光伏发电系统及其控制的研究

郭 歌

（中国能源建设集团山西电力建设有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

随着全球能源需求的不断增长和环境问题的加剧，可再生能源已经成为解决当今能源挑战的重要方式之一。太阳能光伏发电系统因其清洁、可再生、可持续的特点，被广泛视为未来能源体系的重要组成部分。光伏发电系统利用太阳能将光能转化为电能，成为了全球范围内的绿色能源解决方案。传统能源资源的有限性和对环境的不利影响已经引发了对新型能源技术的强烈需求。在这一背景下，光伏发电系统应运而生，其具有低碳排放、零污染、可再生的特点，成为了可持续发展的理想选择。光伏发电系统的分布式性质，即可以在各种规模的应用中使用，使其适用于城市屋顶、农村地区、工业用途以及远程地区的电力供应，从而为各种领域提供了清洁电能。本研究将深入探讨光伏发电系统的原理、控制策略及其面临的技术挑战，旨在提供解决方案和建议，推动光伏技术的进一步发展，以应对当今的能源和环境挑战，为清洁能源未来作出贡献。

1 光伏发电系统的基本原理

1.1 光伏电池的工作原理

光伏电池的工作原理是基于光电效应，该效应首次由爱因斯坦在20 世纪初期提出。当太阳光照射到光伏电池的半导体材料表面时，光子激发了半导体内的电子。这些激发的电子被释放并引导到电池中的电路，从而形成电流[1]。这个电流被捕获并用于为电网或负载供电。具体原理图如图1 所示。

图1 光伏电池的工作原理图

光伏电池工作原理的核心方程是外部量子效率方程，它描述了光电转换效率：

式中：EQE，λ为外部量子效率，表示在不同波长的光下，电子的产生效率；Iph，λ为光伏电池在波长λ 处产生的电流；n光子，λ为波长λ 处的入射光子数。

光伏电池的性能还受到开路电压（Voc）和短路电流（Isc）的影响。这两个参数分别表示在没有外部负载时的电压和电流值，它们决定了光伏电池的最大输出功率。此外，光伏电池的填充因子（FF）和转换效率（η）也是关键参数，FF 表示实际输出电流与理论最大输出电流之间的比率，而η 为光伏电池的总效率。

1.2 光伏模块与阵列的配置和特性

光伏模块是光伏电池的集合体，其配置和特性对整个系统性能具有重要影响。在实际应用中，光伏模块通常以串联和并联的方式组装成光伏阵列，以满足不同负载和电网要求。

串联连接多个光伏模块时，它们的电压相加，而电流保持不变。这有助于提高系统的总电压，特别适用于将光伏电池系统与高电压电网连接，以减小电流损耗。

并联连接多个光伏模块时，它们的电流相加，而电压保持不变。这有助于增加系统的总电流，适用于将光伏电池系统与低电压电网或需要高电流的负载连接。

光伏模块的特性可以通过伏安特性曲线来描述，该曲线显示了在不同电压和电流条件下的输出功率。在实际应用中，光伏模块的最大功率点（MPP）电压和电流是非常关键的参数，因为它们决定了模块的最佳性能和效率。

1.3 逆变器和电池储存系统

逆变器是光伏发电系统的关键组件，它的任务是将光伏模块产生的直流电（DC）转换为交流电（AC），以便供电网或负载使用。逆变器工作原理基于高频开关操作，它会断断续续地打开和关闭电路，以便在输出交流电时模拟正弦波形。逆变器还具有电压控制和电流保护装置，以确保输出的电流和电压在安全范围内。

电池储存系统在光伏系统中发挥着重要作用，它们可存储白天光伏模块产生的电能，以在夜晚或天气不佳时供电。不同类型的储能系统包括锂离子电池、铅酸电池和钠硫电池等。这些系统通过充电和放电来平衡电力需求与供应之间的不匹配，提高系统的可靠性和稳定性。此外，它们还可用于应对负载尖峰和谷值，降低电费成本。

2 光伏发电系统的控制策略

2.1 最大功率点追踪（MPPT）技术

最大功率点追踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技术是提高光伏发电系统效率的关键因素之一。它的主要目标是确保光伏电池模块在不同光照条件下都能工作在其最大功率点，从而最大限度地提高能量输出。MPPT 算法通常根据电池的电压和电流特性来调整负载，以使系统工作在最佳点[2]。

一种常用的MPPT 方法是“Perturband Observe”（P&O），其基本思想是通过微小的电压或电流扰动来监测功率变化，然后朝着功率增加的方向调整操作点，直到找到最大功率点。P&O 算法的数学表达如下：

式中：P为功率；V为电压；I为电流；ΔV和ΔI分别为电压和电流的微小变化。

P&O 算法通过不断比较Δ·ΔV·I和·ΔV·ΔI的大小来调整电压或电流，以使系统运行在最大功率点。尽管这是一种常见的MPPT 技术，但它也存在一些问题，如在光照条件变化较快时可能会产生震荡。

其他MPPT 技术包括基于模型的方法、模糊逻辑控制、小波变换和人工神经网络等。这些方法各有优势和适用性，可根据系统要求和光照条件进行选择。

2.2 逆变器的控制策略与优化

逆变器在光伏系统中起到关键作用，将直流电转换为交流电以供电网或负载使用。为了提高系统性能，逆变器需要采用适当的控制策略和优化技术。

一种常见的逆变器控制策略是基于PWM（脉冲宽度调制）的控制。PWM逆变器将直流电源转换为交流电，通过调整开关器件的脉冲宽度来控制输出电压。其基本数学表达如下：

式中：D为占空比；Vdc为直流电压；Vac为交流电压。

控制占空比可以实现电压和频率的调整，从而使逆变器适应不同的电网要求。此外，PWM控制还可以减小谐波失真，提高输出电流质量。

在现代光伏系统中，以电流控制为基础的控制策略也变得流行。这种方法通过控制输出电流来实现更精确的电流匹配和保护功能。电流控制逆变器通常采用内部电流控制回路来跟踪所需的电流参考值，并实时调整开关器件的状态以实现所需的输出。逆变器的优化还包括谐波滤波、电流限制、过压保护、温度管理等方面。这些技术有助于提高逆变器的效率、稳定性和可靠性，减少功耗，并延长设备寿命。

2.3 系统稳定性与保护控制

光伏发电系统的稳定性和安全性对于长期运行至关重要。系统稳定性问题包括电压和频率波动、电压失调、谐波失真等。为了维护系统的稳定性，可以采取以下措施：

1）电压控制：通过调整逆变器输出电压来维持系统电压稳定，以确保其与电网或负载的匹配。

2）频率控制：系统频率应与电网频率匹配，因为不匹配可能导致电网连接问题。频率控制可以通过逆变器控制策略来实现。

3）谐波滤波：谐波滤波器用于减小谐波失真，确保系统的电流和电压质量符合标准。

4）保护控制方面，光伏系统需要保护免受电压浪涌、电流过载、短路、逆变器故障和电池过放电等问题的影响。这包括采用电压和电流传感器进行实时监测，以及实施过压和过流保护机制。

3 光伏发电系统的经济效益

3.1 投资回报率（ROI）

太阳能光伏发电系统的安装是一个需要初始投资的过程，但随着时间的推移，这个投资通常会得到回报。以下是一些投资回报率的数据和分析：

1）平均投资回报时间：根据国家和地区的差异，以及具体系统规模和性能而定，太阳能光伏系统的平均投资回报时间通常在5～10 年。在某些情况下，这一期限可能更短，具体取决于太阳能资源、政府激励政策和电力价格。

2）年化ROI 率：根据美国国家可再生能源实验室（NREL）的数据，美国的太阳能光伏系统在一些地区可以获得超过10%的年化投资回报率。这意味着光伏系统的年均利润可以达到投资的10%以上。

3）逐渐降低的成本：太阳能光伏系统的成本不断下降，使其更具吸引力。在过去的十年中，光伏模块的价格下降了约80%，而逆变器和安装成本也有所减少。

3.2 成本效益

除了投资回报率，成本效益也是评估太阳能光伏系统的经济效益的重要因素。

1）系统成本：太阳能光伏系统的成本主要包括太阳能电池模块、逆变器、安装、维护和电网连接等。根据系统规模、类型和地理位置的不同，一个标准的居住用太阳能光伏系统的成本通常在10 000～30 000 美元之间。

2）电费节省：太阳能光伏系统可以显著降低电费支出。根据能源信息管理局（EIA）的数据，美国家庭的电费每年平均约为1 500 美元。一个典型的太阳能光伏系统可以减少或消除这一费用。

3）长期效益：光伏系统的寿命通常在25～30年，因此在其寿命内，系统主人可以节省数十万美元的电费支出。

3.3 环境效益

太阳能光伏系统对环境产生了显著的积极影响，降低了碳排放、保护自然资源，并改善了空气和水质。表1 提供了一些相关的具体数据，以更清晰地表达这些环境效益。

表1 太阳能光伏系统对环境影响数据

1）减少二氧化碳排放：太阳能光伏系统通过减少对化石燃料的依赖，显著降低了二氧化碳（CO2）的排放。数据显示，一个6 kW 的太阳能光伏系统每年可以减少4.5～6.7 t 的CO2排放。这对于减缓气候变化和改善空气质量具有重要意义。

2）节省水资源：传统的火力发电和核能发电需要大量淡水用于冷却系统。相比之下，太阳能光伏系统无需水资源。一个标准太阳能光伏系统每年可以节省40 000～50 000 加仑的淡水资源。这有助于保护有限的水资源，尤其是在干旱地区。

3）减少空气污染物排放：与传统燃煤发电相比，太阳能光伏系统无需燃料燃烧，因此减少了大气中的空气污染物排放。每年，一个典型的太阳能光伏系统可以减少0.5～1.0 t 的氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）和颗粒物排放。这有助于改善空气质量，减少与呼吸道疾病有关的健康问题。

4）节省土地使用：太阳能光伏系统通常安装在建筑物的屋顶或未利用的土地上，无需额外的土地。相比之下，传统发电厂需要大片土地用于电站和燃料采购。一个标准的太阳能光伏系统可以节省0.1～0.2 平方英里的土地，有助于保护自然生态系统和减少土地开发对环境的冲击。

这些数据表明太阳能光伏系统不仅可以为经济带来利益，还可以显著减少对环境的负面影响。通过减少碳排放、保护水资源、改善空气质量和减少土地使用，太阳能光伏系统在推动可持续发展方面发挥了积极作用，有助于实现清洁和环保的能源未来。

4 结语

在光伏发电系统及其控制的研究中，深入探讨了光伏电池的工作原理、逆变器控制策略、高阶控制技术以及分布式光伏系统与微电网的集成控制。这些研究和应用为清洁能源的发展和可持续能源供应提供了重要支持。随着技术的不断进步，光伏发电系统在全球范围内正迅速扩大应用，为减少对化石燃料的依赖、减少碳排放和推动可再生能源的普及作出了重要贡献。随着更多的创新和研究，光伏发电系统将继续成为未来清洁能源领域的关键技术，并为实现可持续的能源未来提供持久的动力。