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自工業革命以來，常規化石能源一直是人類經濟發展的支柱，但是能源枯竭和環境惡化使人類加緊了尋找新的清潔的、可再生的能源，太陽能以其儲量巨大、安全和清潔等優點必將成為21世紀人類的首選。太陽能利用形式之一的光伏發電技術以其規模靈活、建設周期短和維護簡單等優點，成為了人們開發太陽能資源的重要方式。光伏產業發展較早的美國、日本和德國已經走在了世界的前列;而中國的光伏產業經歷了最近10年的迅猛發展，已占據了世界光伏電池生產的半壁江山。   本文在結合國內外太陽能光伏發電產業發展現狀的基礎上，論述了3代光伏電池的最新發展;分析了光伏逆變器的典型拓撲及其逆變原理;并對光伏發電控制策略中的最大功率點跟蹤和孤島檢測的原理及其實現方法作了對比研究。光伏電池   (1)光伏電池分類［1］   隨著光伏電池相關技術的發展，光伏電池種類也不斷更新。按照使用材料在各種光伏電池中，應用較多的仍是晶硅電池，2009年市場份額為85%［2］;非晶硅也占有一定的市場比率;而大部分多元化合物半導體技術仍處于實驗室階段，離大規模市場應用還有一定距離。   (2)三代光伏電池［2   ］第一代光伏電池有多晶硅(Polycrys-tallineSiliconSolarCell)、單晶硅電池(MonocrystallineSiliconSolarCell)。單晶硅電池轉換效率為16%～20%，多晶體硅電池效率為14%～17%。硅材料轉化率的經典理論極限是29%，而隨著納米技術的引入，其轉化效率有望提高至30%以上。目前以單晶硅、多晶硅為主的硅基光伏電池占據著全球80%以上的市場份額。第二代光伏電池有各種薄膜(Thin-film)電池，其薄膜厚度一般在2～3μm。其中包括碲化鎘電池(CdTe)、銅銦鎵硒電池(CIGS)、非晶硅薄膜電池(ASi)、砷化鎵電池和納米二氧化鈦染料敏化電池等。據統計，2009年碲化鎘電池(CdTe)約占全球薄膜電池產量的60%［3］。第三代太陽電池有超疊層太陽電池、熱光伏電池(TPV)以及量子阱和量子點超晶格太陽能電池等新型光伏電池。三種硅材料半導體電池如圖2所示。一般最小的太陽能電池單元電壓為0.45～0.5V，電流為20～25mA［4］。這樣的輸出電壓電流值明顯不能滿足實際的用戶需求，所以往往通過串并聯電池單元，以達到合適的輸出電壓電流等級。為了便于維護保養，提高光伏電池的使用壽命，將這些電池單元封裝在一起即形成電池組件。將若干電池組件串并聯在一起即為光伏陣列［5］。   (3)世界主要光伏電池生產商   根據PhotonInternational的統計數據，2010年Suntech(尚德)、JASolar(晶澳)和FirstSo-lar產能排名前三，其他依次是天合、Q-Cells(歐洲)、中國英利、Motech(中國臺灣)、Sharp(日本)、Gintech(中國臺灣)和Kyocera(日本)。就市場長遠發展來看，晶硅電池所占比例會越來越小，但是在未來10年內其主導地位不會改變。另外薄膜電池以其用硅量極少，更容易降低成本，是一種新型建筑材料等優點［2］而具有更加廣闊的發展前景。光伏電力電子變流技術［6］光伏并網逆變器是并網光伏發電系統(簡稱PV系統)能量轉換和控制的核心，其性能決定了整個光伏并網系統的穩定、安全、可靠和高效運行。根據有無隔離變壓器，光伏并網逆變器可分為隔離型和非隔離型等，分類如圖3所示。   1.各種類型逆變器結構   (1)隔離型光伏并網逆變器［7］   1)工頻隔離型光伏并網逆變器。圖4a為工頻隔離型光伏并網逆變器結構。這種結構是市場上應用最多的光伏逆變器類型，工頻變壓器的采用也使主電路和控制電路較簡單。另外，由于變壓器的隔離作用，一方面可以防止電網電流流入光伏發電系統側，提高系統安全，另一方面可以防止變流器向電網注入直流分量及變壓器飽和。缺點是體積大，成本和安裝難度高。2)高頻隔離型光伏并網逆變器。如圖4b所示，高頻隔離變壓器大大減小了逆變器的體積和重量，唯一的不足是逆變器的效率比工頻要低。       (2)非隔離型光伏并網逆變器   隔離型光伏逆變器的突出缺點是變壓器的能量損耗較大，數千瓦的小型變壓器的損耗甚至可以達到5%以上。非隔離型光伏并網逆變器顯然克服了這一缺點，它可以顯著地提高逆變器效率。同時省去變壓器，使得逆變器的體積和重量都大大減小，結構更簡單，成本更低。1)單級非隔離型光伏并網逆變器。圖5a為單級非隔離型光伏并網逆變器結構，要求逆變器工作在工頻模式。同時為了滿足直流電直接逆變并網，光伏陣列需要有較高的電壓等級，這就對系統的絕緣等級提出了更高的要求。2)多級非隔離型光伏并網逆變器。圖5b為多級非隔離型光伏并網逆變器，功率變換一般需DC/DC、DC/AC級聯組成。需要注意的問題:是大面積的光伏陣列與地之間存在的分布電容，即存在共模漏電流;又因為光伏陣列與電網是不隔離的，所以光伏發電系統會向電網注入直流分量，對電網中器件的運行產生不利影響。   2.光伏并網逆變器改進型拓撲   非隔離型逆變系統雖然存在上述不足，但是只要措施得當，直流分量還是可以抑制在允許的范圍內的。由于非隔離型光伏并網逆變器具有體積小、質量輕、效率高和成本較低等優勢，使得其在未來的光伏并網逆變技術中更具發展前景。在此對非隔離型光伏并網逆變器改進型拓撲及其實現原理作進一步分析。(1)基于Z源網絡的單級非隔離型光伏并網逆變器針對常規電壓源單級逆變器存在直流電壓等級要求較高、直流側抑波電容過大等不足，文獻［8］提出了一種基于Z源網絡的單級非隔離型光伏并網逆變器，如圖6所示。這種逆變器的優點是:交流電壓具有較大的輸出范圍，可高于、低于直流輸出電壓;同一橋臂間兩個管子可同時導通，這正是此種逆變器擁有獨特升壓特性的原因。(2)雙模式Boost多級非隔離型光伏并網逆變器常規Boost多級非隔離型光伏并網逆變器存在開關頻率高、損耗大的缺點。介紹一種改進型的雙模式Boost多級非隔離型光伏并網逆變器，如圖7所示。這種拓撲的優點在于前后兩級環節不同時工作于高頻狀態，總開關頻率減小;旁路二極管VDb的引入使系統工作在全橋逆變模式時輸出電流直接通過VDb，系統損耗大大減小。因此，增加了系統的轉化效率和壽命，體積及質量都相應減小。除了上述拓撲外，文獻［9］還介紹了一種多支路光伏并網逆變器。它的特點是多個支路逆變器可獨立進行能量轉換，可最大限度地利用太陽輻射能;同時因其具有安裝靈活、維護方便等優點而具有較高的使用價值。#p#分頁標題#e#   控制策略   1.最大功率點追蹤   研究最大功率點追蹤(MaximumPowerPointTracking，MPPT)的算法很多，發展較成熟的有恒定電壓法(ConstantVoltageTracking，CVT)、擾動觀測法(PerturbationAndObservation，P＆O)或者稱爬山法(HillClimbing)和電導增量法(IncrementalConductance)等。1)恒定電壓法(CVT)［10］是將光伏電壓固定在最大功率點附近，實際上是一種穩壓控制。特點是控制簡單容易實現，工作電壓穩定，可靠性高。但是跟蹤精度較差，忽略了溫度對電壓的影響，在溫度變化較大的地區跟蹤效果不好，對外界條件的適應性差。因此，在實際中應依據應用地點的不同設定合適的電壓值，以保證最佳的功率追蹤效果。通常將恒定電壓法與其他方法結合使用。2)擾動觀測法(P＆O)(爬山法)［10，11］是通過不斷擾動光伏系統的工作點來尋找最大功率點的方向，即不斷地增大或者減小PV系統的輸出端電壓，同時將其輸出功率與本次擾動前的PV系統輸出功率進行比較，以確定最大功率輸出點，如圖8所示。該控制方法思路簡單，實現較為方便，跟蹤效率高，能有效提高太陽能的利用效率。同時擾動觀測法也是研究最多、最常用的MPPT方法。缺點是只能在光伏電池最大功率點附近振蕩;擾動步長的選擇要合適，步長較小時會使PV系統長時間工作于低功率輸出狀態，反之又有可能使其在最大功率點附近波動增加;另外，在環境變化較快時此種方法可能會出現誤判［12，13］。3)電導增量法［10］是通過比較太陽能電池陣列的瞬時導抗與導抗的變化量的方法來完成最大功率點跟蹤的功能。光伏電池的P-U曲線是一個單峰值曲線，即在dP/dU=0點取得功率最大值。其中，P為光伏電池輸出功率，U為光伏電池輸出電壓。因此可得到該方法優點是能夠快速地跟蹤光強迅速變化引起的最大功率點變化，控制效果好，穩定度高。缺點與擾動觀測法類似，步長較長時跟蹤速度快，但是很可能會致使系統在最大功率點附近波動;閾值較小時追蹤較精確，但是很可能不能穩定運行于閾值之內，而是左右振蕩。除上述幾種常用的MPPT控制方法外，還有一些新發展出來的算法，如間歇掃描法、三點重心比較法、直線近似法、模糊控制法以及神經網絡控制法等。雖然最大功率跟蹤控制方法很多，但很多算法并不完善，而且有些算法現階段技術無法很好地實現，因此在未來的可再生能源開發領域，MPPT控制方法仍有著廣闊的發展空間。   2.孤島檢測   (1)孤島效應   孤島效應是指當電網由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因中斷供電時，各個用戶端的分布式發電系統(如光伏發電、風力發電和燃料電池發電等)因未能及時檢測出停電狀態而將自身脫離公共電網，此時分布式發電系統和本地負載形成一個公共電網系統無法控制的自給供電的孤島系統，如圖9所示。如果孤島內沒有預先規劃和設計好的控制措施，當孤島效應發生時主網不再對孤島的電壓和頻率起調節作用。孤島中的PV系統和負荷的功率不匹配以及孤島內缺乏電壓、頻率控制使得孤島的行為不可預測，此時分布式電源應及時停止向孤島供電，否則將會對孤島內的用電設備以及故障檢修人員造成嚴重的危害，并且還會影響系統自動重合閘以及繼電保護正確動作。   (2)孤島效應的檢測分類［14-16］及原理   根據IEEE相關標準［17，18］，作為分布式電源之一光伏發電系統必須具有主動或被動的孤島檢測能力。1)被動式檢測方法。被動式孤島檢測方法［19-21］主要是通過監測光伏發電系統與電網的公共連接點(PointofCommonCoupling，PCC)處電力參數的變化來判斷是否發生孤島，屬于在光伏發電系統側設計的局部孤島檢測方法。典型的被動式檢測方法有過/欠電壓和高/低頻率檢測法、電壓相位突變檢測法(PJD)以及電壓諧波檢測法。   a.過/欠電壓和高/低頻率檢測法［18］   如圖10所示PV系統并網運行結構圖中，電當發生孤島時，ΔP、ΔQ的值會很大，即PV系統輸出功率與負載功率不匹配。其中有功功率和無功功率不匹配分別會導致電壓幅值和頻率的變化。當幅值和頻率變化超過其設定的閾值時，保護電路就會檢測到孤島的發生，并做出相應動作。這種方法優點是算法簡單、容易實現，在PV系統與負載差額較大時效果較好;缺點是PV系統與負載近似匹配時，則電壓和頻率的變化很小，檢測的效果較差。即這種檢測方法存在盲區(NDZ)。   b.電壓相位突變檢測法(PJD)   此種方法是利用逆變電源輸出電流與公共連接點(PCC)電壓之間相位差變化來檢測孤島的發生。多數的光伏逆變器為單位功率因數運行，即PV系統輸出的電流與電壓是同相位的。但當發生孤島時，PCC的電壓不再受電網鉗制，而由負載性質決定。由于負載阻抗角的存在，使得PCC電壓的相位發生跳變，其電壓和電流出現相位差，如圖11所示。因此，通過測量PCC的電壓和電流的相位差就可以確定是否發生孤島。相位突變檢測算法簡單、易于實現。但當負載近似呈阻性時，由于所設閾值的限制，該方法就會檢測失敗。   c.電壓諧波檢測法   電壓諧波檢測法是通過檢測公共連接點電壓的總諧波失真(THD)來檢測孤島的發生，如果THD超過設定的閾值，則可檢測到孤島發生。通常情況下，PV系統并網逆變器輸出的電流總會有部分諧波。在PV系統正常并網運行時，因為電網的系統總阻抗很小，PCC電壓的總諧波畸變率較低。當PV系統與電網斷開時，由于負載的阻抗相對電網來說大得多，PCC的電壓諧波將會很大。因此，可以通過檢測PCC的電壓諧波或諧波的變化來判斷PV系統是否處于孤島狀態［22］。該方法的優點是孤島檢測的范圍寬，適用于多臺逆變器的情況。缺點是受系統中非線性負載等因素的影響，動作閾值很難確定［23］。   綜合上述，被動式孤島檢測方法的優點在于檢測時不會對電網產生影響，但是這一類檢測方法存在著檢測盲區，當光伏發電系統和負荷功率差額較小時，孤島現象很難被檢測到。若將動作閾值整定得較小，在系統發生擾動時，這種方法就容易造成誤檢。2)主動式檢測方法。主動式孤島檢測方法是通過光伏發電系統的控制器向電網中注入小的擾動，根據電網對此小擾動的響應來檢測是否發生孤島。其中基于阻抗測量的主動式檢測方法［2］是向電網中注入小擾動，通過檢測系統的阻抗值來檢測孤島。這種方法的缺點是當系統中存在大量的分布式光伏發電系統時檢測作用的響應會變得很小［24］，從而不易檢測出孤島的存在。類似基于阻抗測量的主動檢測思想的方法還有頻率突變檢測法(FJ)。與基于阻抗測量的檢測方法類似，這種方法也不適合用于存在大量PV系統的情況。#p#分頁標題#e#   另一種檢測孤島的思想是基于正反饋的主動檢測方式［24，25］，它的原理是在光伏發電系統內部形成增益較小的正反饋控制，這個正反饋控制對PV系統是一個不穩定的因素。當光伏發電系統與電網相連時，小增益的正反饋產生的擾動會被龐大的電網稀釋抵消。反之，當光伏發電系統與電網斷開時，電網對光伏發電系統的維穩作用消失，正反饋增益將會迅速增大并破壞孤島的穩定性，從而實現孤島現象的快速檢測。基于正反饋思想的常用檢測方法有主動頻率偏移(AFD)、滑模頻率偏移(SMS)。a.主動頻率偏移(ActiveFrequencyDrift，AFD)［26］主動頻率偏移(AFD)是目前一種常見的輸出頻率擾動孤島效應檢測方法。這種方法是通過控制逆變器的輸出電流的頻率finv使其與PCC電壓的頻率fg存在一定差值(并網要求范圍之內)，這樣兩者波形就存在一個tZ的時間差值。正常運行時，系統保持tZ與電網電壓周期的比值μ不變。當發生孤島時，PCC的電壓頻率發生突變。由于鎖相環的作用，為了保持μ值不變，逆變器輸出電流頻率finv不斷增大直至突破保護電路的動作閾值，孤島被檢測到。存在的問題是，負載的阻抗角和頻率偏移之間可能會有相互抵消作用，這樣就會致使電壓和頻率在發生孤島時不能超過設定的動作閾值，從而導致檢測失敗。b.滑模頻率偏移滑模頻率偏移(SlipModeFrequencyShift，SMS)是運用正反饋使并網逆變器輸出電流、電壓的相位偏移，進而使頻率發生偏移的方法。在此方法中，逆變電源電流和PCC電壓的相角并不恒為零，而是PCC點電壓頻率的函數。與主動頻率偏移方法類似，在發生孤島時，由于正反饋的作用，PCC電壓不斷增大直至超過保護電路設定的閾值，孤島被檢測出。   SMS只需在原有并網逆變器的鎖相環基礎上稍加改動，比較容易實現。非檢測區(NDZ)較小，由于正反饋的作用，效率不受多臺逆變器并聯影響。但是該方法存在隨著負載品質因數增加孤島檢測失敗可能性變大的缺點，并且由于此方法需要對逆變器輸出電流的相位不停地進行修正，因此對電能質量的影響較大。基于正反饋思想的孤島檢測方法具有造價低、檢測性能好等優點，缺點是它會影響PV系統的穩定性，而且這種檢測方法也存在盲區。綜合上述，各種孤島檢測方式各有優劣，應用中應根據實際工程情況作出選擇，以達到最佳的檢測效果。   結束語   太陽能光伏發電相關技術的研究是太陽能光伏產業發展的關鍵因素，對太陽能光伏發電的應用起到了巨大的推動作用。本文綜述了光伏發電中的電池、逆變器、最大功率點追蹤以及孤島檢測等關鍵技術。重點對最大功率點追蹤和孤島檢測的原理及其實現方法進行了分析和研究，并在對比國內外最新發展成果的基礎上，指出了各種技術手段的關鍵環節及其適用范圍的局限性。