光伏发电技术现状与进展.docx

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光伏发电技术现状与进展

光伏发电技术：

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光伏发电技术：

现状与进展

曾君1,2，吴捷1,2，刘俊峰3,陈渊睿1,2

1.华南理工大学电力学院广东广州2.广东省绿色能源技术重点实验室广东广州3.香港理工大学电机工程系电力电子研究中心香港红勘

摘要：

本文对光伏发电系统中的主要问题进行了全面的评述和研究。

首先阐述光伏电池的发展现状和趋势，详细介绍了各种光伏电池的转换效率以及优缺点。

然后综述了系统平衡部件（BalanceofSystem,BOS）各部分的发展情况，综合了大量的MPPT技术、孤岛效应的预防和逆变技术等关键部分的研究情况，并进行了对比研究和深入分析。

最后，阐述了未来光伏发电系统的主要发展方向和趋势，介绍了我国光伏事业的发展现状。

关键词：

光伏发电系统，光伏电池，系统平衡部件，最大功率跟踪、孤岛效应、逆变控制中图分类号：

TK513.4文献标识码：

A

0引言?

能源是经济和社会发展的重要基础。

在面临严峻的能源和生态危机的形势下，可再生能源的研究和发展成为各国所共同关注的重要议题。

尤其是大规模集中式电网在灾难和特殊事件下暴露出来的脆弱，也使得面向可再生能源的分布式发电系统得到迅速发展。

20世纪80年代以来，美国、德国、日本、加拿大和荷兰等国纷纷制订了可再生能源的中长期发展规划，大力推动可再生能源的发展[1]。

我国在2006年颁布了《可再生能源法》[2]，继而又在2007年颁布了《可再生能源中长期发展规划》[3]，对推动我国可再生能源的发展具有非常重要的作用和意义。

太阳能作为分散式能源的一种，不仅资源丰富、取之不竭，且不受地域限制，清洁而无任何污染，被认为是最具有发展潜力的战略替代能源。

近10年来，全球太阳能电池产量年均增长率达到了33%，2004年的世界太阳能电池产量超过1200MW，2005年达到1818MW，2006年达到2536MW，年增长率[1]分别达到61.2％、51.5%和40%。

2007年全球太阳能电池产量达到3500MW[4]。

按照我国《可再生能源发展计划》，到2010年，太阳能发电总容量达到30万千万，到2020年达到180万千瓦，发展前景辉煌[3]。

由此可见，光伏发电（photovoltaic,PV）必然是未来最主要的替代能源。

光伏发电系统是由光伏电池组、控制器、能量储存设备及变换环节构成的发电与电能变换系统，可以并网或者就近独立系统供电，形成并网光伏发

基金项目：

国家自然科学基金重点项目（No.）,?

国家863计划（No.2007AA05Z244），中国博士后科学基金（No.）?

作者简介：

曾君（1979‐），博士，华南理工大学电力学院新能源研究中心博士后，主要从事分散式可再生能源发电系统控制技术研究；吴捷，（1937‐），教授，博导，华南理工大学电力学院新能源中心主任，主要从事可再生能源中发电系统中控制与电力电子技术研究。

电系统或者独立光伏发电系统。

对于并网光伏发电系统，还可进一步分为可调度式并网系统（配备少量蓄电池）和不可调度式并网系统（不配备蓄电池）。

结构示意图如图1所示。

?

直流负载?

DC/DC?

变换器DC/AC?

逆变器?

?

电网交流负载蓄电池组

PV方阵?

?

?

控制系统?

图1光伏发电系统示意图Fig.1SystemConfigurationofPVSystem

本文以可调度式并网系统为对象，对光伏系统的主要问题进行讨论。

文献[5]提出光伏系统由光伏电池板（PVModule）和系统平衡元部件（BalanceofSystem,BOS）组成[5]。

其中BOS主要包括阵列结构、输入跟踪系统、连接器件、过流保护设备、逆变器、充电控制、输出最大功率跟踪（MaximumPowerPointTracking,MPPT）、储能设备和系统控制。

本文将按此分类，对光伏发电技术进行综述性研究。

文章第二部分主要阐述光伏电池的发展现状和趋势，介绍主要电池种类的转换效率以及优缺点。

第三部分综述BOS各部分的发展情况，主要涉及MPPT技术、孤岛效应的预防和逆变技术等关键部分的研究情况。

第四部分探讨了未来光伏发电系统的主要发展趋势并对我国的现状进行了调查。

希望通过本文的研究，能对光伏技术的发展有一个较为全面的了解，以期引起相关科研与产业部门的关注。

1光伏电池

光伏电池的发展以光电效应为核心技术，最早

可以追溯到1839年法国物理学家Becquerel发现光电化学效应（photoelectrochemicaleffect）。

但直至20世纪80年代，在大大提高了转换效率后光伏电池的生产和应用才得到了迅猛发展，年平均增长率达到30%，尤其是近五年平均增长速度超过了50%[6]，已形成基于硅晶片和基于薄膜技术的两大技术范式。

晶体硅光伏电池经过长时间的发展已经比较成熟，是目前国际光伏市场上的主流产品，占世界光伏电池产量的90%以上，并且正向高效率、低成本和薄片化方向发展。

由于硅材料的限制，研究者们一直在寻求各方面的突破，希望改变由原料、硅锭、硅片再到电池的传统工艺路线，采用直接从原料到电池的生产工艺，即发展薄膜太阳能电池技术[7]。

目前，非晶硅（A-Si）、多晶硅（Poly-Si）、铜铟镓硒（CIGS）和碲化镉（CdTe）薄膜电池是目前发展比较成功的薄膜电池，而染料敏化和有机薄膜电池处于实验室阶段，正在兴起之中。

薄膜电池将是将来最主要的发展方向。

各种主要光伏电池的原理和优缺点如表1所示，而且表1中还列出了产生每千瓦电力各种材料工艺的光伏电池所需铺设的面积。

表1主要光伏电池品种介绍和参数表

[8][9][10][11][12]

染料敏化有机

低成本、相对简单的制作工艺技术和电池制备的低能耗材料来源广、制作成本低、耗能少、可弯曲、易于大规模生产

转换效率低，*处于中试阶段，未产业化光电转换效率低，处于实验室阶段，尚未产业化*

注：

此处“面积”是指产生每千瓦电力所需铺设的太阳能板面积；*指数据缺省。

光伏电池最重要的参数就是转换效率。

澳大利亚Martine教授的带领的团队，从1993年开始，每半年便对各种光伏电池的转换效率进行一次搜集和总结（限于已通过权威检测机构检测认证的产品）。

为具有一定代表性，且又不至于过于冗长，本文引用了2000年6月，2004年6月和2008年6月的数据，如表2所示。

表2主要光伏电池转换效率表（标准状态下）[13][14][15]Table2PVCellandModuleefficienciesinStandard

Cell2000硅晶片单晶硅多晶硅薄膜多晶硅24.719.816.618.212.718.216.04.7*200424.720.316.623.314.618.416.5**19.216.510.45.15200824.720.316.624.5Module200022.715.3**10.412.110.4**200422.715.38.2*10.413.410.4**200822.715.3*8.210.413.410.7**

Table1IntroductionofPVCell原理和优点缺点面积硅晶片多晶硅同上，可直接制备出适合于生产的方形硅锭，相比于单晶硅节约原料薄膜技术A-Si多晶硅单晶硅转换效率高、稳定性强资源耗费高、≈8成本高、能源回收周期长转换效率相对单晶硅低，耗费较多资源有效吸收可见光，高效、转换效率降稳定、低耗，兼具晶硅和薄膜电池的优点。

光吸收率大,与其他原子结合制成对近红外高吸收的非晶硅锗集层光电池CIGS能隙宽度可调；高吸收系数；晶格匹配性能优衬底选择上空间大，可实现大规模打印生产。

CdTe带隙最适合于光电能量转换，有很高的理论转换效率低，受硅材料供应限制转换效率低，15具光致衰退S-W效应，性能不稳定转换效率还有待进一步程度上受原料限制Cd有毒,对环境和人体存在危害111012≈7

技术GaAsA-SiCIGSCdTe染料敏化有机

注：

*表示数据缺省

总的来说，光伏电池的发展基本可以概括为：

第一代光伏电池主要是基于硅晶片，采用单晶硅和多晶硅材料制成。

第二代光伏电池则是基于薄膜技术，主要是多晶硅、非晶硅和CIGS等材料制成。

其中，值得一提的是，美国nanosolar公司研制的Powersheet电池，提出了柔性衬底、印刷墨水、卷到卷印刷（rolltoroll）技术等7项专利，将太阳能电板每瓦电的生产成本降至30美分，而且安装方便，任何地方都可以，比如车顶，车库等等[16]。

在一定秀；具光子再循环效应；提高，

2BOS的研究现状与发展

电池转换效率和生产成本是制约光伏产业发展最主要的因素，但是当系统架设以后，光伏电池又是整个系统中最安全稳定的部分，在BOS部分，包括MPPT控制、孤岛效应、组态控制、蓄电池充放电

控制和逆变控制等，则是影响系统稳定性的最主要因素。

这些控制方法的好坏和设备的稳定性，直接影响着光伏发电系统的寿命，是急需解决和提升的研究热点。

2.1MPPT控制技术光伏电池的输出特性主要受日照、温度和材料甚至阴影等不同因素的影响，尤其是日照强度和电池表面的温度，且不同于一般的直流电源。

在日照强度变大时，其开路电压微小上升，其短路电流剧烈变化，导致最大输出功率随日照强度上升而增加，示意图如图2（a）。

当电池表明温度上升时，短路电流微弱增加，开路电压却剧烈下降，最大输出功率亦随之降低，如图2（b）。

但是，无论条件如何变化，都可画出一条功率曲线，存在一个最大功率输出点。

如图2（c）[17]所示。

在实际运行条件下，由于环境因素的变化，最大功率点会发生未知的“漂移”。

因此，为确保系统能最大输出电能，需采用最大功率跟踪技术，通过自寻优方法使系统跟踪并稳定运行在光伏系统的最大功率输出点，提高太阳能输出电能的利用率。

恰当的MPPT技术的选用，可以额外提高效率增益25%-30%[5]。

CorrelationControl,RCC）电流扫描法（Current、Sweep,CS）直流电容下降控制法（DCLink、CapacitorDroopControl）负载电流或电压最大化法、（LoadCurrentorLoadVoltageMaximization）以及反馈控制法（dP/dVordP/dIFeedbackControl）等。

表3为主要的MPPT算法的原理及优缺点介绍，并列举了改进方法。

表3MPPT算法原理表Table3AlgorithmofMPPT（限于版面，附于文后）

各种MPPT方法都是为不同的应用而提出和进行改进的。

面对纷繁的各种方法，在构建PV系统时应在充分了解各种算法特点的基础上进行应用和改进。

比如，控制电路是采用模拟技术还是数字技术、需要配备的传感器数量、精度要求、收敛速度和算法复杂度等等，都需要综合考虑系统搭建要求和环境等多种因素后，做出选择。

表4为几种主要的MPPT算法的特性总结。

表4几种主要的MPPT算法的特性的总结[17]Table4SummaryofDifferentMPPTAlgorithm（限于版面，附于文后）

2.2孤岛效应孤岛效应是指由于电气故障、误操作或自然因素等外部原因电网中断供电时，分散式发电装置未停止工作而继续给局部电网供电，形成供电孤岛。

孤岛效应导致安全、经济、电能质量以及系统集成等多方面的问题，尤其是对电网检修和维护人员的安全构成极大威胁。

孤岛效应的检测和预防已经引起了人们的广泛关注和重视。

过去十年来，大量的孤岛检测方法被提出和进行研究。

将这些方法进行综合和分类，大致可以分为三种，分别为无源检测方法、有源检测方法和基于通信的检测方法。

无源检测方法是对电网和PV发电系统的公共连接点上的电流和电压等参数直接进行测量，根据这些参数的变化来判断孤岛的发生。

目前，主要的无源检测法有：

过／欠电压和高／低频率方法（Over/Undervoltage,OUV,Over/Under-frequency,OUF），电压谐波检测（VoltageHarmonicMonitoringMethod,VHMM），相位检测法（PhaseMonitoringMethod,PMM）等。

这些方法在检测过程中所形成的非检测区（NonDetectionZone,NDZ）（NDZ是指孤岛效应检测过程中系统和负载不匹配却无法测量得区域）的范围是一个主要的评判标准。

表5给出了这几种方法的NDZ情况。

无源检测最为简单，但存在

（a）日照强度影响图2

（b）温度影响

（c）功率曲线图[5]

光伏系统最大功率曲线

Fig.2MaximumPowerCurveofPVSystem

为了使太阳能能达到最大功率输出，各种各样针对不同的环境的算法被提出和验证。

文献[17]收集了截至2005年最主要的90篇关于MPPT技术的文章，对MPPT进行了全面的阐述和回顾。

本文在此将借鉴文[17]，并查阅和补充了更多的相关资料，对MPPT进行较为全面和精简的介绍。

主要的MPPT算法有爬山法（HillClimbing）扰、动观察法（PerturbandObserve,P&O）、增量电导法（IncrementalConductance,IncCond）比例开路电压、法（FractionalOpen-CircuitVoltage，）、比例短路电流法（FractionalShort-CircuitCurrent）、模糊逻辑控制法（FuzzyLogicControl,FLC）、神经网络法（NeuralNetwork,NN）脉动控制法（Ripple、

较大的NDZ区域，形成检测盲区。

有源检测方法则是以已知的正常运行情况的完全掌握之上，注入扰动量（比如加入电源、电流谐波和外部电容等）来观测系统相应的变化。

主要方法有：

阻抗测量、频率漂移、电压漂移。

有源检测法有效避免了检测盲区的问题，但是，由于人为的注入扰动量，有可能对电能质量产生不利影响。

而基于通信的方法则是指依靠通信获取断路器跳闸信号或者电力线路载波通信的监听，比如监测ＰＶ系统和电网之间的断路器和自动重合闸之间的状态来检测孤岛的产生与否。

相比于前两种方法，基于通信的方法，有效可靠，但是设备投资较大，尤其是在通信基础设施缺乏的地方[32][33][34]。

表5无源检测方法的NDZ对比[32]Table5NDZofPassiveMethodsOUVNDZ-17%≤ΔP≤24%OUF-5%≤ΔQ≤5%VHMM*PMM-5%≤ΔQ≤5%

串级的设计灵活，高能量输出和低成本的优点，是今后滚光伏并网逆变结构的一种发展趋势[35]。

表8光伏阵列与逆变器的组合结构[35]Table8CombinationofPVModuleandInverter（限于版面，附于文后）

2.3逆变控制技术光伏发电系统在全天所输出的功率将由于日照的大范围的变化（200-1000W/m2）而在较大范围内波动，不管外部环境如何变化，要求逆变器始终以最优的效率将光伏组件输出的低压直流电变换成与电网匹配的交流电。

所以光伏并网系统中，直/交流逆变技术是其中最为核心的技术之一。

这部分最重要的技术指标是可靠性和转换效率[5]。

文献[5]指出，1999-2003年间，美国佛罗里达州对光伏系统记载的213次运行故障中有139次（高达65%）是由逆变器引起的。

此外，光伏发电系统要并网，必须对电网和PV系统的输出进行实时监测，对周围环境的变化做出准确的判断，完成对电网的投、切控制，系统的启动、运行、待机、检修等状态的控制，确保系统安全可靠。

也就是说，要与电网相连，逆变器需完成对电能质量的监测和控制、实现MPPT，防止孤岛效应等基本要求。

本节着重讨论逆变器的拓扑结构和控制。

2.3.1逆变器的拓扑结构随着光伏技术的不断发展，光伏系统拓扑结构主要有下列几种，如表7所示。

表7光伏系统拓扑结构[33]Table7TopologyofPVSystem（限于版面，附于文后）

此外，光伏阵列具有灵活的组合特性，可以方便的和逆变器构成多种拓扑结构，诸如：

并（串）联到串级型、模块型、多串级型。

多串级型融合了

2.3.2逆变器的跟踪控制对电网的跟踪控制是整个逆变系统控制的核心，直接关系到系统的输出电能质量和运行效率[35]。

光伏并网系统要求对电流和功率进行控制，因此大部分研究人员都采用双环控。

文献[36]提出双环为电流的内环控制和功率的外环控制。

外环控制主要是保证系统工作在最大功率点而采取的MPPT控制。

内环则主要采用各种优化的PWM控制策略跟踪控制系统提出的参考电流值。

传统的PWM控制方式有瞬时比较方式、定时比较方式和三角波比较方式。

瞬时比较方式采用闭环控制，将电流误差通过滞环比较产生PWM信号来控制电流的变化，电路结构简单，具有良好的动态响应，但开关频率变化，输出电流波动和谐波畸变率大。

定时比较方式利用定时控制的比较器改善了开关频率过高的缺点，但是其补偿电流误差不固定。

三角波比较方式将电流误差通过比例积分放大器处理后与三角波比较试图将电流误差控制为最小，具有谐波少，开关频率固定的优点，但是硬件复杂，电流响应较慢。

此外，还有基于载波周期的一些控制技术，诸如：

无差拍PWM技术，实现了稳态无静差效果。

而另一种称之为瞬时值反馈控制技术，其反馈量不仅含有谐波还含有占主导地位的基波分量，因此消除死区的因素造成的谐波畸变的同时也很难抑制非线性负荷的影响。

随着科技的发展尤其是微处理器技术和数字技术的发展，越来越多的先进控制算法被引入到光伏并网发电系统的逆变控制技术中。

文[37]提出将滑模控制应用到无变压器的Boost-Buck的DC/AC电压型逆变器在输出电压和载荷扰动上取得了较好的性能。

文[38]引入变结构控制进一步改进了文[37]提出的控制方法。

文献[39]提出一种新的双环结构，内环为电流控制环，并采用电流解耦的PI控制，外环采用自抗扰控制器进行电压跟踪控制，系统具有良好的鲁棒性和动、静态特性。

文献[45]将导抗变换器和光伏并网逆变系统有机结合在一起实现了电流源并网，并采用三角波－三角波调制策略生成正弦波电流，降低并入电网电流谐波含量，提高功率因数，从而达到并网要求[41]。

此外，智能控制算法也逐渐被引入，譬如人工神经网络方法[42][43]，模糊控制[44]

等。

这些方法都在一定程度上解决一些特定领域的应用问题。

2.3.3组态控制技术当日照强度、太阳能电池表面附着物、空气湿度等外界条件发生变化时，太阳能电池输出最大功率点的端电压变化较大，将直接影响发电电压、功率输出等电能指标和太阳能发电控制装置的转换效率。

因此固定的接线方式必须代之以在上述随机因素下的最优接线方式（组态），即开展太阳能电池阵列的组态动态优化研究。

文错误！

未找到引用源。

提出根据日照情况，实时改变光伏电池并联形式的组态优化技术，有效延长了光伏电池的工作时间，实现了正常天气下发电量5%的提高。

这一新的技术是国内学者首次提出的，其后续研究及应用前景值得关注。

2.4蓄电池充放电技术在光伏系统中，值得研究的问题还很多，但是所有问题的症结都在如何提高系统的效率和可靠性上，储能设备的影响也是重要问题。

在太阳充足的时候通过储能设备储存多余的能量，在光伏系统发出电能不足时释储能设备中的能量来满足负载的需求。

储能系统的好坏直接影响整个光伏系统的效率和可靠性。

目前储能技术虽然发展了很多种类，譬如蓄电池、超级电容、飞轮等。

但是最为通用的仍然是将蓄电池作为光伏系统的储能设备，尤其是镍（（Ni-Cd或者Ni-HD）等酸性电池由于具有较高的性价比和可靠性（能适应恶劣的环境）被广泛应用[5]。

但是，目前光伏系统中所使用的蓄电池基本都不是专门为光伏系统设计的，由此在使用中暴露出明显的问题，是影响系统性能的一个薄弱环节。

在光伏系统中，若按常规的充电方式，会造成光伏系统中蓄电池使用寿命大大缩短。

因此，要求根据蓄电池的运行状态和特殊性，设计相应的充放电控制策略。

目前关于蓄电池的充电方法大致分为几大类：

常规充电法（主要包括恒压充电法、恒流充电法、阶段充电法等方法）；快速充电法（主要有脉冲式充电法、变电流间歇充电法、变电压间歇充电法等）；智能充电法（智能模糊充电等）。

文[45]提出一种新的充电控制策略，通过实时检测光伏阵列的输出电压、电流以及蓄电池的电压、电流等值作为控制信息来对光伏系统中蓄电池充电过程进行控制。

整个充电过程可以分为三大部分：

MPPT充电控制（包含限流环节）、恒压充电控制及维护充电控

制（根据需要考虑均衡充电、浮充、涓流充电等）。

此外，如何将蓄电池与新近发展的超级电容并联运行，也是一个值得研究的问题。

3中国现状与展望

我国常规能源预测储量低于世界平均水平。

目前，我国能源消费以煤为主，CO2排放量占世界13.6%,居美国之后排名第二，SO2排放量占世界15.1%，排名第一，环境压力极大，必须大力发展可再生能源以保证我国的可持续发展战略[47]。

此外，我国幅员辽阔，可再生能源丰富，具有开发太阳能光伏发电系统的优越的自然条件。

图3为世界各地日照强度图，图4为通过光伏技术世界各地可能获得的光伏能量[48]。

从图3图4可见，全国三分之二的国土面积年日照小时数在2000小时以上，年太阳辐射总量大于每平方米5000兆焦，属于太阳能利用条件较好的地区。

图3世界各地日照强度图

[47]

Fig.3GlobalVariationinIrradiation

图4通过光伏技术世界各地可能获得的光伏能量

[47]

Fig.4EnergyPotentialfromPVaroundtheWorld

如前文所述，光伏发电系统中，独立型的光伏发电系统主要是小型光伏发电系统，主要应用于海岛、边防哨所、偏远的农村和山区等大电网无法达到或者建设成本过高的地区。

独立型光伏发电系统在我国西北的牧区已经由政府出资进行建设。

而并网光伏发电系统则主要

有两种方式：

一是在建筑屋顶或其他空地建设和低压配电网并联，光伏系