光伏发电系统的运行及优化分析

光伏发电系统由光伏电池阵列、电力电子变换器、蓄电池组（储能元件）、控制系统、电路开关及保护电器等构成。

光伏发电系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两类。独立光伏发电系统是不与其他电力系统相连而孤立运行的发电系统，通常建设在远离电网的偏远地区，或作为野外移动式便携电源，其中光伏阵列接收太阳能并转换为电能，发出的电能经变换器变换成用电负载所需要的电压和频率，经配电设备向负载供电，并将发电与负载用电剩余的电能供给充电器向蓄电池充电。控制系统则采用光伏电池的最大功率点跟踪控制（Maximun PowerPoint Tracking，MPPT）、能量管理和变换器输出控制。太阳能发电的特点是白天发电，而负荷往往是全天候用电，因此在独立光伏发电系统中储能元件是必不可少的，工程上使用的储能元件主要是蓄电池。

并网光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统。光伏并网系统分集中式和分散式两种，集中式并网电站一般容量较大，通常在几百千瓦到兆瓦级，而分散式并网系统一般容量较小，在几百瓦、几千瓦到几十千瓦。光伏电池产生的直流电能经变换器变换成与电网相同频率的交流电能，以电压源或电流源方式送入电力系统，其中控制器是非常重要的部件，它控制着并网逆变器电压、电流的频率，相位、波形、光伏电池的最大功率点等。并网系统不需要蓄电池，减少了蓄电池的投资与损耗，降低了系统运行成本。并网是光伏发电的最合理的运行方式。

1.光伏电池阵列的组成

单体光伏电池又称为光伏电池片（cell），是光伏电池的最基本单元。光伏电池片容量很小，输出电压只有零点几伏、截面积为1cm²的光伏电池片在100mW/cm²的光照下光生电流I_ph仅几十毫安，输出峰值功率Wp仅十多毫瓦，光电转换效率约10%～18%。一般不能满足负载用电的需要，也不便于安装使用，通常不直接使用。实际应用都是将几片、几十片单体太阳电池片串、并联连接起来构成光伏电池组件，例如将36个或40个电池片（每个约0.45V）串联，构成电压约为16～18V的光伏组件或模块。为了增大光伏发电的容量通常再将多个一定电压的光伏组件并联连接，构成组合体。将组合体封装在透明的薄板盒子内，引出正负极引线，便于独立使用。封装前的组合体也称之为光伏电池模块组件（module）；而封装后的薄板盒子称之为光伏电池组合板（简称电伏电池板）。工程上使用的光伏电池板是光伏电池使用的基本单元，其输出电压一般在十几至几十伏左右。此外，还可将若干个光伏电池板根据负载容量大小要求，再串、并联组成较大功率的实际供电装置，称之为光伏阵列。

光伏电池板串联使用时，总的输出电压是单个电池组件工作电压之和，如图3-34a所示，而总的输出电流受原有电池组件中工作电流最小的一个组件所限，总的输出电流只能等于该电池组件的电流。所以要选择工作电流相等或近似相等的电池组件串联使用。电池组件并联使用时，总的输出电压是各电池组件工作电压的平均值，而总的电流为各单个电池组件工作电流之和，如图3-34b所示。

确定光伏电池板串联数，即光伏阵列总的输出电压时，主要考虑负载对电压的要求，同时考虑蓄电池的浮充电压、温度以及控制电路等的影响。如果总的输出电压过低不能满足蓄电池正常的充电要求，就可能出现光伏电池只有电压无电流输出的现象。而且光伏电池的输出电压随温度的升高还会降低，所以在计算电池组件串联级数时，要留有一定的裕量，但也不能把串联数定得过高，造成较大的浪费。光伏阵列串、并联后的伏安特性曲线是各电池片串、并联组合的集合，其形状类似单片光电池。

图3-34 光伏电池串并联特性

图3-35所示为光伏组件串、并联组合输出的结构示意图。图中在光伏组件两端并联一个旁路二极管VD₁，其作用是当该光伏组件的入射光被阴影遮挡，或出现故障而不能发电时，与它串联的其他光伏组件的输出电流从旁路二极管VD₁流通，同时二极管VD₁的导通，其两端电压被钳位到0.7V左右，也使该光伏组件不受到高压危害。图3-35中的串联二极管VD₂的功能是：当该串联的组件支路由于故障或无光照射电压过低时，防止其他串联组件的电压或外部（如蓄电池电压）串入而使该光伏组件流入反向电流而损坏，故称VD₂为方向阻塞二极管。由于VD₂经常有电流通过，为降低其功耗，可采用管电压降仅为0.2～0.3V的肖特基二极管（Schotlkey Diode）。这样对节省功率损耗有一定的效果，但肖特基二极管容量和耐压值一般相对较小。

光伏发电系统中还常采用稳压二极管。稳压管一般并联在光伏阵列的输出终端，安装在与逆变器或充电器相连的输入端子处，其作用是限制光伏电池板其后的电子产品的过电压，保护对电压敏感的电子元器件免受过电压损伤。但现在更多的是使用金属氧化物变阻器（Metal Oxide Varistor，MOV）或压敏电阻。当其两端电压小于其动作值V_R时，其电阻很大，无电流流过；当其两端外加电压超过其动作值V_R时，其等效电阻迅即突降，形成通道，其过电压导通速度极快，可以防止操作过电压和雷击等。

图3-35 光伏组件串并联和二极管的应用

2.电力电子变换器

光伏发电系统中有DC-DC和DC-AC两类变换，DC-DC变换器将光伏电池直流低电压变换为较高电压等级的直流电压；而DC-AC逆变器是将直流电能逆变成交流电能。

光伏发电系统中变换器及其控制系统一般包括太阳能最大功率点控制器、蓄电池充电控制器、光伏直流电压升、降压变换器、逆变器等，它们的作用是：

1）太阳能最大功率点控制器。通过调节控制光伏电池板的输出电压，使光伏电池板输出电压工作在最大功率点电压处，实现光伏发电最大功率跟踪控制。

2）DC-DC直流升、降压电力电子变换器。用于将光伏电池或蓄电池不高的电压升压输出，给后续的逆变器供电。其降压功能则可能用于光伏电池工作点控制、负载调节控制或用于匹配蓄电池充电电压。

3）蓄电池充电控制器。它也是一个专用的DC-DC变换器，通过调节控制器的直流电压和电流输出值，达到对蓄电池电流或电压不同模式的充电控制。如恒流充电是以蓄电池充电电流恒定为控制目标进行控制；恒压充电是以蓄电池充电电压恒定为控制目标进行控制。

4）DC-AC逆变器。它是将光伏电池阵列的直流电源或将升压后的直流电压逆变为交流后对负载供电或并网。光伏发电系统中的逆变器一般都采用电压源型逆变器。并网发电时的光伏发电逆变器与电网之间还要设置限流电感。逆变器的控制除常规的电压幅值、相位、频率及PWM波形调控外还可能涉及光伏电池最大功率点跟踪控制功能。

3.独立运行的光伏发电系统

独立光伏发电系统是不并网、孤立的发电系统，主要应用于偏远地区。其供电可靠性受气象、环境、负荷等因素影响很大，供电稳定性也相对较差，很多时候需要加装能量储存和能量管理环节。独立的光伏发电系统的典型应用之一是户用光伏发电系统。图3-36为系统结构示意图。图3-36a为仅采用一个DC-AC逆变器的独立光伏发电系统，DC-AC变换将光伏阵列的不稳定直流电变为恒频恒压交流电对交流负载供电。图3-36b为有DC-DC和DC-AC两级变换的独立光伏发电系统。第一级DC-DC变换将数值较低且不稳定的光伏阵列直流电压变为适当高的直流电压，再由第二级DC-AC将直流变为负载所需的恒频、恒压交流电。

户用独立运行光伏系统的容量一般在几十瓦到几千瓦，主要用于照明和小型家电、小型农用机械等。独立运行的光伏系统，也可用于野外供电，如通信塔、广播差转台、灯塔等。对供电能力和稳定性要求较高、供电功率较大的孤立户用系统，通常都应在直流母线上挂有蓄电池，稳定供电电压，同时兼作晚间和阴雨天气期间的供电。为提高供电可靠性和经济性，还可将风力发电、柴油机发电与光伏发电联为一体互补发电，构成风、光、油混合的独立电力系统。

图3-36 独立光伏发电系统(www.xing528.com)

当光伏阵列的输出功率大于交流负载功率时，电池E处于充电状态，反之则处于放电状态运行。在图3-36中，DC-AC逆变器输出恒频、恒压交流，向负载提供负载电流I_s，通过对充（放）电器和/或DC-DC变换器进行控制，改变电压V_L，使光伏阵列电池在光照强度和电池板表面温度发生变化时，光伏电池总是在最大输出功率下运行，实现最大功率跟踪控制。

4.并网运行的光伏发电系统

光伏并网发电系统有两种典型的系统结构：图3-37所示的单级式并网光伏发电系统和图3-38所示的两级式并网光伏发电系统。与独立运行的光伏发电系统不同的是，在并网运行的光伏发电系统中，必须配置并网控制开关，一般不配置蓄电池。

图3-37 典型的单级式并网光伏发电系统结构图

（1）单级式并网光伏发电系统

图3-37所示单级式并网光伏发电系统，由光伏电池阵列、DC-AC光伏逆变器、控制系统、并网开关、本地负载等五部分组成。其工作原理是：光伏电池组件所产生的直流电通过DC-AC光伏逆变器变换为交流电馈送到电网。光伏电池阵列通过多个光伏组件串联，将直流电压提升到足够的电压等级以保证光伏逆变器正常工作所需的直流母线电压。与此同时，通过对光伏逆变器并网功率的控制实现光伏电池最大功率点的跟踪。单级式并网光伏发电系统的优缺点如下：

1）优点：系统电路结构比较简单、系统所需的元器件少；整个并网系统无需中间储能环节，节约投资成本；相对于下面要介绍的二级式和多级式电路，只有一个能量变换环节，因此效率高。

2）缺点：光伏逆变器的控制系统同时实现最大功率跟踪（MPPT）和并网功能，对控制器性能要求高；由于在不同的入射光照强度和温度时，最大功率点所对应的光电池直流电压V_m不同，为实现最大功率跟踪，需调控直流电压实现最大功率跟踪功能。

图3-38 两级式并网光伏发电系统结构图

图3-37中并网逆变器的电路结构及其调控基本原理与本书前几章介绍的三相电压源PWM逆变器基本相同，不同的只是控制系统中还应增加光伏电池的最大功率点跟踪控制和电网故障检测保护。

（2）两级式并网光伏发电系统

图3-38是两级式并网光伏发电系统结构示意图，它由光伏电池阵列、DC-DC变换器、DC-AC光伏并网逆变器、储能系统、控制系统、并网控制开关、本地负载等部分组成。光伏电池阵列的直流电通过Boost升压型DC-DC变换器变换成较高电压等级的直流电，然后再通过DC-AC光伏并网逆变器变换为交流电输入电网。第一级变换将光伏电池阵列的直流电通过DC-DC升压成受控的直流电，提供给后级的光伏并网逆变器，或存储到储能系统中。第一级变换同时要实现对光伏电池阵列的最大功率跟踪功能。第二级的光伏并网逆变器将直流母线上的受控直流电压逆变为恒频恒压交流电，提供给本地负载并将多余的能量馈送到电网。两级式并网光伏发电系统的优缺点如下：

1）优点：两个变换器环节可以分开独立控制，控制器设计简单；系统增加的储能环节，可以实现并网/独立两种工作模式的切换运行；光伏电池阵列无需串联到很高的电压等级，这样光伏阵列的并联扩容更加容易；在DC-DC环节中很容易实现高频隔离。

2）缺点：由于系统结构相对于单级式变换比较复杂，所需的元器件相对多一些，增加了储能环节，整个系统投资成本也会增加；此外，整个系统需要通过两个变换环节实现并网，多了一级能量损耗环节，这样系统的整机效率没有单级式高。

对光伏发电系统除按电力电子变换器的级数（单级或两级、多级）分类外，也可对不同的光伏发电系统从另一方面进行分类，如从光伏电池阵列串、并联的方式以及变换器的级联方式进行分类可将光伏发电系统分为：集中式、串式、多串式、DC模块式、AC模块式等。

图3-39为集中式光伏发电系统结构，所有光伏组件串、并联后由一个逆变器集中逆变输出并网。图3-40为德国SMA公司的Sunny Boy 500TL型多串式光伏发电系统结构，采用三个直流模块，三串光伏组件分别经Boost DC-DC变换器升压后并联，再经一个单相半桥逆变电路输出单相交流电，每串功率为2.2kW，电压范围系列为125～750V。每串进行独立的最大功率跟踪控制。这种系统结构不复杂、特性也好、扩容非常方便，适合批量生产，是光伏发电系统的发展方向。

交流模块式结构光伏发电系统是直接将光伏组件与并网逆变器集成在一起，构成标准化的交流模块，这种结构的优点是消除了各组件间的不一致、不匹配引起的损耗问题，各个组件可进行单独的最大功率跟踪，且设计和安装都较方便。其缺点是将升压和逆变集成在一起，结构较复杂，这种结构也被一部分人认为是今后小容量光伏发电系统的发展方向。

光伏DC-DC变换器和DC-AC逆变器的模块化并联是当前的发展趋势，模块化具有变换器特性一致性好、运行可靠性高、安装灵活、扩容方便、维护方便、工作效率高等优点。荷兰MASTERVOLT公司Sunmaster QS6400型光伏并网逆变器（5kW），由两个功率模块并联组成，每个功率模块可对2～4串光伏组件进行最大功率跟踪控制。奥地利Fronius公司Fro_- nius1G60HV型光伏并网逆变器额定功率4.6kW也是由两个功率模块并联组成。

图3-39 集中式光伏系统结构

图3-40 Sunny Boy 5000TL型多串式逆变器拓扑