電感在光伏中的功率轉(zhuǎn)換及應(yīng)用（上）

前言

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的技術(shù)發(fā)展——特別是在生態(tài)危機(jī)、化石能源困境等多個(gè)重大關(guān)鍵課題的刺激下，太陽(yáng)能在以轉(zhuǎn)換效率和成本為核心的技術(shù)和商業(yè)兩方面的關(guān)鍵難點(diǎn)上取得了巨大突破。太陽(yáng)能是可再生能源和可持續(xù)電力設(shè)施改造的關(guān)鍵形式、實(shí)現(xiàn)碳中和傳播的重要途徑，這不僅是全球共識(shí)，也是美國(guó)、歐盟等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家目前所處的實(shí)際情況。同時(shí)，中國(guó)也在出臺(tái)相應(yīng)的政策指導(dǎo)方針，大幅增加光伏發(fā)電裝置的數(shù)量。為光伏發(fā)電系統(tǒng)選擇合適的電感對(duì)于太陽(yáng)能的進(jìn)一步普及具有重要的意義。

Part1

光伏發(fā)電應(yīng)用與功率轉(zhuǎn)換

以設(shè)施等級(jí)為劃分依據(jù)，太陽(yáng)能應(yīng)用通常分為三類(lèi)：住宅，x100W~xKW；商用，xKW ~ xMW；公共事業(yè)，xMW ~ xGW。由于太陽(yáng)能應(yīng)用廣泛，且具有可擴(kuò)展性，太陽(yáng)能發(fā)電的相應(yīng)功率轉(zhuǎn)換有幾種不同的方案可供選擇：

在轉(zhuǎn)換效率方面，有用于適應(yīng)太陽(yáng)輻射并根據(jù)電池溫度調(diào)節(jié)輸出的連續(xù)控制單元；考慮到相對(duì)發(fā)電成本和用電容量，有用于離網(wǎng)型發(fā)電的分布式微電網(wǎng)和用于柵極接電的集中式電站，尤其是當(dāng)光伏板數(shù)量增加時(shí)，系統(tǒng)的孤島風(fēng)險(xiǎn)和并網(wǎng)設(shè)備的低電壓穿越（LVRT）會(huì)使得光伏發(fā)電的配置方案更復(fù)雜多變。

濾波電感、升壓電感等電感除了應(yīng)用于相應(yīng)的功率轉(zhuǎn)換之外，在其他方面也廣泛應(yīng)用；尤其是在典型的分布式光伏解決方案中，電感的成本更高（按百分比計(jì)），因此為光伏發(fā)電系統(tǒng)選擇合適的電感對(duì)于太陽(yáng)能的進(jìn)一步普及具有重要的意義。

Part2

系統(tǒng)中光伏發(fā)電及功率轉(zhuǎn)換的原理

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半導(dǎo)體基礎(chǔ)

由于光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵要求，單晶硅異質(zhì)結(jié)（HIT）太陽(yáng)能電池（N襯底）是目前的重點(diǎn)發(fā)展類(lèi)型（效率在25%左右）。目前占據(jù)安裝規(guī)模的主要份額的類(lèi)型仍然是鋁背場(chǎng)（BSF）和PerC型如P 型基板電池（效率在 19% 和 21.5% 之間）。但隨著設(shè)備和主要材料（硅材料和低溫銀漿）的不斷研發(fā)和生產(chǎn)能力的提高，HIT成本將逐步降低，未來(lái)新裝的太陽(yáng)能電池將以HIT型為主。

在本征半導(dǎo)體中，P型或N型半導(dǎo)體通過(guò)摻雜獲得足夠的載流子濃度。由于其窄帶隙，外界干擾（如照明電磁輻射）可以激發(fā)內(nèi)部原子產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)。當(dāng)不同類(lèi)型的半導(dǎo)體形成PN結(jié)時(shí)，n型端在內(nèi)部擴(kuò)散電場(chǎng)的作用下會(huì)積聚更多的電子；而p型端則相反，最終在兩端形成驅(qū)動(dòng)電壓并成為電源，即電池。這種內(nèi)部光電效應(yīng)稱(chēng)為光伏效應(yīng)。

相反的現(xiàn)象是LED通過(guò)電子空穴復(fù)合產(chǎn)生電光。兩者的PN結(jié)工作狀態(tài)為正偏，但光伏電池為電源（光輻射驅(qū)動(dòng)電流，低功率密度），LED為負(fù)載（產(chǎn)生光的電力，高功率密度），因此，光伏電池可以提供大電流，LED 則受限于其散熱結(jié)構(gòu)和尺寸而無(wú)法通過(guò)大電流（燒壞）。相關(guān)二極管結(jié)構(gòu)、電路符號(hào)及等效電路如下圖1所示：

圖1 光伏電池（HIT）和LED的結(jié)構(gòu)、符號(hào)和等效電路

常見(jiàn)的典型的光伏電池（PV）輸出電流表示為：

其中：

isc—光照射產(chǎn)生的激發(fā)電流；

iDo—PN結(jié)的飽和電流；

q–電子電荷為1.6×10?19C中；

K–玻爾茲曼常數(shù)為1.38×10?23J/K；

A–1～2之間的理想常數(shù)；

T–PN結(jié)溫度

q/AKT是輻照的弱相互作用，隨輻照強(qiáng)度而變化；通常較小，較大（>100KΩ），因此光伏電池的輸出電壓和電流主要受輻照強(qiáng)度和溫度的影響，當(dāng)輻照強(qiáng)度和溫度穩(wěn)定時(shí)，輸出電流逐漸減小，PV的輸出電壓增加?？梢钥闯?，隨著輸出電壓的升高，光伏電池的輸出功率會(huì)先增大后減?。粸閷?shí)現(xiàn)最優(yōu)的光伏發(fā)電設(shè)計(jì)，需要通過(guò)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)來(lái)控制輸出功率并最大化功率輸出。

此外，光伏電池以及在光伏發(fā)電的功率轉(zhuǎn)換中，根據(jù)具體情況使用不同的開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管和二極管半導(dǎo)體，如：MOS、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC），IGBT。造成這種差異的主要原因是在不同的應(yīng)用條件下（工作電壓、開(kāi)關(guān)頻率等），不同類(lèi)型的半導(dǎo)體在成本和性能方面具有不同的優(yōu)勢(shì)。從實(shí)際光伏應(yīng)用中可以看出，不同類(lèi)型開(kāi)關(guān)設(shè)備件的控制復(fù)雜性和成本反過(guò)來(lái)也會(huì)影響特定光伏功率轉(zhuǎn)換方案（升壓和逆變等）的選擇；同時(shí)由于功率半導(dǎo)體的各種影響因素在不斷發(fā)展和變化，光伏產(chǎn)品的技術(shù)迭代和商業(yè)推廣也在不斷發(fā)展。

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太陽(yáng)能系統(tǒng)的主要考慮因素

太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電需要滿足特定的技術(shù)要求，如IEEE1547（美國(guó)）、ENEL 2010 Ed.2.1（意大利）、EN50438或中國(guó)GB/T 19939-2005、GB/Z 19964-2005。為了配置合適的并網(wǎng)逆變器，光伏系統(tǒng)需要具有多級(jí)功率轉(zhuǎn)換、效率控制和完整的監(jiān)控相關(guān)通信系統(tǒng)，并具備孤島檢測(cè)和發(fā)電量預(yù)測(cè)等必要功能（一般適用于中大型規(guī)模化光伏發(fā)電部署）。在就地消耗所發(fā)電能這一方面上，分布式離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有較低的系統(tǒng)配置難度和較高的靈活性，通常以微型逆變器為主要功率級(jí)，或配備儲(chǔ)能系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)有效的電力調(diào)度。

典型的離網(wǎng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如下圖2所示：

（a）離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

（b）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖2兩種典型的光伏系統(tǒng)（圖來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中需要考慮的主要因素當(dāng)中，安全比效率更為重要，主要包括孤島檢測(cè)、絕緣檢測(cè)、漏電流檢測(cè)和低電壓穿越等。

由于低密度分布式光伏的負(fù)載經(jīng)常超過(guò)發(fā)電容量，孤島風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率非常低，因此在這種情況下通常不需要配置孤島檢測(cè)。在集中式光伏電站中，需要主動(dòng)孤島檢測(cè)來(lái)保護(hù)它，通過(guò)控制電壓和頻率可以將光伏發(fā)電帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

有源解決方案和無(wú)源解決方案有很多種，它們的基本原理是：當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，光伏逆變器輸出電源的有功功率和無(wú)功功率負(fù)載發(fā)生明顯變化，光伏逆變器的變化輸出電壓將直接反映在負(fù)載兩端的電壓變化上。同樣，當(dāng)逆變器輸出發(fā)生變化時(shí)，負(fù)載的無(wú)功功率（出現(xiàn)在等效電感和電容上）也會(huì)隨頻率而變化（圖3)。

如圖所示，電網(wǎng)停電前后負(fù)載的電壓和頻率分別為1、2和1、2，有功功率和無(wú)功功率變化分別為ΔP和ΔQ，對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

UL22?UL12=R??P

(ω1?ω2)?(1+ω1ω2?L?C)=ω1ω2?L??Q/UL12

圖3 并網(wǎng)光伏發(fā)電孤島檢測(cè)原理（簡(jiǎn)化）

從簡(jiǎn)化關(guān)系可以看出，只要負(fù)載上的ΔP和ΔQ變化明顯，光伏逆變器的電壓變化和頻率變化就能在負(fù)載端產(chǎn)生明顯的相關(guān)反應(yīng)，從而可以檢測(cè)到電網(wǎng)系統(tǒng)中的光伏發(fā)電是否處于孤島狀態(tài)。當(dāng)變化不明顯時(shí)，需要補(bǔ)充載波通信等其他監(jiān)控方案，主動(dòng)滿足安全需求。

此外，光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量（光伏組件總標(biāo)稱(chēng)功率）與逆變器的額定容量（總有功功率）也有性能規(guī)范（中國(guó)NB/T 10394-2020）。提高容量匹配可以保持穩(wěn)定的輸出功率，也可以提高相應(yīng)的系統(tǒng)綜合效率。

圖4 光伏容量比與相應(yīng)實(shí)際功率輸出之間的關(guān)系示例

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光伏發(fā)電的主要功率轉(zhuǎn)換類(lèi)型

光伏發(fā)電作為電流源，其功率輸出與工作電壓之間存在波動(dòng)關(guān)系，即在實(shí)際功率轉(zhuǎn)換中，首先需要實(shí)現(xiàn)最大功率輸出的控制。根據(jù) MPPT 或 Power Optimizer的算法，波動(dòng)的光伏發(fā)電通常先轉(zhuǎn)換為直流電，即直流母線（或 DC-link）。這個(gè)過(guò)程一般是boost轉(zhuǎn)換。其次，根據(jù)不同的功率等級(jí)，升壓轉(zhuǎn)換還可以通過(guò)交錯(cuò)升壓或全橋控制實(shí)現(xiàn)更好的效率和更低的成本。同時(shí)，可根據(jù)隔離要求補(bǔ)充軟開(kāi)關(guān)或其他隔離電源轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)不同電壓的直流要求；或者根據(jù)應(yīng)用的需要可以通過(guò)全橋逆變的形式直接供給交流負(fù)載。

在組串式逆變器或中央逆變器中，除了MPPT或功率優(yōu)化后的穩(wěn)定直流高壓外，還有許多復(fù)雜的逆變器拓?fù)湫问?，如單相或三相串?lián)逆變器可分為兩級(jí)或多級(jí)形式。由于組串式逆變器在技術(shù)和成本上都具有配置靈活性，它們逐漸成為近年來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

圖5 光伏發(fā)電中的功率轉(zhuǎn)換

（藍(lán)色）微型逆變器、（綠色）串式逆變器、（紅色）集中式逆變器

因篇幅限制，本期微信公眾號(hào)文章主要介紹了光伏發(fā)電的主要應(yīng)用、功率轉(zhuǎn)換原理及轉(zhuǎn)換類(lèi)型。下一期我們將重點(diǎn)介紹電感在光伏系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，敬請(qǐng)期待。