面對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染的雙重壓力，研究開(kāi)發(fā)新能源，以滿足人類未來(lái)對(duì)能源的需要是迫切的。風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能、地?zé)岬刃履茉粗饕侵浮Ｌ?yáng)熱能包括太陽(yáng)熱能和太陽(yáng)能光伏發(fā)電，其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而被全社會(huì)公認(rèn)為當(dāng)今世界最具發(fā)展?jié)摿颓熬暗男履茉醇夹g(shù)。與傳統(tǒng)能源及其它新能源相比，光伏發(fā)電具有以下獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：太陽(yáng)能資源非常豐富，儲(chǔ)藏量大，取之不盡，使用時(shí)不間斷，并且不需運(yùn)輸；光電發(fā)電原理為光生伏特效應(yīng)法，不涉及機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電磁能過(guò)程，無(wú)噪聲，并不影響周邊居民的日常生活；太陽(yáng)能發(fā)電干凈、潔凈、環(huán)保、無(wú)污染；光伏組件壽命更長(zhǎng)，工作穩(wěn)定，性能可靠，維修費(fèi)用少等。綜上所述，太陽(yáng)能發(fā)電必將成為當(dāng)今乃至未來(lái)比較理想的發(fā)電方式。
光電發(fā)電系統(tǒng)是一種利用太陽(yáng)能電池的光生伏特應(yīng)能，把太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種新的發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)其運(yùn)行方式，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要可以分為獨(dú)立式、并網(wǎng)式和混合式。在這些系統(tǒng)中，并網(wǎng)式光伏系統(tǒng)，根據(jù)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，可分為單級(jí)式、雙級(jí)式和多級(jí)式兩種。
1獨(dú)立的PV系統(tǒng)。
光伏系統(tǒng)不能與電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，這就是獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨(dú)立PV系統(tǒng)由光伏電池、DC/DC控制器、DC/AC逆變器、蓄電池等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示，主要應(yīng)用于偏遠(yuǎn)山區(qū)、島嶼、基站等，下面對(duì)各部分的功能做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。
(1)光電池。
PV電池的作用就是把太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能供負(fù)荷使用或儲(chǔ)存在蓄電池中備用。太陽(yáng)光電電池按它的發(fā)展可分為三代，目前正從第一代以硅片技術(shù)為基礎(chǔ)的晶硅電池向以半導(dǎo)體薄膜電池技術(shù)為基礎(chǔ)的第二代薄膜電池過(guò)渡，以提高轉(zhuǎn)換效率和降低生產(chǎn)成本為目標(biāo)。結(jié)晶硅太陽(yáng)電池可分為單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好；但生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，而且成本較高；薄膜電池工藝簡(jiǎn)單，成本較低，但其穩(wěn)定性差、壽命短、效率低、開(kāi)發(fā)速度慢。當(dāng)前用于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的電池大多采用單晶硅光伏電池。
光電電池是將光能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件，它的輸出功率是光強(qiáng)、溫度的非線性函數(shù)，其工作機(jī)理相當(dāng)于一個(gè)半導(dǎo)體LED。PV元件模型主要分為物理模型和工程模型，物理模型能較準(zhǔn)確地反映光伏電池的物理特性，然而，這種方法建模時(shí)需要光伏電池的內(nèi)部物理參數(shù)，工程模型是將其簡(jiǎn)化和轉(zhuǎn)換為輸出特性，結(jié)果表明，該模型與制造商提供的PV元件參數(shù)相一致，模型簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛。
圖中顯示了光伏電池的典型元等值模型。
(2)DC/DC轉(zhuǎn)換器。
DC/DC轉(zhuǎn)換器在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的基本功能是實(shí)現(xiàn)逆變器、逆變器、逆變器、逆變器、逆變器。
由于外部環(huán)境因素的改變，光伏組件的內(nèi)阻也隨之改變，為使負(fù)荷獲得最大功率，可通過(guò)在光伏組件與負(fù)荷之間加入阻抗變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載阻抗匹配。該變換器也就是DC/DC變換器，在DC/DC變換電路中，通過(guò)改變電源開(kāi)關(guān)在DC/DC變換電路中的占空比，從而實(shí)現(xiàn)等效負(fù)載阻值的大小。選取Boost轉(zhuǎn)換器來(lái)完成PVMPPT流程。采用Boost變換器實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT控制原理圖如圖所示。
如圖所示，PV組件的輸出電壓是Upv，輸出電流是Ipv，等效負(fù)載電阻是Rpv，負(fù)載電阻是R，輸出電壓是UR。設(shè)置電力電子開(kāi)關(guān)器件是理想的元件，根據(jù)電力電子技術(shù)知識(shí)可得出：
從上面式可知，當(dāng)工況改變后，通過(guò)MPPT控制器的作用，實(shí)時(shí)調(diào)整占空比D，可實(shí)現(xiàn)PV電池內(nèi)阻與等效負(fù)載電阻的匹配，從而完成PVMPPT過(guò)程。現(xiàn)有的MPPT算法主要包括恒壓力算法、擾動(dòng)算法、電導(dǎo)率增量法以及在此基礎(chǔ)上的改進(jìn)算法。近幾年，為了提高系統(tǒng)的魯棒性和控制精度，將以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊邏輯控制為代表的智能算法引入MPPT。多種MPPT算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，并有相應(yīng)的適用場(chǎng)合。
3)DC/AC逆變器。
其作用是把太陽(yáng)能光伏電池和蓄電池提供的直流電逆轉(zhuǎn)變成正弦交流電，供交流負(fù)載使用。
(4)蓄水池。
蓄電池的作用是把太陽(yáng)能光伏電池發(fā)出直流電儲(chǔ)存起來(lái)，供負(fù)荷使用。
2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。
PV并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是指發(fā)電輸出端與電網(wǎng)相連而非直接加載的系統(tǒng)，即PV電池經(jīng)反變后在相應(yīng)的控制下，輸出滿足并網(wǎng)要求的交流光伏發(fā)電系統(tǒng)。本系統(tǒng)中逆變器和獨(dú)立PV系統(tǒng)功能并不一起使用，它既要實(shí)現(xiàn)逆變，又要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。另外，根據(jù)光伏系統(tǒng)拓?fù)涞牟煌⒕W(wǎng)光伏系統(tǒng)可劃分為單級(jí)、雙級(jí)與多級(jí)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，最常見(jiàn)的是單級(jí)式，雙級(jí)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。
單級(jí)并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，僅采用一級(jí)功率轉(zhuǎn)換裝置，此時(shí)功率轉(zhuǎn)換器需要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變控制、最大功率跟蹤等控制功能，控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，但電路簡(jiǎn)單，器件少，損耗小，用于大功率光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。
雙級(jí)DC/DC轉(zhuǎn)換電路由兩級(jí)功率轉(zhuǎn)換器組成，其中一級(jí)DC/DC環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制和直流電壓轉(zhuǎn)換，二級(jí)DC/AC環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了二次DC/AC環(huán)節(jié)的逆變控制和并網(wǎng)控制。這一系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)控制功能分配給兩個(gè)環(huán)節(jié)，使得控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但是提高了效率損失，通常用于中小功率等級(jí)的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。
三是混合光電系統(tǒng)。
目前，除光伏系統(tǒng)外，還有一些其它類型的發(fā)電設(shè)備，如風(fēng)能、內(nèi)燃機(jī)、燃料電池等。而風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)則更具典型性，其結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖。
風(fēng)電機(jī)組與光伏電池可并發(fā)發(fā)電，從資源角度考慮，可實(shí)現(xiàn)晝夜互補(bǔ)性、季節(jié)性互補(bǔ)性，極大地提高了系統(tǒng)供電的可靠性。
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