艾欣，韓曉男，孫英云

（華北電力大學新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京102206）

摘要：介紹了光伏發(fā)電的優(yōu)勢及發(fā)展方向，著重闡述了國內(nèi)外光伏發(fā)電技術的發(fā)展現(xiàn)狀及前景。鑒于光伏發(fā)電出力的隨機性和不連續(xù)性，最大功率點跟蹤技術（MPPT）一直都是研究重點，隨著光伏技術的發(fā)展，MPPT也為了滿足新的要求而不斷發(fā)展，一些改進方法應運而生，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性并適應各種運行條件。光伏電站并入電網(wǎng)運行會對電網(wǎng)造成多方面影響，例如孤島效應、諧波污染、無功補償、電壓閃變等問題，隨著光伏電站容量的增大，上述問題更是迫切需要解決，本文總結(jié)了一些目前用于解決這些問題的方法。逆變器是光伏發(fā)電并網(wǎng)的關鍵技術，在這方面本文敘述了并網(wǎng)逆變器的功能，拓撲結(jié)構(gòu)的發(fā)展、有待解決的問題以及大型光伏電站并網(wǎng)逆變器的發(fā)展趨勢。

0引言

世界范圍內(nèi)三大化石能源的儲量正在日趨枯竭，能源危機已經(jīng)成為人類面臨的最大挑戰(zhàn)。因此，為了保證人類生態(tài)環(huán)境，同時又減少大氣污染，維持能源的長期穩(wěn)定供應，各國都在大力發(fā)展可再生能源，與水電、風電、核電等相比，太陽能發(fā)電擁有無噪音、無污染、制約少、故障率低、維護簡便等優(yōu)點。另外，豐富的太陽輻射能，是取之不盡用之不竭的廉價能源。太陽能每秒鐘到達地球的能量高達80萬kW，如果把地球表面的0．1％的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，且轉(zhuǎn)化率為5％，那么每年發(fā)電量可達5．6×1012kWh，相當于目前全球能耗的40倍。

經(jīng)過多年的研究，光伏發(fā)電已經(jīng)成為較為成熟的一項新能源技術，其中光伏電站的大型化和并網(wǎng)化已經(jīng)成為今后的發(fā)展方向及研究重點。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)指的是光伏發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)電網(wǎng)相聯(lián)，一起承擔供電的任務。隨著光伏技術的不斷發(fā)展，光伏電能已經(jīng)漸漸由補充能源向替代能源過渡。

1光伏發(fā)電國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與前景

1．1國內(nèi)

自1985年起，我國就進行光伏器件的研究，并且在20世紀70年代的時候制造出空間光伏電源，到了80年代，我國還漸漸引進了美國單硅太陽能電池以及非晶體硅太陽能電池。經(jīng)過多年的努力，光伏在我國已經(jīng)迎來了快速發(fā)展的階段，在發(fā)展政策方面，金太陽工程的實施使得光伏產(chǎn)業(yè)得到了極大的支持。據(jù)統(tǒng)計，截至到1997年，我國安裝各類光伏系統(tǒng)的總量（其中包括進口系統(tǒng)）已達到11MW，并且還先后建立了20kW以上光伏電站7座，其中1998年在西藏安多縣海拔4500m處，我國建成的100kW光伏電站，還成為世界上最高的光伏電站。2010年1月16日，采用陽光電源大型并網(wǎng)逆變器的3個大型光伏電站并網(wǎng)發(fā)電儀式在寧夏吳忠市太陽山集中舉行，這是當時國內(nèi)光伏電站最大規(guī)模的一次性并網(wǎng)，這次成功并網(wǎng)為我國荒漠光伏電站的推廣應用起到了良好的示范和借鑒作用，在中國新能源行業(yè)和低碳經(jīng)濟領域具有重要意義。另外值得一提的是，在2010年的上海世博會上，由合肥陽光電源有限公司承建的世博會主體工程———主題館、中國館的大型光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電取得成功，為舉世矚目的上海世博會提供了清潔綠色的電力。

在我國，76％的國土光照充沛，全年輻射總量為917～2333kWh／m2，理論總儲量為147×108GWh/a，光能資源分布較為均勻，資源優(yōu)勢得天獨厚，所以光伏發(fā)電應用前景十分廣闊。我國能源供應中占主導地位的煤，其消耗量相當之大，同時也帶來了眾多嚴峻的環(huán)境問題，從環(huán)境和能源雙重考慮，我國政府已經(jīng)著手計劃并采取有效的措施以發(fā)展可再生能源技術。根據(jù)2007年我國制定的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》可知，到2020年太陽能發(fā)電總?cè)萘繉⑦_180萬kW，并且按照有關專家的預測，這一數(shù)字有望達到1000萬kW。

從市場方面考慮，我國仍有許多地區(qū)處于缺電甚至無電的狀態(tài)，人民急需生活用電，再加上我國的經(jīng)濟迅速發(fā)展，為光伏市場提供了更好的發(fā)展空間，可以預測并網(wǎng)型光伏電站很快就會進入市場，一定會為提升人民生活質(zhì)量做出巨大的貢獻。

1．2國外

在全球，光伏產(chǎn)業(yè)一直處于發(fā)展迅速的狀態(tài)，1996年到2006年這10年里，太陽電池及組件生產(chǎn)的年平均增長率高達33％，早已經(jīng)成為現(xiàn)如今發(fā)展最迅速的高新技術產(chǎn)業(yè)之一。2004年世界光伏電池及組件產(chǎn)量已達到1200MW，這其中日本生產(chǎn)量為610MW，超過50．8％；歐洲320MW，占據(jù)26．7％；美國135MW，占據(jù)11．25％；其他國家總產(chǎn)量為135MW，占據(jù)11．25％。隨著技術的發(fā)展，并網(wǎng)發(fā)電在光伏市場中的份額逐漸開始增加并慢慢占據(jù)主導地位，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)在太陽能發(fā)電中的比例不斷變大，光伏發(fā)電已經(jīng)開始逐漸從偏遠地區(qū)的特殊用電向城市的生活用電過渡。21世紀以來，全球太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電年度并網(wǎng)容量增長44．1倍，從2000年的187MW遞增至2008年得12．95GW，年增長率達60．99％，同比2007年增長了72．67％。全球太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電并網(wǎng)累計總量增長10．5倍，從2000年的1．435GW增長至2008年的16．4GW，年增長率35．6％，同比2007年增長60．78％，據(jù)統(tǒng)計，到了2010年，全球累計并網(wǎng)接近30GW。在歐洲，2010年左右，歐盟安裝的太陽能光伏容量已經(jīng)達到3GW，預計到2020年，太陽電池組件的年產(chǎn)量將達到54GW。

在世界各國中，日本由于資源緊缺，很早便重視發(fā)展光伏發(fā)電，并且從1999年起太陽電池組件的生產(chǎn)就超過了美國而居世界第一位，在其提出的面向2030光伏路線圖的概述中還明確指出，到2030年，全國累計安裝太陽電池組件容量要達到1000GW。

在美國，1999年前，其太陽能光伏研究與發(fā)展一直處于世界第一，但隨后因為種種原因，漸漸落后于日本及歐洲。2004年9月，美國提出了我們太陽電力的未來：2030及更久遠的美國光伏工業(yè)線路圖，明確要恢復美國在光伏領域上領先地位的目標，政府增加科研投入，于是在那之后，美國安裝太陽電池組件的增長率每年大概都在30％以上，同時美國預計，到2020年時累計安裝太陽能電池組件容量將達到36GW，平均每年安裝7．2GW，到2030年累計安裝太陽電池組件容量將達到200GW，太陽能發(fā)電總量將高達3699億kWh。

全世界光伏技術的飛速發(fā)展，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：①累計安裝太陽電池組件容量增加；②太陽電池組件的價錢不斷降低；③太陽電池組件的壽命不斷增長；④硅材料的消耗降低；⑤屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)增多；⑥發(fā)電成本降低，電價降低；⑦大型光伏電站越來越多。

2光伏發(fā)電最大功率點跟蹤技術發(fā)展現(xiàn)狀

光伏發(fā)電最大的特點就是其輸出的隨機性、不連續(xù)性和不確定性，而且光伏輸出還與其影響因子呈現(xiàn)非線性的關系。太陽輻照度和周圍的環(huán)境溫度都是人們所無法控制的，而這兩點卻恰恰是影響光伏發(fā)電輸出的關鍵，隨著輻照度和溫度的改變，光伏陣列的輸出端電壓隨之改變，從而光伏陣列的輸出功率也將改變。所以，光伏發(fā)電的最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking MPPT）成為了研究重點，MPPT的目的是使光伏陣列在輻照度和溫度改變時仍能獲得最大功率輸出，并且還要求MPPT具有快速性、準確性和穩(wěn)定性。

MPPT算法可以分為自尋優(yōu)法和非自尋優(yōu)法兩大類，自尋優(yōu)法包括爬山法、擾動觀測法、電導增量法、恒定電壓法、短路電流法、寄生電容法等；而非自尋優(yōu)法主要是曲線擬合法。相比之下，自尋優(yōu)法應用更為廣泛，每種方法各有優(yōu)缺點。以下是幾種常見MPPT的工作原理。

2．1恒定電壓法

相對于溫度變化對光伏陣列輸出功率引起變化，輻照度的變化對光伏陣列輸出功率的影響更加明顯，而經(jīng)過研究得出結(jié)論，不同輻照度下最大功率點對應的輸出電壓變化量不是很大（如圖1所示）。因此可以粗略認為最大輸出功率對應某個恒定的電壓，就是說可以把MPPT控制簡化當作穩(wěn)壓控制。此方法的優(yōu)點是控制起來簡單，比較容易實現(xiàn)，但是由于其忽略了溫度對光伏出力的影響，所以精度并不是很高。

2．2擾動觀測法

在光伏陣列正常運行時，通過不斷加以微小的電壓波動來擾動光伏陣列的輸出電壓，在端電壓變化的同時檢測輸出功率變化的方向，就能確定尋優(yōu)方向，從而決定下一步電壓參考值的大小（如圖2所示）。此方法較恒定電壓法精度更高，而且被測參數(shù)少，易于實現(xiàn)。但是此方法不適合環(huán)境快速變化的時候使用，而且由于不斷的人為加入的擾動，光伏輸出功率不能穩(wěn)定在最大功率點上，而是在其附近震蕩。

2．3導納增量法

由光伏陣列的P-V特性曲線可知，存在唯一的最大功率點，并且在最大功率點處，功率對電壓的導數(shù)為零。因此，有

因此，當輸出電導的變化量等于輸出電導的負值時，光伏陣列工作點即為最大功率點，這就是所謂的導納增量法。此方法有極高的準確性，而且當環(huán)境快速變化時仍能具有很好的跟蹤性。但是相比之下導納增量法實現(xiàn)起來也較為復雜，對微處理器的要求也是比較高的。

2．4小結(jié)

早期的光伏系統(tǒng)大多采用恒定電壓控制法，因為該方法簡單易行，且基本能跟蹤最大功率點，但隨著電力電子及控制技術的發(fā)展，恒壓法的簡單性與其造成的能量損失相比已經(jīng)變得很不合理。因此新的控制方法應運而生，例如文獻[10]經(jīng)仿真對比后得出結(jié)論，大容量并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT通常會選擇擾動觀測法。而文獻[13]中采用了具有優(yōu)良跟蹤性能的導納增量法來實現(xiàn)單級光伏并網(wǎng)的MPPT。

隨著在這方面的研究不斷加深，一些基于上述自尋優(yōu)算法的改進算法也隨之產(chǎn)生，例如文獻[14]中提出了一種基于電導增量法的改進算法，從而能改善最大功率點附近的振蕩現(xiàn)象，提高光伏電池的發(fā)電效率。文獻[15]又提出了一種基于擾動觀測法的改進算法，可以區(qū)分是由擾動自身引起的輸出功率變化還是由于輻照度變化引起的輸出功率變化，改進后的算法在輻照度突然變化的情況下仍可以進行準確的追蹤。

3光伏并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響及解決方案

在眾多需要研究的問題中，大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將對電網(wǎng)會產(chǎn)生的影響是迫切需要回答的問題。

3．1孤島效應

當系統(tǒng)供電因事故、故障或者停電維修而停止時，各用戶端的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有可能與周圍的負荷構(gòu)成一個電力公司沒辦法掌握的自供給供電孤島，這給檢測人員帶來危險，即所謂的孤島效應[16]。孤島效應會對整個電網(wǎng)造成許多危害，文獻[17]詳細闡述了在孤島運行中并網(wǎng)光伏逆變器的運行狀態(tài)。為了防止孤島危害的出現(xiàn)，防孤島保護必不可少，主動式和被動式保護各有優(yōu)缺點，因此光伏系統(tǒng)里應設置至少各一種防孤島效應保護，當電網(wǎng)失壓時，要求防孤島效應保護應在2s內(nèi)動作，斷開與電網(wǎng)的連接。

3．2諧波污染

在光伏并網(wǎng)過程中運用了大量的電力電子設備，特別是DC/AC逆變器，會產(chǎn)生大量諧波，并網(wǎng)運行時，向公共并網(wǎng)點注入的諧波電流應滿足GB/T14549－1993的規(guī)定，來自文獻[18]的表1詳細闡述了各次諧波的電流畸變限值。文獻[19]和[20]都提出采用一種基于p-q運算方式的諧波電流實時檢測，從而獲得補償諧波電流的參考值，并利用基于電流無差拍控制的PWM方法進行諧波電流補償。文獻[21]也提出了一種用于兩級光伏系統(tǒng)中的四橋逆變器，利用PWM控制及由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成的雙環(huán)控制系統(tǒng)來完成諧波電流的檢測與補償。

3．3無功補償問題

光伏并網(wǎng)逆變器存在一定的無功消耗，所以應配備一定的無功補償裝置以具備無功調(diào)節(jié)能力，來保證電站功率因數(shù)和高壓側(cè)母線電壓保持在合理的范圍內(nèi)。特別是對于功率因數(shù)比較高（不小于0．98）的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，更需要進行有效的無功補償，從而實現(xiàn)無功的分層分區(qū)以及就地平衡，以減少光伏發(fā)電接入時對電壓的影響，另外還可以降低線損，保證逆變器的正常運行，例如，光伏發(fā)電系統(tǒng)以10kV電壓等級接入系統(tǒng)，則10kV側(cè)的功率因數(shù)在0．85～0．98范圍內(nèi)，通常應按裝機容量的60％配置無功補償裝置。為了檢測無功電流并進行補償，文獻[19]和[23]闡述了一種基于瞬時無功功率理論的無功電流檢測方法，并可以和諧波電流的檢測相結(jié)合，將兩者的檢測值相加后作為補償電流參考值，同時完成對無功補償和諧波抑制兩項功能。

3．4電壓閃變

電壓閃變是電能質(zhì)量的重要指標之一，輻照度恒定時比變化時對電網(wǎng)電壓閃變的影響較小；輻照度越大，光伏陣列輸出功率越大，對電網(wǎng)電壓閃變的影響越大；輻照度變化程度越大，輸出功率的波動越大，從而對電網(wǎng)電壓閃變的影響越大。

4并網(wǎng)逆變器

在光伏發(fā)電并網(wǎng)中，并網(wǎng)逆變器的設計是核心內(nèi)容和關鍵技術。研究逆變器的結(jié)構(gòu)以及控制方法，是為了提高系統(tǒng)的發(fā)電效率，同時降低發(fā)電成本。光伏并網(wǎng)逆變器與其他的逆變器有很多不同的地方，它的作用不僅是將光伏電池陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，還應該可以對頻率、電壓、電流、有功及無功、電能質(zhì)量（電壓波動、高次諧波）等進行控制。

4．1光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的要求

①可自動開關。根據(jù)從一天的光伏輻照度，盡量發(fā)揮光伏電池方陣輸出功率的潛力，并期在此范圍內(nèi)可以自動開啟和停止。

②能實現(xiàn)最大功率點跟蹤（MPPT）的控制。當光伏陣列的表面溫度以及光伏輻照度發(fā)生任意的改變時，陣列仍可以在控制下保持在最大功率輸出的工作狀態(tài)下，從而提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。

③滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求。為了避免光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)對公共電網(wǎng)的污染，逆變器應輸出失真度小的正弦波，影響波形失真度的重要因素之一是逆變器的開關頻率，可以采用高速DSP等新型處理器來提高開關頻率。另外，根據(jù)系統(tǒng)容量大小要適當選擇功率元件，小容量低壓系統(tǒng)適合采用功率場效應管（MOSFET），高壓大容量系統(tǒng)適合采用絕緣柵雙極晶體管（IGBT），而特大容量系統(tǒng)更適合采用可關斷晶閘管（GTO）。

④要具備防止孤島運行的功能。根據(jù)IEEE2000－929和UL1741標準，光伏并網(wǎng)逆變器需要具備防孤島運行的功能，其關鍵在于對電網(wǎng)斷電情況的快速檢測，特別是當負荷電力與逆變器輸出電力接近或相同，難以察覺停電事故時，更應該做出準確檢測，以免造成工作人員的生命安全問題。

⑤技術方面的要求。在技術上要求逆變器具有更大的單體容量、更高的電壓等級，利用有功與無功實現(xiàn)解耦控制，具有更強的抗干擾能力，具備符合智能電網(wǎng)標準的網(wǎng)源互動技術。

4．2逆變器拓撲結(jié)構(gòu)的發(fā)展

早期出現(xiàn)的光伏并網(wǎng)逆變器都是單級拓撲機構(gòu)，如圖3（ａ）、（ｂ）所示，隨后光伏逆變器由單級向多級發(fā)展。根據(jù)逆變器回路不同，圖3中的逆變器拓撲可以根據(jù)有無變壓器分為無變壓器結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)頻率變壓器絕緣結(jié)構(gòu)以及高頻變壓器絕緣結(jié)構(gòu)。

電網(wǎng)頻率變壓器絕緣拓撲結(jié)構(gòu)，利用脈寬調(diào)制（PWM）控制使得逆變器產(chǎn)生與電網(wǎng)頻率相同的交流，并采用變壓器進行絕緣和升壓。此結(jié)構(gòu)具有良好的抗雷擊以及消除尖波的性能，但是由于采用了電網(wǎng)頻率變壓器，因此整個系統(tǒng)比較沉重。而對于高頻變壓器絕緣結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是體積相對來說較小、質(zhì)量輕，但是回路較為復雜。無變壓器光伏系統(tǒng)，雖然體積小、質(zhì)量輕、成本也較低、可靠性比較高，但與電網(wǎng)之間沒有絕緣。另外，后兩種拓撲結(jié)構(gòu)均具有檢測直流電流輸出的能力。無變壓器方式的逆變器經(jīng)過近年來的改進發(fā)展，因其效率高等優(yōu)點得到了廣泛的應用。例如文獻[26]中就提出了一種改進的無變壓器逆變器，可以承受同全橋逆變器一樣的低輸入電壓，并保證不產(chǎn)生共模泄露電流，再加上應用ＳPWM技術，使得效率提高，輸出電流的諧波含量也大大減少了。

隨著并網(wǎng)逆變器由單級向多級發(fā)展，電能轉(zhuǎn)換級數(shù)也隨之增加，但是單級結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、損耗少、易控制等優(yōu)點，因此為了結(jié)合兩者的優(yōu)點，逆變器發(fā)展出集中型、串級型、模塊集成型等結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)合就需要一種多臺逆變器的統(tǒng)一控制，從而提高整個系統(tǒng)的效率。特別地，針對大容量光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，怎樣更好抑制低功率時的電流諧波？怎樣解決多臺逆變器同時并網(wǎng)時電流諧波的疊加問題？如何在電網(wǎng)電壓諧波大時，仍舊保證較的低電流諧波？這些都是迫切需要解決的技術性問題。另外，隨著光伏電站容量的增加，大型光伏電站并網(wǎng)時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略也變得更加復雜，有些之前可以忽略的地方變成了必須要解決的問題，所以對并網(wǎng)逆變器的要求也隨之增加，設計多模式逆變器控制變得十分有必要。

5結(jié)論

本文研究大型光伏發(fā)電及其并網(wǎng)技術的現(xiàn)狀，結(jié)論如下：

①最大功率點跟蹤技術方面：由于光伏發(fā)電最主要的出力特性為隨機性，并且受環(huán)境條件影響很大，所以最大功率點跟蹤技術成為研究重點，一些基于傳統(tǒng)方法上的改進方法不斷研究成功，大大改善了精確度和動態(tài)響應的快速性，以后還會有更多的先進方法產(chǎn)生，以提高光伏發(fā)電的效率。

②光伏發(fā)電并網(wǎng)技術方面：光伏并網(wǎng)發(fā)電受技術、投資等限制起步較晚，但光伏發(fā)電的并網(wǎng)化和大型化無疑是將來的主要發(fā)展趨勢。大規(guī)模光伏電站發(fā)電作為一種先進的新能源發(fā)電方式，當其接入電網(wǎng)時會產(chǎn)生諧波、電壓波動等多方面的負面影響，隨著光伏發(fā)電容量的不斷增大，許多之前可以忽略的問題變成必須要考慮的因素。目前已經(jīng)有多種解決這些問題的控制手段和保護措施，甚至在逆變器的設計方面也已經(jīng)加入了相應的控制器。

③并網(wǎng)逆變器及其控制方面：逆變器是光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的核心和關鍵，合理地設計并改進逆變器的結(jié)構(gòu)和控制方法可以有效地提升系統(tǒng)效率。

隨著技術的發(fā)展，逆變器由單級拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)展為多級拓撲結(jié)構(gòu)，目前還出現(xiàn)了許多結(jié)合單級和多級的優(yōu)點而產(chǎn)生的拓撲結(jié)構(gòu)。雖然上述改進可以提高光伏系統(tǒng)的效率，但由此也帶來一些關于多個逆變器統(tǒng)一控制的問題，還有如何處理多個逆變器產(chǎn)生的諧波的疊加問題等，這些都有待在今后的研究中解決。