当孤岛效应发生时主网不再对孤岛的电压和频率起调节作用 。 孤岛中的 PV 系统和负荷的功率不匹配以及孤岛内缺乏电压 、 频率控制使得孤岛的行为不可预测 ， 此时分布式电源应及时停止向孤岛供电 ， 否则将会对孤岛内的用电设备以及故障检修人员造成严重的危害 ， 并且还会影响系统自动重合闸以及继电保护正确动作 。（ 2） 孤岛效应的检测分类 ［ 14- 16］ 及原理根据 IEEE 相关标准 ［ 17， 18］ ， 作为分布式电源之一光伏发电系统必须具有主动或被动的孤岛检测能力 。1） 被 动 式 检 测 方 法 。 被 动 式 孤 岛 检 测 方法 ［ 19- 21］ 主要是通过监测光伏发电系统与电网的公共连接点 （ Point of Common Coupling， PCC） 处电力参数的变化来判断是否发生孤岛 ， 属于在光伏发电系统侧设计的局部孤岛检测方法 。 典型的被动式检测方法有过 / 欠电压和高 / 低频率检测法 、电压相 位 突 变 检 测 法 （ PJD） 以 及 电 压 谐 波 检测法 。a. 过 /欠电压和高 /低频率检测法 ［ 18］如图 10 所示 PV 系统并网运行结构图中 ， 电专栏 | Columns74 · 电力电气 · 2012 年第 31 卷第 5 期网提供的功率为 Δ P = PL － Pinv 、 Δ Q = QL － Qinv 。图 10 PV 系统并网运行结构图当发生孤岛时 ， Δ P、 Δ Q 的值会很大 ， 即 PV系统输出功率与负载功率不匹配 。 其中有功功率和无功功率不匹配分别会导致电压幅值和频率的变化 。 当幅值和频率变化超过其设定的阈值时 ，保护电路就会检测到孤岛的 发 生 ， 并 做 出 相 应动作 。这种方法优点是算法简单 、 容易实现 ， 在 PV系统与负载差额较大时效果较好 ； 缺点是 PV 系统与负载近似匹配时 ， 则电压和频率的变化很小 ，检测 的 效 果 较 差 。 即 这 种 检 测 方 法 存 在 盲 区（ NDZ） 。b. 电压相位突变检测法 （ PJD）此种方法是利用逆变电源输出电流与公共连接点 （ PCC） 电压之间相位差变化来检测孤岛的发生 。多数的光伏逆变器为单位功率因数运行 ， 即PV 系统输出的电流与电压是同相位的 。 但当发生孤岛时 ， PCC 的电压不再受电网钳制 ， 而由负载性质决定 。 由于负载阻抗角的存在 ， 使得 PCC 电压的相位发生跳变 ， 其电压和电流出现相位差 ，如图 11 所示 。 因此 ， 通过测量 PCC 的电压和电流的相位差就可以确定是否发生孤岛 。图 11 相位突变检测原理相位突变检测算法简单 、 易于实现 。 但当负载近似呈阻性时 ， 由于所设阈值的限制 ， 该方法就会检测失败 。c. 电压谐波检测法电压谐波检测法是通过检测公共连接点电压的总谐波失真 （ THD） 来检测孤岛的发生 ， 如果THD 超过设定的阈值 ， 则可检测到孤岛发生 。 通常情况下 ， PV 系统并网逆变器输出的电流总会有部分谐波 。 在 PV 系统正常并网运行时 ， 因为电网的系统总阻抗很小 ， PCC 电压的总谐波畸变率较低 。 当 PV 系统与电网断开时 ， 由于负载的阻抗相对电网来说大得多 ， PCC 的电压谐波将会很大 。 因此 ， 可以通过检测 PCC 的电压谐波或谐波的变化来判断 PV 系统是否处于孤岛状态 ［ 22］ 。该方法的优点是孤岛检测的范围宽 ， 适用于多台逆变器的情况 。 缺点是受系统中非线性负载等因素的影响 ， 动作阈值很难确定 ［ 23］ 。综合上述 ， 被动式孤岛检测方法的优点在于检测时不会对电网产生影响 ， 但是这一类检测方法存在着检测盲区 ， 当光伏发电系统和负荷功率差额较小时 ， 孤岛现象很难被检测到 。 若将动作阈值整定得较小 ， 在系统发生扰动时 ， 这种方法就容易造成误检 。2） 主动式检测方法 。 主动式孤岛检测方法是通过光伏发电系统的控制器向电网中注入小的扰动 ， 根据电网对此小扰动的响应来检测是否发生孤岛 。 其中基于阻抗测量的主动式检测方法 ［ 2］是向电网中注入小扰动 ， 通过检测系统的阻抗值来检测孤岛 。 这种方法的缺点是当系统中存在大量的分布式光伏发电系统时检测作用的响应会变得很小 ［ 24］ ， 从而不易检测出孤岛的存在 。 类似基于阻抗测量的主动检测思想的方法还有频率突变检测法 （ FJ） 。 与基于阻抗测量的检测方法类似 ，这种方法也不适合用于存在大量 PV 系统的情况 。另一种检测孤岛的思想是基于正反馈的主动检测方式 ［ 24， 25］ ， 它的原理是在光伏发电系统内部形成增益较小的正反馈控制 ， 这个正反馈控制对PV 系统是一个不稳定的因素 。 当光伏发电系统与电网相连时 ， 小增益的正反馈产生的扰动会被庞大的电网稀释抵消 。 反之 ， 当光伏发电系统与电光伏发电关键技术的研究与发展综述www . eage . com. cn 2012 年 3 月上 · 电力电气 · 75网断开时 ， 电网对光伏发电系统的维稳作用消失 ，正反馈增益将会迅速增大并破坏孤岛的稳定性 ，从而实现孤岛现象的快速检测 。 基于正反馈思想的常用检测方法有主动频率偏移 （ AFD） 、 滑模频率偏移 （ SMS） 。a. 主 动 频 率 偏 移 （ Active Frequency Drift ，AFD ） ［ 26］主动频率偏移 （ AFD） 是目前一种常见的输出频率扰动孤岛效应检测方法 。 这种方法是通过控制逆变器的输出电流的频率 finv 使其与 PCC 电压的频率 fg 存在一定差值 （ 并网要求范围之内 ） ，这样两者波形就存在一个 t Z 的时间差值 。 正常运行时 ， 系统保持 tZ 与电网电压周期的比值 μ 不变 。 当发生孤岛时 ， PCC 的电压频率发生突变 。由于锁相环的作用 ， 为了保持 μ 值不变 ， 逆变器输出电流频率 finv 不断增大直至突破保护电路的动作阈值 ， 孤岛被检测到 。图 12 主动频率偏移中逆变器电流和电网电压波形存在的问题是 ， 负载的阻抗角和频率偏移之间可能会有相互抵消作用 ， 这样就会致使电压和频率在发生孤岛时不能超过设定的动作阈值 ， 从而导致检测失败 。b. 滑模频率偏移滑模 频 率 偏 移 （ Slip Mode Frequency Shift，SMS） 是运用正反馈使并网逆变器输出电流 、 电压的相位偏移 ， 进而使频率发生偏移的方法 。 在此方法中 ， 逆变电源电流和 PCC 电压的相角并不恒为零 ， 而是 PCC点电压频率的函数 。i inv = I inv sin （ ω t + θ SMS + φ ）θ SMS = θ m sin π2 · f PCC － fNfm － f( )N式中 ， ω = 2π f PCC； θ m 为最大相移角 ； fPCC 为 PCC电压的频率 ； θ SMS为相角偏移 ； f m 为 θ SMS = θ m 时对应的最大频率 。与主动频率偏移方法类似 ， 在发生孤岛时 ，由于正反馈的作用 ， PCC 电压不断增大直至超过保护电路设定的阈值 ， 孤岛被检测出 。SMS只需在原有并网逆变器的锁相环基础上稍加改动 ， 比较容易实现 。 非检测区 （ NDZ） 较小 ， 由于正反馈的作用 ， 效率不受多台逆变器并联影响 。 但是该方法存在随着负载品质因数增加孤岛检测失败可能性变大的缺点 ， 并且由于此方法需要对逆变器输出电流的相位不停地进行修正 ，因此对电能质量的影响较大 。基于正反馈思想的孤岛检测方法具有造价低 、检测性能好等优点 ， 缺点是它会影响 PV 系统的稳定性 ， 而且这种检测方法也存在盲区 。综合上述 ， 各种孤岛检测方式各有优劣 ， 应用中应根据实际工程情况作出选择 ， 以达到最佳的检测效果 。结束语太阳能光伏发电相关技术的研究是太阳能光伏产业发展的关键因素 ， 对太阳能光伏发电的应用起到了巨大的推动作用 。本文综述了光伏发电中的电池 、 逆变器 、 最大功率点追踪以及孤岛检测等关键技术 。 重点对最大功率点追踪和孤岛检测的原理及其实现方法进行了分析和研究 ， 并在对比国内外最新发展成果的基础上 ， 指出了各种技术手段的关键环节及其适用范围的局限性 。参考文献［ 1］ 马宁 ． 太阳能光伏发电概述及发展前景 ［ J］ ． 智能建筑电气技术 ， 2011， 2 （ 5） ： 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