作者簡介

本文是第二屆電力電子科普征文大賽的獲獎作品，來自清華大學(xué)的梁露露投稿。

綠皮火車轟隆隆一路向西駛?cè)?，窗外的景色由綠色逐漸變得荒涼，鱗次櫛比的太陽能光伏板形成一片“藍色的海洋”，在陽光的照耀下熠熠生輝。這是今日中國西部廣袤荒野中的一道獨特風(fēng)景，也是中國光伏產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的生動寫照。當(dāng)今，能源問題如同高懸于人類頭頂?shù)倪_摩克利斯之劍，光伏發(fā)電正以其清潔、可再生的獨特優(yōu)勢，成為了最具潛力的能源解決方案之一。在此過程中，電力電子技術(shù)恰似一位神奇的魔法師，為光伏產(chǎn)業(yè)的推進注入了強大的動力?，F(xiàn)在，讓我們一同踏上這場精彩紛呈、充滿奧秘的光伏發(fā)電與電力電子技術(shù)的探索之旅。

圖1. 位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟，正在建設(shè)中的騰格里沙漠光伏基地（原創(chuàng)圖片）

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光伏發(fā)電：太陽的慷慨饋贈

光伏發(fā)電，顧名思義，就是將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)。太陽，這個巨大的核聚變反應(yīng)堆，每時每刻都在毫不吝嗇地向外傾瀉著無盡的能量。據(jù)估計，地球表面每秒鐘接收到的太陽能相當(dāng)于燃燒500萬噸煤所釋放出的能量。倘若我們能夠充分且高效地利用這些近乎取之不盡、用之不竭的太陽能，必將極大地緩解全球范圍內(nèi)日益嚴(yán)峻的能源危機。

太陽能電池作為光伏發(fā)電的核心關(guān)鍵部件，其工作原理與植物的光合作用有著異曲同工之妙。太陽能電池主要由半導(dǎo)體材料制成，當(dāng)溫暖而明亮的太陽光照射到太陽能電池上時，半導(dǎo)體中的電子猶如被太陽的魔力喚醒一般，迅速吸收光子所攜帶的能量，從價帶勇敢地躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生了電子-空穴對。在太陽能電池內(nèi)部那神秘而強大的電場作用下，電子和空穴如同被賦予了使命的小精靈，分別朝著不同的方向快速移動，形成電流。就這樣，太陽光能被成功地轉(zhuǎn)化為了寶貴的電能。

圖2. 光伏發(fā)電原理圖

（來源：www.maysunsolar.eu）

光伏發(fā)電擁有諸多令人贊嘆的優(yōu)點。首先，它是一種絕對清潔、毫無污染的綠色能源，在整個能量轉(zhuǎn)化過程中，不會產(chǎn)生任何溫室氣體以及對環(huán)境有害的物質(zhì)，為地球家園帶來了純凈與安寧。其次，光能是一種極為豐富的資源：只要有太陽照耀的地方，就可以進行光伏發(fā)電。此外，光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝非常方便靈活，比如，它們可以巧妙地安裝在屋頂、墻面等已有建筑上，不僅不占用額外的土地資源，還能與周圍的環(huán)境完美融合，成為一道獨特的風(fēng)景線。

然而，光伏發(fā)電也并非完美無缺。首先，太陽能的能量密度相對較低，這就意味著需要鋪設(shè)大面積的太陽能電池板才能收集到足夠的能量。那一片片如藍色海洋般的太陽能電池板，雖然壯觀，但也會占據(jù)不少空間。其次，太陽能的輸出功率受到時間、天氣、季節(jié)等眾多因素影響，具有較大的不穩(wěn)定性。在陽光明媚的日子里，太陽能電池板歡快地工作著，輸出強大的電能；而在陰云密布時或者夜晚，它們的輸出功率便會大幅下降，甚至歸零。此外，目前在與傳統(tǒng)的化石能源競爭中，光伏發(fā)電的成本仍然相對較高。但我們有理由相信，隨著技術(shù)的不斷進步，這些問題終將被一一攻克。

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電力電子技術(shù)：光伏發(fā)電的神奇魔法師

當(dāng)前，電力電子技術(shù)如同一顆璀璨的明星，在能源領(lǐng)域的天空中冉冉升起。它可以有效解決光伏發(fā)電所存在的問題，進一步提高光伏發(fā)電的效率和穩(wěn)定性。電力電子技術(shù)是一門充滿魅力的科學(xué)，它利用先進的電力電子器件對電能進行高效變換和精確控制。通過脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)以小控制信號調(diào)整開關(guān)元件的導(dǎo)通時間或頻率，從而調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值、頻率和波形，進而輕松實現(xiàn)不同形式電能的相互轉(zhuǎn)化，完美地滿足不同用戶的多樣化需求。

面積等效原理是PWM技術(shù)設(shè)計和理解的重要基礎(chǔ)，其核心思想是沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其響應(yīng)基本相同。在此基礎(chǔ)上，利用PWM技術(shù)對開關(guān)進行快速控制，可將直流電源電壓轉(zhuǎn)換為一系列寬度和頻率可調(diào)的矩形脈沖，以實現(xiàn)各種電壓波形的輸出，具有高效性、靈活性和精確性等特點。以正弦波的半波為例，如圖 3所示，當(dāng)Ts很小時，其可等效為若干個幅值相等、寬度呈正弦規(guī)律變化的脈沖，該系列脈沖稱之為PWM波。

圖3. PWM技術(shù)示意圖

（來源：bbs.elecfans.com）

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，電力電子技術(shù)主要在以下幾個關(guān)鍵方面發(fā)揮著其重要作用：

1.

太陽能電池的最大功率點跟蹤（MPPT）

太陽能電池就像一個有點小脾氣的“能量收集器”。它具有非線性的功率輸出特性，存在一個最大功率點，且輸出功率會隨著光照強度和溫度的變化而任性地改變著，如圖 4所示。為了讓太陽能電池始終保持高效工作，最大限度地輸出電能，我們需要采用電力電子技術(shù)中的最大功率點跟蹤技術(shù)（MPPT）。MPPT就像是一個超級聰明的小助手，它會時刻盯著太陽能電池的輸出電壓和電流，精準(zhǔn)地調(diào)整太陽能電池的工作點，使其輸出功率始終保持在最大值。就好比你在跑步的時候，有個教練一直幫你調(diào)整步伐和速度，讓你始終以最佳狀態(tài)前進，這樣就能收集到更多的能量啦。

圖4. 光伏電池的輸出特性曲線隨光照強度G的變化（來源：www.ecmweb.com）

為實現(xiàn)MPPT功能，電力電子技術(shù)中的DC/DC變換器扮演著關(guān)鍵的角色。圖 5為實現(xiàn)MPPT功能的BOOST換流器電路，它就像是一個神奇的調(diào)節(jié)器，通過特定的算法（如擾動觀察法、增量導(dǎo)納法、模糊控制法等）輸出一個指令，該指令通常是PWM調(diào)制信號的占空比（開關(guān)的導(dǎo)通時間與關(guān)斷時間的比例），來控制電路中功率半導(dǎo)體器件的開斷，進而巧妙地調(diào)節(jié)變換器的等效電阻，改變太陽能電池（PV模塊）的輸出電壓和電流，從而確保太陽能電池始終工作在最大功率點。

圖 5 利用BOOST和MPPT實現(xiàn)光伏最大功率輸出[1]

2.

逆變器

光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的是直流電，然而我們?nèi)粘Ｉ钪兴褂玫碾娖髟O(shè)備大多需要交流電才能正常工作。因此，逆變器就成為了光伏發(fā)電系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。逆變器是一種強大的電力電子裝置，它能夠?qū)⒅绷麟娔孀優(yōu)榻涣麟姟Ｗ鳛殡娔苻D(zhuǎn)換的重要角色，逆變器的性能直接決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。逆變器的種類多種多樣，包括兩電平逆變器、三電平逆變器、多電平逆變器等。選擇合適的拓撲結(jié)構(gòu)不僅能提高電能利用率，還能確保系統(tǒng)在各種復(fù)雜的工作環(huán)境下穩(wěn)定運行，從而為我們的生活、生產(chǎn)提供穩(wěn)定而可靠的電力支持，推動可再生能源的進一步普及與應(yīng)用。

三相兩電平逆變器是一種基本的逆變器，以該拓撲為例，光伏發(fā)電交流并網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖 6所示，該系統(tǒng)由MPPT、逆變器、濾波器和變壓器等組成。

圖6. 三相兩電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)[2]

三相兩電平逆變器中，a、b、c三相均由上下兩個橋臂組成，每個橋臂由開關(guān)器件組成，通過PWM控制開關(guān)器件的開斷在交流側(cè)輸出不同寬度的脈沖。開關(guān)器件的工作狀態(tài)使得交流側(cè)可以實現(xiàn)兩種輸出電壓水平：正電壓（直流輸入電壓的正極）和零電壓（直流輸入電壓的負極），因此稱為兩電平變壓器。

3.

儲能系統(tǒng)

由于太陽能的輸出功率具有不穩(wěn)定性，為了保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，儲能系統(tǒng)的引入就顯得尤為重要。儲能系統(tǒng)就像是一個巨大的能量寶庫，在太陽能充足的時候，它可以儲存多余的電能；而當(dāng)太陽能不足時，它又能迅速釋放電能，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠持續(xù)供電。在這個過程中，電力電子技術(shù)中的雙向DC/DC變換器發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。

這里以雙有源橋（DAB）直流變換器為例，介紹其實現(xiàn)儲能和光伏發(fā)電系統(tǒng)間電能雙向流動的原理。如圖 7所示，DAB變換器可以看作是由兩個單相兩電平逆變器和高頻變壓器構(gòu)成。通過對兩個橋路中開關(guān)器件的調(diào)制，可以實現(xiàn)對能量流動方向的靈活控制。在這里，高頻變壓器一方面可以提供良好的電氣隔離，另一方面其高頻率工作特性使其磁芯和繞組可以設(shè)計的更小，有利于實現(xiàn)設(shè)備的小型化和輕量化。

圖7. DAB直流變換器拓撲結(jié)構(gòu)[3]

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光伏發(fā)電與電力電子技術(shù)的奇妙結(jié)合

當(dāng)光伏發(fā)電與電力電子技術(shù)結(jié)合在一起時，一系列神奇而實用的應(yīng)用場景便會涌現(xiàn)出來，實現(xiàn)1 + 1 > 2的效應(yīng)。下面，讓我們一同走進一些具體場景。

1.

分布式發(fā)電場景

（1）工商業(yè)屋頂光伏電站。工廠、商業(yè)大樓等工商業(yè)建筑屋頂面積大、用電量大，適合安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏板將太陽s能轉(zhuǎn)化為直流電，其通過電力電子逆變器將其轉(zhuǎn)換為交流電，供建筑內(nèi)的設(shè)備使用；多余的電能還可以出售給電網(wǎng)，為企業(yè)降低能源成本，提高經(jīng)濟效益。

（2）居民住宅屋頂光伏。普通居民住宅的屋頂也可以安裝小型光伏系統(tǒng)，滿足家庭的部分用電需求，減少對傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴。此類系統(tǒng)一般采用組串式逆變器，將每塊光伏板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電后進行匯流，再接入家庭配電箱。在一些光照資源豐富的地區(qū)，居民安裝屋頂光伏系統(tǒng)不僅可以節(jié)省電費，還能獲得一定的補貼。

2.

大型集中式電站場景

在有條件的地區(qū)如內(nèi)蒙古、青海、甘肅等地區(qū)，可以建設(shè)大型集中式電站，滿足更高層次的供應(yīng)需要。例如，在沙漠、戈壁等荒漠地區(qū)，土地資源豐富、光照強度高且持續(xù)時間長，適合建設(shè)大規(guī)模的集中式光伏電站。這些電站通常由成千上萬塊光伏板組成，產(chǎn)生的直流電通過Boost、集中式逆變器等電力電子裝置轉(zhuǎn)換為交流電后，經(jīng)升壓變壓器接入高壓電網(wǎng)，實現(xiàn)遠距離輸電，減少了電網(wǎng)對化石能源的依賴。

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微電網(wǎng)場景

（1）偏遠地區(qū)微電網(wǎng)。在遠離主電網(wǎng)的偏遠山區(qū)、海島等地區(qū)，構(gòu)建以光伏發(fā)電為主的微電網(wǎng)系統(tǒng)。通過電力電子技術(shù)，將光伏發(fā)電、儲能設(shè)備（如蓄電池）、柴油發(fā)電機（備用電源）等進行集成和協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的電力自給自足。電力電子設(shè)備負責(zé)電能的轉(zhuǎn)換、分配和控制，確保微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

（2）工業(yè)園區(qū)微電網(wǎng)。一些工業(yè)園區(qū)內(nèi)的企業(yè)具有較高的用電需求和較大的屋頂面積，適合建設(shè)工業(yè)園區(qū)微電網(wǎng)。將園區(qū)內(nèi)各企業(yè)的光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)以及用電設(shè)備通過電力電子裝置連接起來，實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)電能的優(yōu)化分配和共享，提高能源利用效率，降低企業(yè)的用電成本。

4.

為其他行業(yè)賦能

（1）光伏+交通，如光儲充一體式車棚。隨著電動汽車的普及，在停車場、加油站等場所建設(shè)光儲充一體式車棚成為一種潮流。光伏系統(tǒng)為電動汽車充電提供電能，同時配備儲能系統(tǒng)，將多余的電能儲存起來，在夜間或光照不足時使用。光伏電能的轉(zhuǎn)換、儲能系統(tǒng)的充放電管理以及與電動汽車充電樁的連接和控制都需要借助電力電子技術(shù)來實現(xiàn)。

（2）光伏+農(nóng)業(yè)，如農(nóng)業(yè)大棚光伏。在農(nóng)業(yè)大棚的棚頂安裝光伏板，既可以為大棚內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備如灌溉泵、補光燈等提供電力，又能起到遮陽的作用，有利于調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度和光照條件，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。通過電力電子技術(shù)，可以將光伏電能轉(zhuǎn)換為適合農(nóng)業(yè)設(shè)備使用的電壓和頻率。

（3）光伏+通信。在偏遠地區(qū)、山區(qū)等通信基站建設(shè)中，采用光伏與電力電子技術(shù)結(jié)合的方式，為通信基站提供可靠的電力保障。光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能通過電力電子設(shè)備進行轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓，確保通信設(shè)備的正常運行，降低了通信基站的供電成本和對傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴。

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光伏與電力電子技術(shù)的未來發(fā)展

經(jīng)過多年的發(fā)展，光伏產(chǎn)業(yè)與電力電子技術(shù)已經(jīng)成為了密不可分的親密伙伴?？梢灶A(yù)見的是，這對伙伴在未來將會繼續(xù)向前攜手并進。

一方面，光伏發(fā)電將繼續(xù)朝著高光電轉(zhuǎn)換效率、低成本等方向穩(wěn)步邁進。研究人員不斷探索新的光伏材料和電池結(jié)構(gòu)，以突破現(xiàn)有轉(zhuǎn)換效率的瓶頸。例如，新型的鈣鈦礦太陽能電池具有較高的理論轉(zhuǎn)換效率。同時，人們一直在嘗試改進傳統(tǒng)的晶硅電池技術(shù)，更先進的硅片切割技術(shù)、鈍化技術(shù)也正在路上。

另一方面，電力電子技術(shù)也在朝著高頻化、高效化、高功率密度方向發(fā)展。新型的半導(dǎo)體材料，包括碳化硅、氮化鎵等，能夠顯著降低器件的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，提高設(shè)備的工作頻率和效率，從而實現(xiàn)電力電子設(shè)備更高的效率和功率密度。以英飛凌的CoolSiC肖特基二極管第5代為例，VRRM、IF分別可達2000V、80A，可在高達1500 VDC的高直流鏈路系統(tǒng)中實現(xiàn)更高的效率和設(shè)計簡化。

在全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的浪潮中，這兩大技術(shù)的深度融合與創(chuàng)新發(fā)展，為我們展示了一條人與自然和諧共生的希望之路。相信在不久的將來，我們的生活將因為它們而變得更加美好、更加綠色、更加充滿希望。

參考資料

[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.