光伏發電系統及其控制的研究

郭 歌

（中國能源建設集團山西電力建設有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

隨著全球能源需求的不斷增長和環境問題的加劇，可再生能源已經成為解決當今能源挑戰的重要方式之一。太陽能光伏發電系統因其清潔、可再生、可持續的特點，被廣泛視為未來能源體系的重要組成部分。光伏發電系統利用太陽能將光能轉化為電能，成為了全球范圍內的綠色能源解決方案。傳統能源資源的有限性和對環境的不利影響已經引發了對新型能源技術的強烈需求。在這一背景下，光伏發電系統應運而生，其具有低碳排放、零污染、可再生的特點，成為了可持續發展的理想選擇。光伏發電系統的分布式性質，即可以在各種規模的應用中使用，使其適用于城市屋頂、農村地區、工業用途以及遠程地區的電力供應，從而為各種領域提供了清潔電能。本研究將深入探討光伏發電系統的原理、控制策略及其面臨的技術挑戰，旨在提供解決方案和建議，推動光伏技術的進一步發展，以應對當今的能源和環境挑戰，為清潔能源未來作出貢獻。

1 光伏發電系統的基本原理

1.1 光伏電池的工作原理

光伏電池的工作原理是基于光電效應，該效應首次由愛因斯坦在20 世紀初期提出。當太陽光照射到光伏電池的半導體材料表面時，光子激發了半導體內的電子。這些激發的電子被釋放并引導到電池中的電路，從而形成電流[1]。這個電流被捕獲并用于為電網或負載供電。具體原理圖如圖1 所示。

圖1 光伏電池的工作原理圖

光伏電池工作原理的核心方程是外部量子效率方程，它描述了光電轉換效率：

式中：EQE，λ為外部量子效率，表示在不同波長的光下，電子的產生效率；Iph，λ為光伏電池在波長λ 處產生的電流；n光子，λ為波長λ 處的入射光子數。

光伏電池的性能還受到開路電壓（Voc）和短路電流（Isc）的影響。這兩個參數分別表示在沒有外部負載時的電壓和電流值，它們決定了光伏電池的最大輸出功率。此外，光伏電池的填充因子（FF）和轉換效率（η）也是關鍵參數，FF 表示實際輸出電流與理論最大輸出電流之間的比率，而η 為光伏電池的總效率。

1.2 光伏模塊與陣列的配置和特性

光伏模塊是光伏電池的集合體，其配置和特性對整個系統性能具有重要影響。在實際應用中，光伏模塊通常以串聯和并聯的方式組裝成光伏陣列，以滿足不同負載和電網要求。

串聯連接多個光伏模塊時，它們的電壓相加，而電流保持不變。這有助于提高系統的總電壓，特別適用于將光伏電池系統與高電壓電網連接，以減小電流損耗。

并聯連接多個光伏模塊時，它們的電流相加，而電壓保持不變。這有助于增加系統的總電流，適用于將光伏電池系統與低電壓電網或需要高電流的負載連接。

光伏模塊的特性可以通過伏安特性曲線來描述，該曲線顯示了在不同電壓和電流條件下的輸出功率。在實際應用中，光伏模塊的最大功率點（MPP）電壓和電流是非常關鍵的參數，因為它們決定了模塊的最佳性能和效率。

1.3 逆變器和電池儲存系統

逆變器是光伏發電系統的關鍵組件，它的任務是將光伏模塊產生的直流電（DC）轉換為交流電（AC），以便供電網或負載使用。逆變器工作原理基于高頻開關操作，它會斷斷續續地打開和關閉電路，以便在輸出交流電時模擬正弦波形。逆變器還具有電壓控制和電流保護裝置，以確保輸出的電流和電壓在安全范圍內。

電池儲存系統在光伏系統中發揮著重要作用，它們可存儲白天光伏模塊產生的電能，以在夜晚或天氣不佳時供電。不同類型的儲能系統包括鋰離子電池、鉛酸電池和鈉硫電池等。這些系統通過充電和放電來平衡電力需求與供應之間的不匹配，提高系統的可靠性和穩定性。此外，它們還可用于應對負載尖峰和谷值，降低電費成本。

2 光伏發電系統的控制策略

2.1 最大功率點追蹤（MPPT）技術

最大功率點追蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術是提高光伏發電系統效率的關鍵因素之一。它的主要目標是確保光伏電池模塊在不同光照條件下都能工作在其最大功率點，從而最大限度地提高能量輸出。MPPT 算法通常根據電池的電壓和電流特性來調整負載，以使系統工作在最佳點[2]。

一種常用的MPPT 方法是“Perturband Observe”（P&O），其基本思想是通過微小的電壓或電流擾動來監測功率變化，然后朝著功率增加的方向調整操作點，直到找到最大功率點。P&O 算法的數學表達如下：

式中：P為功率；V為電壓；I為電流；ΔV和ΔI分別為電壓和電流的微小變化。

P&O 算法通過不斷比較Δ·ΔV·I和·ΔV·ΔI的大小來調整電壓或電流，以使系統運行在最大功率點。盡管這是一種常見的MPPT 技術，但它也存在一些問題，如在光照條件變化較快時可能會產生震蕩。

其他MPPT 技術包括基于模型的方法、模糊邏輯控制、小波變換和人工神經網絡等。這些方法各有優勢和適用性，可根據系統要求和光照條件進行選擇。

2.2 逆變器的控制策略與優化

逆變器在光伏系統中起到關鍵作用，將直流電轉換為交流電以供電網或負載使用。為了提高系統性能，逆變器需要采用適當的控制策略和優化技術。

一種常見的逆變器控制策略是基于PWM（脈沖寬度調制）的控制。PWM逆變器將直流電源轉換為交流電，通過調整開關器件的脈沖寬度來控制輸出電壓。其基本數學表達如下：

式中：D為占空比；Vdc為直流電壓；Vac為交流電壓。

控制占空比可以實現電壓和頻率的調整，從而使逆變器適應不同的電網要求。此外，PWM控制還可以減小諧波失真，提高輸出電流質量。

在現代光伏系統中，以電流控制為基礎的控制策略也變得流行。這種方法通過控制輸出電流來實現更精確的電流匹配和保護功能。電流控制逆變器通常采用內部電流控制回路來跟蹤所需的電流參考值，并實時調整開關器件的狀態以實現所需的輸出。逆變器的優化還包括諧波濾波、電流限制、過壓保護、溫度管理等方面。這些技術有助于提高逆變器的效率、穩定性和可靠性，減少功耗，并延長設備壽命。

2.3 系統穩定性與保護控制

光伏發電系統的穩定性和安全性對于長期運行至關重要。系統穩定性問題包括電壓和頻率波動、電壓失調、諧波失真等。為了維護系統的穩定性，可以采取以下措施：

1）電壓控制：通過調整逆變器輸出電壓來維持系統電壓穩定，以確保其與電網或負載的匹配。

2）頻率控制：系統頻率應與電網頻率匹配，因為不匹配可能導致電網連接問題。頻率控制可以通過逆變器控制策略來實現。

3）諧波濾波：諧波濾波器用于減小諧波失真，確保系統的電流和電壓質量符合標準。

4）保護控制方面，光伏系統需要保護免受電壓浪涌、電流過載、短路、逆變器故障和電池過放電等問題的影響。這包括采用電壓和電流傳感器進行實時監測，以及實施過壓和過流保護機制。

3 光伏發電系統的經濟效益

3.1 投資回報率（ROI）

太陽能光伏發電系統的安裝是一個需要初始投資的過程，但隨著時間的推移，這個投資通常會得到回報。以下是一些投資回報率的數據和分析：

1）平均投資回報時間：根據國家和地區的差異，以及具體系統規模和性能而定，太陽能光伏系統的平均投資回報時間通常在5～10 年。在某些情況下，這一期限可能更短，具體取決于太陽能資源、政府激勵政策和電力價格。

2）年化ROI 率：根據美國國家可再生能源實驗室（NREL）的數據，美國的太陽能光伏系統在一些地區可以獲得超過10%的年化投資回報率。這意味著光伏系統的年均利潤可以達到投資的10%以上。

3）逐漸降低的成本：太陽能光伏系統的成本不斷下降，使其更具吸引力。在過去的十年中，光伏模塊的價格下降了約80%，而逆變器和安裝成本也有所減少。

3.2 成本效益

除了投資回報率，成本效益也是評估太陽能光伏系統的經濟效益的重要因素。

1）系統成本：太陽能光伏系統的成本主要包括太陽能電池模塊、逆變器、安裝、維護和電網連接等。根據系統規模、類型和地理位置的不同，一個標準的居住用太陽能光伏系統的成本通常在10 000～30 000 美元之間。

2）電費節?。禾柲芄夥到y可以顯著降低電費支出。根據能源信息管理局（EIA）的數據，美國家庭的電費每年平均約為1 500 美元。一個典型的太陽能光伏系統可以減少或消除這一費用。

3）長期效益：光伏系統的壽命通常在25～30年，因此在其壽命內，系統主人可以節省數十萬美元的電費支出。

3.3 環境效益

太陽能光伏系統對環境產生了顯著的積極影響，降低了碳排放、保護自然資源，并改善了空氣和水質。表1 提供了一些相關的具體數據，以更清晰地表達這些環境效益。

表1 太陽能光伏系統對環境影響數據

1）減少二氧化碳排放：太陽能光伏系統通過減少對化石燃料的依賴，顯著降低了二氧化碳（CO2）的排放。數據顯示，一個6 kW 的太陽能光伏系統每年可以減少4.5～6.7 t 的CO2排放。這對于減緩氣候變化和改善空氣質量具有重要意義。

2）節省水資源：傳統的火力發電和核能發電需要大量淡水用于冷卻系統。相比之下，太陽能光伏系統無需水資源。一個標準太陽能光伏系統每年可以節省40 000～50 000 加侖的淡水資源。這有助于保護有限的水資源，尤其是在干旱地區。

3）減少空氣污染物排放：與傳統燃煤發電相比，太陽能光伏系統無需燃料燃燒，因此減少了大氣中的空氣污染物排放。每年，一個典型的太陽能光伏系統可以減少0.5～1.0 t 的氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）和顆粒物排放。這有助于改善空氣質量，減少與呼吸道疾病有關的健康問題。

4）節省土地使用：太陽能光伏系統通常安裝在建筑物的屋頂或未利用的土地上，無需額外的土地。相比之下，傳統發電廠需要大片土地用于電站和燃料采購。一個標準的太陽能光伏系統可以節省0.1～0.2 平方英里的土地，有助于保護自然生態系統和減少土地開發對環境的沖擊。

這些數據表明太陽能光伏系統不僅可以為經濟帶來利益，還可以顯著減少對環境的負面影響。通過減少碳排放、保護水資源、改善空氣質量和減少土地使用，太陽能光伏系統在推動可持續發展方面發揮了積極作用，有助于實現清潔和環保的能源未來。

4 結語

在光伏發電系統及其控制的研究中，深入探討了光伏電池的工作原理、逆變器控制策略、高階控制技術以及分布式光伏系統與微電網的集成控制。這些研究和應用為清潔能源的發展和可持續能源供應提供了重要支持。隨著技術的不斷進步，光伏發電系統在全球范圍內正迅速擴大應用，為減少對化石燃料的依賴、減少碳排放和推動可再生能源的普及作出了重要貢獻。隨著更多的創新和研究，光伏發電系統將繼續成為未來清潔能源領域的關鍵技術，并為實現可持續的能源未來提供持久的動力。