光伏与电力电子技术的探索之旅

光伏与电力电子技术的探索之旅

在当今全球能源转型的大背景下，光伏发电作为最具潜力的清洁能源之一，正以其独特的优势在全球范围内迅速发展。而电力电子技术作为光伏发电系统的核心技术之一，不仅解决了光伏发电存在的诸多问题，还进一步提高了光伏发电的效率和稳定性。本文将为您详细介绍光伏发电与电力电子技术的结合及其应用，带您领略这一领域的发展现状与未来前景。

光伏发电：太阳的慷慨馈赠

光伏发电，顾名思义，就是将太阳光能直接转化为电能的一种技术。太阳，这个巨大的核聚变反应堆，每时每刻都在毫不吝啬地向外倾泻着无尽的能量。据估计，地球表面每秒钟接收到的太阳能相当于燃烧500万吨煤所释放出的能量。倘若我们能够充分且高效地利用这些近乎取之不尽、用之不竭的太阳能，必将极大地缓解全球范围内日益严峻的能源危机。

太阳能电池作为光伏发电的核心关键部件，其工作原理与植物的光合作用有着异曲同工之妙。太阳能电池主要由半导体材料制成，当温暖而明亮的太阳光照射到太阳能电池上时，半导体中的电子犹如被太阳的魔力唤醒一般，迅速吸收光子所携带的能量，从价带勇敢地跃迁到导带，从而产生了电子-空穴对。在太阳能电池内部那神秘而强大的电场作用下，电子和空穴如同被赋予了使命的小精灵，分别朝着不同的方向快速移动，形成电流。就这样，太阳光能被成功地转化为了宝贵的电能。

图 1 位于内蒙古自治区阿拉善盟，正在建设中的腾格里沙漠光伏基地（原创图片）

光伏发电拥有诸多令人赞叹的优点。首先，它是一种绝对清洁、毫无污染的绿色能源，在整个能量转化过程中，不会产生任何温室气体以及对环境有害的物质，为地球家园带来了纯净与安宁。其次，光能是一种极为丰富的资源：只要有太阳照耀的地方，就可以进行光伏发电。此外，光伏发电系统的安装非常方便灵活，比如，它们可以巧妙地安装在屋顶、墙面等已有建筑上，不仅不占用额外的土地资源，还能与周围的环境完美融合，成为一道独特的风景线。

然而，光伏发电也并非完美无缺。首先，太阳能的能量密度相对较低，这就意味着需要铺设大面积的太阳能电池板才能收集到足够的能量。那一片片如蓝色海洋般的太阳能电池板，虽然壮观，但也会占据不少空间。其次，太阳能的输出功率受到时间、天气、季节等众多因素影响，具有较大的不稳定性。在阳光明媚的日子里，太阳能电池板欢快地工作着，输出强大的电能；而在阴云密布时或者夜晚，它们的输出功率便会大幅下降，甚至归零。此外，目前在与传统的化石能源竞争中，光伏发电的成本仍然相对较高。但我们有理由相信，随着技术的不断进步，这些问题终将被一一攻克。

电力电子技术：光伏发电的神奇魔法师

当前，电力电子技术如同一颗璀璨的明星，在能源领域的天空中冉冉升起。它可以有效解决光伏发电所存在的问题，进一步提高光伏发电的效率和稳定性。电力电子技术是一门充满魅力的科学，它利用先进的电力电子器件对电能进行高效变换和精确控制。通过脉宽调制（PWM）技术以小控制信号调整开关元件的导通时间或频率，从而调节输出电压的幅值、频率和波形，进而轻松实现不同形式电能的相互转化，完美地满足不同用户的多样化需求。

面积等效原理是PWM技术设计和理解的重要基础，其核心思想是冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其响应基本相同。在此基础上，利用PWM技术对开关进行快速控制，可将直流电源电压转换为一系列宽度和频率可调的矩形脉冲，以实现各种电压波形的输出，具有高效性、灵活性和精确性等特点。以正弦波的半波为例，如图 3所示，当Ts很小时，其可等效为若干个幅值相等、宽度呈正弦规律变化的脉冲，该系列脉冲称之为PWM波。

图 3 PWM技术示意图（来源：bbs.elecfans.com）

在光伏发电系统中，电力电子技术主要在以下几个关键方面发挥着其重要作用：

太阳能电池的最大功率点跟踪（MPPT）

太阳能电池就像一个有点小脾气的“能量收集器”。它具有非线性的功率输出特性，存在一个最大功率点，且输出功率会随着光照强度和温度的变化而任性地改变着，如图 4所示。为了让太阳能电池始终保持高效工作，最大限度地输出电能，我们需要采用电力电子技术中的最大功率点跟踪技术（MPPT）。MPPT就像是一个超级聪明的小助手，它会时刻盯着太阳能电池的输出电压和电流，精准地调整太阳能电池的工作点，使其输出功率始终保持在最大值。就好比你在跑步的时候，有个教练一直帮你调整步伐和速度，让你始终以最佳状态前进，这样就能收集到更多的能量啦。

图 4光伏电池的输出特性曲线随光照强度G的变化（来源：www.ecmweb.com）

为实现MPPT功能，电力电子技术中的DC/DC变换器扮演着关键的角色。图 5为实现MPPT功能的BOOST换流器电路，它就像是一个神奇的调节器，通过特定的算法（如扰动观察法、增量导纳法、模糊控制法等）输出一个指令，该指令通常是PWM调制信号的占空比（开关的导通时间与关断时间的比例），来控制电路中功率半导体器件的开断，进而巧妙地调节变换器的等效电阻，改变太阳能电池（PV模块）的输出电压和电流，从而确保太阳能电池始终工作在最大功率点。

逆变器

光伏发电系统产生的是直流电，然而我们日常生活中所使用的电器设备大多需要交流电才能正常工作。因此，逆变器就成为了光伏发电系统中不可或缺的重要组成部分。逆变器是一种强大的电力电子装置，它能够将直流电逆变为交流电。作为电能转换的重要角色，逆变器的性能直接决定了光伏发电系统的效率和稳定性。逆变器的种类多种多样，包括两电平逆变器、三电平逆变器、多电平逆变器等。选择合适的拓扑结构不仅能提高电能利用率，还能确保系统在各种复杂的工作环境下稳定运行，从而为我们的生活、生产提供稳定而可靠的电力支持，推动可再生能源的进一步普及与应用。

三相两电平逆变器是一种基本的逆变器，以该拓扑为例，光伏发电交流并网系统的拓扑结构如图 6所示，该系统由MPPT、逆变器、滤波器和变压器等组成。

图 6 三相两电平逆变器拓扑结构[2]

三相两电平逆变器中，a、b、c三相均由上下两个桥臂组成，每个桥臂由开关器件组成，通过PWM控制开关器件的开断在交流侧输出不同宽度的脉冲。开关器件的工作状态使得交流侧可以实现两种输出电压水平：正电压（直流输入电压的正极）和零电压（直流输入电压的负极），因此称为两电平变压器。

储能系统

由于太阳能的输出功率具有不稳定性，为了保证光伏发电系统的稳定可靠运行，储能系统的引入就显得尤为重要。储能系统就像是一个巨大的能量宝库，在太阳能充足的时候，它可以储存多余的电能；而当太阳能不足时，它又能迅速释放电能，确保光伏发电系统能够持续供电。在这个过程中，电力电子技术中的双向DC/DC变换器发挥着关键的作用。

这里以双有源桥（DAB）直流变换器为例，介绍其实现储能和光伏发电系统间电能双向流动的原理。如图 7所示，DAB变换器可以看作是由两个单相两电平逆变器和高频变压器构成。通过对两个桥路中开关器件的调制，可以实现对能量流动方向的灵活控制。在这里，高频变压器一方面可以提供良好的电气隔离，另一方面其高频率工作特性使其磁芯和绕组可以设计的更小，有利于实现设备的小型化和轻量化。

图 7 DAB直流变换器拓扑结构[3]

光伏发电与电力电子技术的奇妙结合

当光伏发电与电力电子技术结合在一起时，一系列神奇而实用的应用场景便会涌现出来，实现1 + 1 > 2的效应。下面，让我们一同走进一些具体场景。

分布式发电场景

（1）工商业屋顶光伏电站。工厂、商业大楼等工商业建筑屋顶面积大、用电量大，适合安装光伏发电系统。光伏板将太阳s能转化为直流电，其通过电力电子逆变器将其转换为交流电，供建筑内的设备使用；多余的电能还可以出售给电网，为企业降低能源成本，提高经济效益。

（2）居民住宅屋顶光伏。普通居民住宅的屋顶也可以安装小型光伏系统，满足家庭的部分用电需求，减少对传统电网的依赖。此类系统一般采用组串式逆变器，将每块光伏板产生的直流电转换为交流电后进行汇流，再接入家庭配电箱。在一些光照资源丰富的地区，居民安装屋顶光伏系统不仅可以节省电费，还能获得一定的补贴。

大型集中式电站场景

在有条件的地区如内蒙古、青海、甘肃等地区，可以建设大型集中式电站，满足更高层次的供应需要。例如，在沙漠、戈壁等荒漠地区，土地资源丰富、光照强度高且持续时间长，适合建设大规模的集中式光伏电站。这些电站通常由成千上万块光伏板组成，产生的直流电通过Boost、集中式逆变器等电力电子装置转换为交流电后，经升压变压器接入高压电网，实现远距离输电，减少了电网对化石能源的依赖。

微电网场景

（1）偏远地区微电网。在远离主电网的偏远山区、海岛等地区，构建以光伏发电为主的微电网系统。通过电力电子技术，将光伏发电、储能设备（如蓄电池）、柴油发电机（备用电源）等进行集成和协调控制，实现区域内的电力自给自足。电力电子设备负责电能的转换、分配和控制，确保微电网的稳定运行。

（2）工业园区微电网。一些工业园区内的企业具有较高的用电需求和较大的屋顶面积，适合建设工业园区微电网。将园区内各企业的光伏发电系统、储能系统以及用电设备通过电力电子装置连接起来，实现园区内电能的优化分配和共享，提高能源利用效率，降低企业的用电成本。

为其他行业赋能

（1）光伏+交通，如光储充一体式车棚。随着电动汽车的普及，在停车场、加油站等场所建设光储充一体式车棚成为一种潮流。光伏系统为电动汽车充电提供电能，同时配备储能系统，将多余的电能储存起来，在夜间或光照不足时使用。光伏电能的转换、储能系统的充放电管理以及与电动汽车充电桩的连接和控制都需要借助电力电子技术来实现。

（2）光伏+农业，如农业大棚光伏。在农业大棚的棚顶安装光伏板，既可以为大棚内的农业生产设备如灌溉泵、补光灯等提供电力，又能起到遮阳的作用，有利于调节大棚内的温度和光照条件，提高农作物的产量和质量。通过电力电子技术，可以将光伏电能转换为适合农业设备使用的电压和频率。

（3）光伏+通信。在偏远地区、山区等通信基站建设中，采用光伏与电力电子技术结合的方式，为通信基站提供可靠的电力保障。光伏系统产生的电能通过电力电子设备进行转换和稳压，确保通信设备的正常运行，降低了通信基站的供电成本和对传统电网的依赖。

光伏与电力电子技术的未来发展

经过多年的发展，光伏产业与电力电子技术已经成为了密不可分的亲密伙伴。可以预见的是，这对伙伴在未来将会继续向前携手并进。

一方面，光伏发电将继续朝着高光电转换效率、低成本等方向稳步迈进。研究人员不断探索新的光伏材料和电池结构，以突破现有转换效率的瓶颈。例如，新型的钙钛矿太阳能电池具有较高的理论转换效率。同时，人们一直在尝试改进传统的晶硅电池技术，更先进的硅片切割技术、钝化技术也正在路上。

另一方面，电力电子技术也在朝着高频化、高效化、高功率密度方向发展。新型的半导体材料，包括碳化硅、氮化镓等，能够显著降低器件的导通损耗和开关损耗，提高设备的工作频率和效率，从而实现电力电子设备更高的效率和功率密度。以英飞凌的CoolSiC™肖特基二极管第5代为例，VRRM、IF分别可达2000V、80A，可在高达1500 VDC的高直流链路系统中实现更高的效率和设计简化。

在全球能源结构转型的浪潮中，这两大技术的深度融合与创新发展，为我们展示了一条人与自然和谐共生的希望之路。相信在不久的将来，我们的生活将因为它们而变得更加美好、更加绿色、更加充满希望。

参考文献

[1] Sarita, Kumari et al. “Power Enhancement With Grid Stabilization of Renewable Energy-Based Generation System Using UPQC-FLC-EVA Technique.” IEEE Access 8 (2020): 207443-207464.

[2] Rezende, Jaqueline O et al. “Control of Reactive Power with Genetic Algorithm in Electrical Power Systems with Photovoltaic Power Plant.” Anais da Academia Brasileira de Ciencias vol. 94,2 e20211001. 8 Aug. 2022, doi:10.1590/0001-3765202220211001.

[3] Noroozi, Negar et al. “Performance Evaluation of Modulation Techniques in Single-Phase Dual Active Bridge Converters.” IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society 2 (2021): 410-427.