在能源危機和環(huán)境污染的雙重壓力下，研究開發(fā)新能源以解決未來人類對能源的需求已迫在眉睫。新能源主要包括風(fēng)能、太陽能、海洋能、地?zé)崮艿取Ｌ柲馨l(fā)電包括太陽熱發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電，其中太陽能光伏發(fā)電因為其具有獨特優(yōu)勢被全社會公認為當前世界最有發(fā)展?jié)摿颓熬暗男履茉醇夹g(shù)。光伏發(fā)電與傳統(tǒng)能源和其他新能源相比，其獨特優(yōu)勢如下：太陽能資源十分豐富，儲藏量巨大，取之不盡、用之不歇，而且不需要運輸；光伏發(fā)電原理為光生伏特效應(yīng)，不涉及機械能轉(zhuǎn)化到電磁能過程，無噪聲，不會影響周圍居民日常生活；太陽能板發(fā)電干凈、清潔、環(huán)保、無污染；光伏組件使用壽命較長，工作穩(wěn)定、可靠性高；維護成本較低等。綜合上述的優(yōu)點，太陽能發(fā)電將會成為當今乃至未來的一種較為理想的發(fā)電形式。

        光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏電池的光生伏特效應(yīng)，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)按照運行方式，主要可分為獨立型、并網(wǎng)型和混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)。其中，并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的不同，可以分為單級式、雙級式和多級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

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1  獨立性光伏發(fā)電系統(tǒng)

        未與電力系統(tǒng)進行并網(wǎng)連接的光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池、DC/DC控制器、DC/AC逆變器和蓄電池等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于偏遠山區(qū)、島嶼、基站等地方，下面對各部分的功能做一個簡單的介紹。      

（1）光伏電池

        光伏電池的作用是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能,供負載使用或存貯于蓄電池內(nèi)備用。太陽能光伏電池按其發(fā)展可以分為三代，目前正從第一代基于硅片技術(shù)的晶體硅電池向基于半導(dǎo)體薄膜電池技術(shù)的第二代薄膜電池過渡，第三代太陽能電池板尚處于研發(fā)階段，目標是提高轉(zhuǎn)化效率，降低生產(chǎn)成本。晶體硅太陽能電池可以分為單晶硅和多晶硅太陽能電池，特點是轉(zhuǎn)化效率高、壽命長和穩(wěn)定好，但是在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生對有環(huán)境污染的物質(zhì)，同時成本也比較高；薄膜電池具有工藝簡單、成本低，但是這種電池穩(wěn)定性差、壽命短、效率低、發(fā)展較慢。目前，在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中所應(yīng)用的電池大部分是晶體硅光伏電池。

光伏電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?，其輸出功率是光照強度、溫度的非線性函數(shù)，工作機理相當于一個半導(dǎo)體發(fā)光二極管。光伏組件模型主要分為物理模型和工程模型，物理模型能夠比較精準的反映光伏電池的物理特性，但是，該方法建模時需要光伏電池的內(nèi)部物理參數(shù)；工程模型是對光伏電池輸出特性進行簡化和變換，得到的模型與生產(chǎn)廠家提供的光伏組件參數(shù)對應(yīng)，模型簡單，在研究中被廣泛地使用。

光伏電池元典型等效模型如圖所示。

（2）DC/DC轉(zhuǎn)化器

        在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中DC/DC轉(zhuǎn)換器的基本作用是對蓄電池進行沖發(fā)電控制和最大功率點跟蹤、直流電壓變換。

        隨著外界環(huán)境因素的變化光伏組件的內(nèi)阻也隨之變化，為了使負載獲得最大功率，可以通過在光伏組件和負載之間增加阻抗變換器，實現(xiàn)負載阻抗的匹配。阻抗變換器即DC/DC變換器，通過改變DC/DC變換電路中功率幵關(guān)的占空比，來改變等效負載阻值的大小實現(xiàn)阻抗匹配。本文選擇Boost變換器完成光伏MPPT過程。光伏發(fā)電系統(tǒng)利用Boost變換器實現(xiàn)MPPT控制原理圖如圖所示。                                     

在上圖中，光伏組件輸出電壓為Upv，輸出電流為Ipv，等效負載電阻為Rpv，負載電阻R，輸出電壓為 U_R 。設(shè)電力電子開關(guān)器件為理想元件，根據(jù)電力電子技術(shù)知識可以推導(dǎo)出：

由上式可知，當工況發(fā)生變化時，經(jīng)過MPPT控制器的作用，實時調(diào)節(jié)占空比D，則可以實現(xiàn)光伏電池的內(nèi)阻與等效負載電阻的匹配，完成光伏MPPT過程。目前傳統(tǒng)MPPT算法有恒壓法、擾動法和電導(dǎo)增量法，還有基于這些傳統(tǒng)MPPT算法的改進算法。近年來，為了提高系統(tǒng)的魯棒性和控制精度，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進到了MPPT算法中。各種MPPT算法都有各自的優(yōu)缺點及相應(yīng)適用場合。

（3）DC/AC逆變器

        逆變器的作用就是將太陽能光伏電池和蓄電池提供的直流電逆變成正弦交流電,供給交流負載使用。

（4）蓄電池組

        蓄電池組的作用是將太陽能光伏電池發(fā)出直流電貯藏起來,供負載使用。

2  并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)

        光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是指發(fā)電輸出端與電網(wǎng)相連接，不是直接與負載的系統(tǒng)，即光伏電站電池經(jīng)過逆變后在相應(yīng)控制下，輸出符合并網(wǎng)要求的交流電的光伏發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)中逆變器與獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的功能不用，其不僅要實現(xiàn)逆變還是實現(xiàn)并網(wǎng)。此外，根據(jù)光伏系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的不同,并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為單級式、雙級式和多級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其中最常見的是單級式、雙級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

        單級式并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，只有一級功率變換裝置,此時功率變換器需要實現(xiàn)并網(wǎng)逆變控制、最大功率點追蹤等控制功能,控制系統(tǒng)相對復(fù)雜,但電路簡單、器件少、系統(tǒng)損耗小,常用于大功率光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

雙級式并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括兩級功率變換器,其中第一級DC/DC環(huán)節(jié)實現(xiàn)最大功率追蹤控制和直流電壓變換，第二級DC/AC環(huán)節(jié)實現(xiàn)逆變控制和并網(wǎng)控制等控制功能。該系統(tǒng)使實現(xiàn)控制功能分配到兩個環(huán)節(jié)上，從而使控制方法相對簡單，但增加了效率損耗，常用于中小功率等級的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中。

3  混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)

        在混合發(fā)電系統(tǒng)中，除了光伏發(fā)電系統(tǒng)外，加入了其他類型的發(fā)電裝置，比如風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，內(nèi)燃機、燃料電池等。其中比較典型的是風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。

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