光伏并网发电控制系统的研究

摘要：随着现代社会的不断发展，利用太阳能发电已经成为一种必然趋势，本文针对光伏并网发电系统的控制方法，主要介绍了光伏发电的工作原理和影响因素，为了能够最大效率地把太阳能转化为电能，提出了太阳能电池最大功率点跟踪的控制策略，最后指出光伏发电的意义。

关键词：太阳能电池；光佚并网；最大功率点跟踪

中图分类号：TK511文献标识码： A

随着能源危机越来越严重，近年来，太阳能的开发和利用已经受到越来越多的关注。如今，许多国家都想利用光伏并网发电系统来将太阳能转换成电能，并且太阳能电池原材料的发展越来越快，并网控制技术不断提高，使得光伏发电的发展，具有广阔的前景。

一、光伏发电的工作原理和影响因素

光伏能量转换装置是太阳能电池，也称为光伏电池。光伏发电原理是光生伏打效应。当太阳（或其他光源）照射到太阳能电池上时，电池就会吸收光能，从而形成光电子一空穴对。由于内置电池的电场效应，光生电子和空穴将会分离，这样就会在电池两端积累异号电荷，即产生“光生电压”，也就是所谓的“光生伏打效应”。如果从两侧的内置电场引出电极并连接上负载时，负载就会出现“光生电流”，从而导致功率输出。利用这种方式，就能把太阳的光能直接转化成可以使用的电能了。光伏发电系统就是利用光伏电池将太阳能转换成电能的矩阵，并存储在电池系统或直接用于负载可再生能源装置。其工作原理是：白天，光伏组件接收太阳光，输出功率，一部分供给直流或交流电源；另一部分通过反向二极管给充电电池组充电的，夜间或阴雨天，光伏电池组不工作，蓄电池组就给直流或交流负载工作供电。

影响光伏发电的主要因素：1.太阳高度。太阳高度是指太阳相对于地平面的高度角。太阳高度经常用太阳光线和地平线的夹角表示。太阳高度角越大，太阳就越高，太阳光的辐射也就越强；反之，太阳高度角小，太阳低，辐射弱。

不同的时间段太阳高度也是不同的，比如早晨时太阳高度最低，中午时最高，下午又逐渐降低，到傍晚日落时最低。因为地球在自转的同时又绕着太阳公转，所以太阳高度在一年中也发生着变化，地球自转轴与公转轨道平面并不垂直，始终保持着固定的角度。前半年，太阳逐渐从低纬度升高到高纬度，到夏至时太阳高度角最大，反之，冬至太阳高度角最小。对于具体的一个面来说，如果太阳高度低的话，光线穿过大气的路程就比较长，过程中会消耗大量的能量；同时，又因为光线以较小的角度投影到该平面上，所以到达地面的能量也较小。

2.大气透明度

在垂直于光线边界的平面上，太阳辐射的强度基本上是恒定的；但在地球的表面上，太阳辐射强度是不断变化的，主要是因为大气不同程度的透明度造成的。大气透明度是衡量大气对于太阳光线透过程度的一个参数，万里无云的天气，大气透明度高，太阳辐射到达地面的能量就多，云雾或灰尘很多时，大气透明度低，太阳辐射的能量就很少一部分能到达地面。可见，大气透明度和天空云量和灰尘的含量是有很大关系的。

3.地理纬度

太阳辐射从低纬度到高纬度地区逐渐减弱。由于不同纬度的太阳光达到达地面的路程是不同的。较低的纬度，太阳光到地面的路径短，所以，到达地面的辐射量就大；相反，纬度越高，太阳光到地面的路径长，辐射的量就小。

二、光伏发电系统主要研究问题

1.最大功率点跟踪控制方法

外部环境和内部设备会严重影响光伏发电系统的输出功率，它的输出曲线一般是非线函数。在稳定的外部环境下，光伏系统具有独特的最大输出功率点。要想获得系统的最大功率，必须安装最大功率点跟踪器。最大功率点跟踪控制方法有很多，常见的包括固定电压法，扰动观察法，电导增加的方法。此外，一些研究人员将神经网络控制，模糊控制，滑模控制方法应用于控制最大功率点跟踪控制，并取得了一定的成绩。上述方法有其明显的优缺点。那么，如何使系统稳定地停留在最大功率点处，依然是目前光伏系统的一个热门话题。

2.逆变及并网控制问题

随着广泛使用太阳能发电，并网光伏发电已成为主要的形式；成功实现并网光伏发电技术，逆变是最重要的环节，在 IEEE 的标准中对逆变有严格的技术要求；为了不污染交流电网的同时提高当前电网的质量并网控制策略问题也是目前研究的热点。

3.孤岛效应问题

孤岛效应是存在于分布式发电系统中的一个问题。所谓孤岛效应就是当由于电气故障，操作失误或其他自然要素等原因中断供电时，单个客户端的太阳能发电系统未能检测到停电状态将自己从市电电网中脱离，太阳能发电系统和负载形成超越公共电网系统无法控制的自给供电孤岛。这种自给孤岛现象对电气设备维修人员甚至电网带来严重的后果，因此系统必须能够及时检测到电网系统停止运行。

三、最大功率点跟踪控制原理

为了使太阳能电池能充分地吸收太阳能，在不同日照强度、温度条件下的总输出功率最大，从而提高了太阳能电池的效率，我们可以对太阳能电池实行最大功率点跟踪（MPPT），允许其在最大功率点工作，使用增量电导的控制方法，利用比较太阳能电池阵列的瞬时导抗和导抗变化量，以及按照结果进行相应的调制来完成太阳能电池的最大功率点跟踪控制。

光伏电池的最大功率点随这外部工作环境而不断地发生变化,所以,必须要利用测量到的实时电信号(如光伏电池输出功率、电压等),识别并跟踪最大功率点的位置,以确保光伏电池始终在最大功率点工作。

一般情况下为了使负载得到的功率最大，只需让负载电阻和供电系统的内阻相等即可，然而由于太阳能电池的内阻受到多种因素的影响，如日照强度、环境温度及负载，因而它在不断地变化，所以不可能用上面的方法获得最大输出功率。因此经常在太阳能电池和负载之间加一个DC／DC变换器，通过改变DC／DC变换器中功率开关管的占空比，就可以使得太阳能电池工作在最大功率点，从而实现最大功率点跟踪控制。

四、光伏发电的优势与不足

由于太阳能光伏发电没有机械转动部件同时也不消耗燃料，并且不排放任何温室气体在内的物质，具有无噪声、无污染的特点；太阳能资源打破了地域限制，分布较广，取之不尽，用之不竭。所以，相比于其它的新型发电技术(风力发电与生物质能发电等)，太阳能光伏发电是一种具可持续发展理想特征（最丰富的资源和最洁净的发电过程）的可再生能源发电技术，它的优点包括以下几个方面：

1.太阳能资源取之不尽，用之不竭，太阳能照射到地球上的能量要比人类消耗的能量多6000倍。而且太阳能的分布相当广泛，可以这么说只要有光照的地方人么们就能够利用光伏发电系统，它完全不受地域、海拔等因素的限制。

2.太阳能资源方便，可就近供电。无需长距离输送，减少了因为长距离输电线路所造成的电能损失，并且降低了输电成本。这为家用太阳能发电系统在输电相对不方便的西部大规模使用提供了便捷条件。

3.太阳能光伏发电本身不使用燃料，不排放温室气体和其他废气在内的任何物质，对空气五污染，没有噪声，不会因为能源危机或燃料市场不稳定而造成一定的影响，是真正绿色环保的新型可再生能源。

4.太阳能光伏发电过程不需要冷却水，可以随意设置在没有水的荒漠戈壁上。光伏发电还可以与建筑物很方便地结合起来，形成光伏建筑一体化发电系统，无需单独占地，这样就节省了宝贵的土地资源。

但是它也有不足之处：一是强度和韧性不够。因为建筑物作为遮档物，经常会被日晒雨淋，光伏材料是建筑材料的一部分，所以也应满足一定强度的要求。还有，建筑物的使用寿命一般要求长达几十年，甚至上百年，但是如今的光伏材料最长寿命约20多年，故如何将光伏建筑材料的使用时限提高也是一个难题。二是外观问题。当太阳电池作为幕墙或者天窗时，由于电池板的反光会造成光污染，所以必须考虑太阳电池的颜色和反光性。另外，当太阳电池作为天窗或者窗户时，会档住一部分阳光从而影响室内的亮度，因此对太阳电池材料的透光性也有一定的要求。三是建后维护问题。由于光伏材料位于建筑物的外表面，经常暴露在空气中，时间长了必会堆积灰尘，阻档阳光的照射，从而降低光电转换的效率。故应隔一段时间对光伏建筑材料进行建后维护。

结语

光伏并网发电技术充分利用了太阳能这一可再生资源，在如今，能源危机日趋严峻，光伏发电已经备受关注，且已经取得了不错的成果，在国内外都有了一定的规模，特别是近几年电力电子技术的发展及其与控制理论的相结合，给光伏发电技术奠定了基础。但是，由于光伏并网发电技术现在还不太成熟，在技术方面仍然存在许多问题。但是我们相信随着科学技术的进步，光伏并网发电系统将会在世界范围内得到广泛的应用。

参考文献

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[2] 熊远生．太阳能光伏发电系统的控制问题研究[D]．博士学位论文，浙

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