光伏发电技术的进展

自工业革命以来，常规化石能源一直是人类经济发展的支柱，但是能源枯竭和环境恶化使人类加紧了寻找新的清洁的、可再生的能源，太阳能以其储量巨大、安全和清洁等优点必将成为21世纪人类的首选。太阳能利用形式之一的光伏发电技术以其规模灵活、建设周期短和维护简单等优点，成为了人们开发太阳能资源的重要方式。光伏产业发展较早的美国、日本和德国已经走在了世界的前列;而中国的光伏产业经历了最近10年的迅猛发展，已占据了世界光伏电池生产的半壁江山。

本文在结合国内外太阳能光伏发电产业发展现状的基础上，论述了3代光伏电池的最新发展;分析了光伏逆变器的典型拓扑及其逆变原理;并对光伏发电控制策略中的最大功率点跟踪和孤岛检测的原理及其实现方法作了对比研究。光伏电池

(1)光伏电池分类［1］

随着光伏电池相关技术的发展，光伏电池种类也不断更新。按照使用材料在各种光伏电池中，应用较多的仍是晶硅电池，2009年市场份额为85%［2］;非晶硅也占有一定的市场比率;而大部分多元化合物半导体技术仍处于实验室阶段，离大规模市场应用还有一定距离。

(2)三代光伏电池［2

］第一代光伏电池有多晶硅(Polycrys-tallineSiliconSolarCell)、单晶硅电池(MonocrystallineSiliconSolarCell)。单晶硅电池转换效率为16%～20%，多晶体硅电池效率为14%～17%。硅材料转化率的经典理论极限是29%，而随着纳米技术的引入，其转化效率有望提高至30%以上。目前以单晶硅、多晶硅为主的硅基光伏电池占据着全球80%以上的市场份额。第二代光伏电池有各种薄膜(Thin-film)电池，其薄膜厚度一般在2～3μm。其中包括碲化镉电池(CdTe)、铜铟镓硒电池(CIGS)、非晶硅薄膜电池(ASi)、砷化镓电池和纳米二氧化钛染料敏化电池等。据统计，2009年碲化镉电池(CdTe)约占全球薄膜电池产量的60%［3］。第三代太阳电池有超叠层太阳电池、热光伏电池(TPV)以及量子阱和量子点超晶格太阳能电池等新型光伏电池。三种硅材料半导体电池如图2所示。一般最小的太阳能电池单元电压为0.45～0.5V，电流为20～25mA［4］。这样的输出电压电流值明显不能满足实际的用户需求，所以往往通过串并联电池单元，以达到合适的输出电压电流等级。为了便于维护保养，提高光伏电池的使用寿命，将这些电池单元封装在一起即形成电池组件。将若干电池组件串并联在一起即为光伏阵列［5］。

(3)世界主要光伏电池生产商

根据PhotonInternational的统计数据，2010年Suntech(尚德)、JASolar(晶澳)和FirstSo-lar产能排名前三，其他依次是天合、Q-Cells(欧洲)、中国英利、Motech(中国台湾)、Sharp(日本)、Gintech(中国台湾)和Kyocera(日本)。就市场长远发展来看，晶硅电池所占比例会越来越小，但是在未来10年内其主导地位不会改变。另外薄膜电池以其用硅量极少，更容易降低成本，是一种新型建筑材料等优点［2］而具有更加广阔的发展前景。光伏电力电子变流技术［6］光伏并网逆变器是并网光伏发电系统(简称PV系统)能量转换和控制的核心，其性能决定了整个光伏并网系统的稳定、安全、可靠和高效运行。根据有无隔离变压器，光伏并网逆变器可分为隔离型和非隔离型等，分类如图3所示。

1.各种类型逆变器结构

(1)隔离型光伏并网逆变器［7］

1)工频隔离型光伏并网逆变器。图4a为工频隔离型光伏并网逆变器结构。这种结构是市场上应用最多的光伏逆变器类型，工频变压器的采用也使主电路和控制电路较简单。另外，由于变压器的隔离作用，一方面可以防止电网电流流入光伏发电系统侧，提高系统安全，另一方面可以防止变流器向电网注入直流分量及变压器饱和。缺点是体积大，成本和安装难度高。2)高频隔离型光伏并网逆变器。如图4b所示，高频隔离变压器大大减小了逆变器的体积和重量，唯一的不足是逆变器的效率比工频要低。

(2)非隔离型光伏并网逆变器

隔离型光伏逆变器的突出缺点是变压器的能量损耗较大，数千瓦的小型变压器的损耗甚至可以达到5%以上。非隔离型光伏并网逆变器显然克服了这一缺点，它可以显著地提高逆变器效率。同时省去变压器，使得逆变器的体积和重量都大大减小，结构更简单，成本更低。1)单级非隔离型光伏并网逆变器。图5a为单级非隔离型光伏并网逆变器结构，要求逆变器工作在工频模式。同时为了满足直流电直接逆变并网，光伏阵列需要有较高的电压等级，这就对系统的绝缘等级提出了更高的要求。2)多级非隔离型光伏并网逆变器。图5b为多级非隔离型光伏并网逆变器，功率变换一般需DC/DC、DC/AC级联组成。需要注意的问题:是大面积的光伏阵列与地之间存在的分布电容，即存在共模漏电流;又因为光伏阵列与电网是不隔离的，所以光伏发电系统会向电网注入直流分量，对电网中器件的运行产生不利影响。

2.光伏并网逆变器改进型拓扑

非隔离型逆变系统虽然存在上述不足，但是只要措施得当，直流分量还是可以抑制在允许的范围内的。由于非隔离型光伏并网逆变器具有体积小、质量轻、效率高和成本较低等优势，使得其在未来的光伏并网逆变技术中更具发展前景。在此对非隔离型光伏并网逆变器改进型拓扑及其实现原理作进一步分析。(1)基于Z源网络的单级非隔离型光伏并网逆变器针对常规电压源单级逆变器存在直流电压等级要求较高、直流侧抑波电容过大等不足，文献［8］提出了一种基于Z源网络的单级非隔离型光伏并网逆变器，如图6所示。这种逆变器的优点是:交流电压具有较大的输出范围，可高于、低于直流输出电压;同一桥臂间两个管子可同时导通，这正是此种逆变器拥有独特升压特性的原因。(2)双模式Boost多级非隔离型光伏并网逆变器常规Boost多级非隔离型光伏并网逆变器存在开关频率高、损耗大的缺点。介绍一种改进型的双模式Boost多级非隔离型光伏并网逆变器，如图7所示。这种拓扑的优点在于前后两级环节不同时工作于高频状态，总开关频率减小;旁路二极管VDb的引入使系统工作在全桥逆变模式时输出电流直接通过VDb，系统损耗大大减小。因此，增加了系统的转化效率和寿命，体积及质量都相应减小。除了上述拓扑外，文献［9］还介绍了一种多支路光伏并网逆变器。它的特点是多个支路逆变器可独立进行能量转换，可最大限度地利用太阳辐射能;同时因其具有安装灵活、维护方便等优点而具有较高的使用价值。