2.2 太阳能光伏发电技术

太阳能光伏发电技术是将太阳光能直接转换为电能的技术，这种技术的关键元件是太阳能光伏电池。太阳电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电较少受地域限制，且具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料，以及建设周期短等优点。

2.2.1 光伏发电原理

1839 年，法国科学家贝克勒尔（A.E.Becquerel）首先发现了“光生伏特效应”。在1954年，第一个实用单晶硅太阳电池在美国贝尔实验室研制成功。自20 世纪70年代中后期开始，太阳电池技术不断完善，成本不断降低，带动了光伏产业的蓬勃发展。

光伏发电原理如图2-8所示，其中，PN结两侧因多数载流子（N ⁺ 区中的电子和P区中的空穴）向对方的扩散而形成宽度很窄的空间电荷区W，建立自建电场E _i 。它对两边多数载流子是势垒，阻挡其继续向对方扩散，对两边的少数载流子（N ⁺ 区中的空穴和P区中的电子）却有牵引作用，能把它们迅速拉到对方区域。在光伏电池稳定平衡时，少数载流子难以构成电流和输出电能。但当太阳电池受到太阳光子的冲击，在太阳电池内部产生大量处于非平衡状态的电子-空穴对时，其中的光生非平衡少数载流子（即N ⁺ 区中的非平衡空穴和P区中的非平衡电子）可以被内建电场E _i 牵引到对方区域，然后在太阳电池中的PN结中产生光生电场E _pv ，当接通外电路时，即可流出电流，输出电能。当把众多这样的太阳电池单元串并联在一起，便会构成太阳电池组件，在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。

根据电子学理论，太阳电池的特性可以用一个等效电路来进行描述，如图2-9所示。

按照图2-9 所规定的电流、电压参考方向，可以得出目前普遍使用的太阳电池非线性I-U特性方程，即

式中 I ₀ ——反向饱和电流（即在黑暗中通过P-N结的少数载流子的空穴电流和电子电流的代数和）；

U——太阳电池的输出端电压；

q——电荷常量；

T——光伏电池的绝对温度；

k——玻尔兹曼常数；

A——二极管曲线因子，取值在1～2之间；

R _s ——串联等效电阻；

R _sh ——并联等效电阻；

I _ph ——光生电流，即太阳能电池光照后产生的一定光电流；

I _D ——流经二极管的电流；

I _sh ——流经并联等效电阻的电流。

式（2-1）是由固体物理学推导出来的太阳电池基本非线性伏安特性解析表达式，能较好地描述太阳电池一般工作状态下的I-U特性，已被广泛应用于太阳电池的理论分析中。在特定的太阳光强和温度下，其对应的I-U和P-U特性如图2-10所示，其中I _SC 为短路电流，U _OC 为开路电压，I _m 为最大功率点电流，U _m 为最大功率点电压，P _m 为最大功率。I-U曲线在U _m 左侧为近似恒流源段，右侧为近似恒压源段。

2.2.2 光伏电站电气系统

典型的光伏发电系统由光伏阵列、逆变器和控制器组成，其中，逆变器将太阳电池所发电能逆变成正弦电流注入电网中，逆变器的典型拓扑结构为电压源型，由电力电子开关器件连接电感构成，调整电力电子桥臂电压，向电网送电。控制器是控制太阳电池最大功率点跟踪，逆变器并网电流波形的装置，一般是由单片机或数字信号处理芯片作为核心器件构成，其功能便是使向电网传送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡。典型的光伏发电并网系统结构图如图2-11所示。

由图2-11可以看出，逆变器是整个光伏并网发电系统的核心，最大功率跟踪控制器和并网波形控制器均属于逆变器的一部分，所以光伏发电系统的数学模型主要包括太阳电池模型、逆变器并网控制模型和并网保护控制模型三部分。一个发电单元由逆变器及其所连接的太阳能光伏阵列组成，每个单元的容量通常不超过1.0MW。

对于大型光伏电站，整个系统由若干图2-11所示的发电单元组成，并通过升压变压器与大电网相连，其典型结构图如图2-12所示。

大型光伏电站由光伏阵列、直流汇集系统（直流汇流箱、直流汇流柜）、逆变器、子系统升压器（升压变压器）、交流汇集系统、升压变压器、综合自动化系统、无功补偿装置等组成。在实际应用中，各光伏电站结构略有不同，一般是简化直流汇集系统及交流系统，全部采用组串逆变器或集中型逆变器，或两者混合使用，部分光伏电站省去了子系统升压器。

大型光伏电站通常由多组组串逆变器单元与集中逆变器单元组成。各单元间并列运行，相互独立运行，可根据运行及检修情况投入部分或全部逆变器单元。 pKSGJs46WYninzYQv1jCChJfeJLXhumYVk94G6jH6TVHrpKoj2qyAM02bLQblRLW