电力电子技术课题研究(3)---光伏发电

1、First Solar

First Solar公司是世界领先的太阳能光伏模块制造商之一，生产基地位于美国、马来西亚和德国等地。至2009年，公司产能已超过1千兆瓦峰值（GWp）。 与此同时，FirstSolar也是全球最重要的碲化镉(CdTe)薄膜光伏模块制造商。与传统的晶硅技术相比，使用碲化镉专利技术的太阳能发电量更大，并拥有更低廉的生产成本。

在太阳能行业中，First Solar率先实施了预付费的光伏模块回收和循环利用计划。任何购买First Solar太阳能模块的客户可以在模块使用寿命结束时提出回收要求，First Solar将负担回收和循环利用这些产品的成本。根据First Solar提供的数据，95%的半导体材料可以通过封闭的再利用流程进行回收，并最终用于生产新的光伏模块。90%的玻璃可用于制造其他产品。通过这些措施，公司在产品的生命周期中将承担更大的责任，竭尽全力防止光伏模块与其他家庭垃圾混合，以保证其回收利用 。

2、日本京瓷公司

日本京瓷公司由稻盛和夫创立于1959年，最初为一家技术陶瓷生产厂商。技术陶瓷是指一系列具备独特物理、化学和电子性能的先进材料。如今，京瓷公司的大多数产品与电信有关，包括无线手机和网络设备、半导体元件、射频和微波产品套装、无源电子元件、水晶振荡器和连接器、使用在光电通讯网络中的光电产品。

3、尚德电力（已被顺风光电收购）

尚德电力是拥有领先光伏技术的国际化高科技企业，专业从事太阳能光伏电池、组件、光伏发电系统工程以及光伏应用产品的研发、制造、销售和售后服务。

曾经的全球光伏一哥——尚德电力，已经从领袖变成了烈士。作为中国新能源走向世界的一张名片，尚德电力曾经缔造了中国光伏产业的传奇。但在市场萧条和决策失误的双重打击下，从全球太阳能面板制造商带头大哥，到眼下四面楚歌的破产重组的境遇，尚德只用了三年时间。现在，这个倒塌的巨人，已经被一个无名小辈——顺风光电吞噬。 

顺风光电主要从事开发、制造及销售太阳能硅片、太阳能电池片及太阳能组件。公司亦发展及资助中国境内的太阳能发电站项目。公司拥有、营运及维护数十个遍布在中国不同地方的太阳能发电站项目。无锡尚德被收购后，其团队、产能将在主要担负顺风光电科研任务的同时，弥补电站组件供应上可能存在的空缺，平抑价格波动导致的风险。

4、英利

英利绿色能源控股有限公司是一家全球领先的太阳能公司，也是全球最大的垂直一体化光伏发电产品制造商之一。总部位于中国保定，并在全球设有十多个分支机构及办事处，涵盖全球40多个国家，员工总数超过6，000人。截止到2013年10月，英利共提交国内专利申请1176项，授权专利共777项。基于公开数据显示，英利在国内的专利申请数量和授权数量已超越国内其他同行企业，位居行业第一。

5、天合光能

天合光能有限公司 (TSL) 是全球最大的光伏组件供应商和领先的系统集成商。公司于1997年创立，2006年在美国纽交所上市。2014年，公司光伏组件出货量达3.66吉瓦，实现销售收入22.9亿美元。天合光能高品质的光伏组件被运用在世界各地并网和离网状态下的太阳能电站，为当地民众带去了洁净、可靠的绿色电力。

6、汉能

汉能控股集团是全球化的清洁能源公司，全球最大的薄膜太阳能企业。成立于1994年，总部设在北京，员工逾10000人。在国内多个省份以及北美、欧洲、亚太等地区设有分支机构，业务横跨水电、风电、光伏发电。2006年，李河君做出了“薄膜化和柔性化是光伏产业的未来和总趋势”的战略判断，并带领汉能一举创造了太阳能薄膜发电产业。薄膜发电技术是一项全球范围内的工程科技创新，其主要的技术方向是铜铟镓硒(CIGS)技术，这是目前公认的最具工业化前景的薄膜发电技术。通过全球技术整合和自主创新，汉能的薄膜发电技术已达到国际领先水平，其中铜铟镓硒(CIGS)组件量产转化率已达15.7%，研发转化率最高已达20.5%，并获得美国国家可再生能源实验室(NREL)认证。2014年2月，全球最具影响力的科技商业奖项——麻省理工学院《科技创业》(MIT Technology Review) “全球最具创新力企业”评选结果揭晓，汉能控股集团位列第23位，成为国内能源领域唯一上榜企业。

二、当前业界（电力电子相关方向）技术发展和研究现状如何？

目前，我国太阳能光伏发电技术虽然取得了一定的进步，但是，还需要进一步的深入研究如何更加有效率的利用其优势，提供更加环保节能的太阳能光伏技术。

1、电力电子器件的作用

电力电子器件既是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的强大动力，更是推动太阳能发电从初步走向成熟的不可或缺的重要工具。其主要包括不可控器件、半控器件和全控器件。随着社会的发展，不可控器件和半控器件在太阳能发电过程中的使用中却受到现实条件需求的，然而全控器件(IGBT)却倍受人们的喜爱。

（1）双极型晶体管（IGBT） 

十多年的发展历程中，除了保持IGBT 基本结构、基本原理的特点不变之外，它还经历了六代有各自特色的演变。到目前为止IGBT 仍是太阳能发电工程中使用的最为广泛的功率器件。在太阳能发电中，因为光照受季节更替和太阳光波长频率经常变化的影响，IGBT 模块在很短的时间内温度波动起非常伏大，这样一来，会导致芯片和铜底片之间以及铜底片和基板之间的焊接部分承受大量的周期性的热-机械应力，所以提高模块应力就显得十分重要。采用IGBT 的电压源换流器,它具有关断电流的能力，可以应用脉宽调制技术(PWM)进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。 

（2）交直交变频器 

在太阳能发电系统中，需要变频装置来完成由发电机到电网的能量传递。交直交变频器能有效地克服了交交变频器的输出电压谐波多，输入侧功率因数低，使用功率元件数量多等缺点，更便于控制策略的实现和双向变流。

（3）矩阵变换器 

矩阵变换器是一种交交直接变频器，它的特点是：没有中间直流环节而且功率电路简单，可输出幅值、频率均可控的电压，谐波含量较小。应用于太阳能发电中的矩阵式变换器，通过调节其输出频率、电压、电流和相位，以实现变速恒频控制、最大限度的获取太阳能、以及有功功率和无功功率的解耦控制等，目前矩阵式变换器的控制通常大多都采用空间矢量变换控制的方法。

2、光伏发电电力电子技术的发展

（1）光伏直流变换电路   

光伏直流变换电路的主要功能是：实现“最大功率点跟踪(MPPT)”。即：随着天气(辐照度、温度)变化,实时调整负载的伏安特性使其相交于光伏电池伏安特性的最大功率输出点处,降低负载失配功率损失。

Buck电路中，S、D、L、C 组成降压斩波器, 调节S的开通占空比可调节负载电压, 以调节光伏阵列工作点。设置CS是为了保证光伏阵列输出电流连续,以免发电功率损失。结构简单、效率高、易控制。 

Boost变换器电路中，L、S、D、C组成升压斩波器。当S开通时, L储能; S关断时, L所储磁能转化成的感应电压与光伏阵列输出电压串联相加向负载供电, S的开通占空比增大时输出电压增大。适当调节占空比,可调整光伏阵列输出电压, 使其处于最大功率点电压,且该电路可将光伏阵列输出电压升高。结构简单、效率高、易控制,但不能进行降压变换。如图1和图2。

 Buck(降压)、Boost(升压)主电路是最基本的变换器拓扑,由此可派生出多种组合结构。带高频变压器隔离的多种间接变换器拓扑分别派生于各基本DC-DC变换器,亦称为直-交-直变换器,其克服了直流斩波器输入输出不隔离、输入输出电压或电流比受、不能实现多路输出的局限,常用于直流光伏输电线路、逆变器和负荷间的电压匹配变换等场合。

（2）光伏逆变电路 

随着全控型电力电子器件和脉宽调制技术的进步, 采用桥式主电路、以标准正弦波作为PWM调制波的正弦脉宽调制(SPWM)技术是目前应用最广泛的电压源逆变器控制技术,为了使逆变器输出电压滤波后尽量正弦化, 出现了选择性消谐波等优化的PWM技术。在此基础上,进一步出现了以控制输出电流正弦化为目标的电流瞬时值滞环跟踪PWM控制技术和针对三相桥式电压型逆变器的电压空间矢量PWM(SVPWM )技术。SVPWM具有直流电压利用率高、动态响应快、开关损耗低、输出电压波形的总谐波畸变率低等优点,在三相电压型逆变器控制中的应用日益广泛。如图3和图4。

图3.3 单相电压源型逆变器主电路       图3.4三相桥电压源型逆变器

离网型三相光伏发电系统中的逆变器主要有两种形式:其一,采用左图所示的三个单相全桥逆变器组合(例如并联)为三相电压源逆变器, 其存在元器件多、成本高、体积大的缺点; 其二,采用三相桥式电压源型逆变器, 其利用三桥臂构成的变换器取替三组单相全桥逆变器, 具有结构简单、成本低、体积小的优点, 应用广泛。

参考文献

【1】Thomas Key,邓琳.光伏发电在企业中的应用及其面对的机遇与挑战.上海电力(Shanghai Electric Power).2010

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【3】罗运俊,何梓年,王长贵.太阳能利用技术.化学工业出版社.2005

【4】王御风.太阳能光伏发电技术及其发展前景分析.《城市建设理论研究》.2013年第35期

【5】张伯泉,杨宜民.风力和太阳能光伏发电现状及发展趋势.《中国电力》. 2006年第6期

【6】方新.电力电子技术在太阳能发电中的应用.2014