自工業(yè)革命以來，常規(guī)化石能源一直是人類經(jīng)濟發(fā)展的支柱，但是能源枯竭和環(huán)境惡化使人類加緊了尋找新的清潔的、可再生的能源，太陽能以其儲量巨大、安全和清潔等優(yōu)點必將成為21世紀人類的首選。太陽能利用形式之一的光伏發(fā)電技術(shù)以其規(guī)模靈活、建設(shè)周期短和維護簡單等優(yōu)點，成為了人們開發(fā)太陽能資源的重要方式。光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早的美國、日本和德國已經(jīng)走在了世界的前列;而中國的光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了最近10年的迅猛發(fā)展，已占據(jù)了世界光伏電池生產(chǎn)的半壁江山。

本文在結(jié)合國內(nèi)外太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，論述了3代光伏電池的最新發(fā)展;分析了光伏逆變器的典型拓撲及其逆變原理;并對光伏發(fā)電控制策略中的最大功率點跟蹤和孤島檢測的原理及其實現(xiàn)方法作了對比研究。光伏電池

(1)光伏電池分類［1］

隨著光伏電池相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，光伏電池種類也不斷更新。按照使用材料在各種光伏電池中，應(yīng)用較多的仍是晶硅電池，2009年市場份額為85%［2］;非晶硅也占有一定的市場比率;而大部分多元化合物半導(dǎo)體技術(shù)仍處于實驗室階段，離大規(guī)模市場應(yīng)用還有一定距離。

(2)三代光伏電池［2

］第一代光伏電池有多晶硅(Polycrys-tallineSiliconSolarCell)、單晶硅電池(MonocrystallineSiliconSolarCell)。單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率為16%～20%，多晶體硅電池效率為14%～17%。硅材料轉(zhuǎn)化率的經(jīng)典理論極限是29%，而隨著納米技術(shù)的引入，其轉(zhuǎn)化效率有望提高至30%以上。目前以單晶硅、多晶硅為主的硅基光伏電池占據(jù)著全球80%以上的市場份額。第二代光伏電池有各種薄膜(Thin-film)電池，其薄膜厚度一般在2～3μm。其中包括碲化鎘電池(CdTe)、銅銦鎵硒電池(CIGS)、非晶硅薄膜電池(ASi)、砷化鎵電池和納米二氧化鈦染料敏化電池等。據(jù)統(tǒng)計，2009年碲化鎘電池(CdTe)約占全球薄膜電池產(chǎn)量的60%［3］。第三代太陽電池有超疊層太陽電池、熱光伏電池(TPV)以及量子阱和量子點超晶格太陽能電池等新型光伏電池。三種硅材料半導(dǎo)體電池如圖2所示。一般最小的太陽能電池單元電壓為0.45～0.5V，電流為20～25mA［4］。這樣的輸出電壓電流值明顯不能滿足實際的用戶需求，所以往往通過串并聯(lián)電池單元，以達到合適的輸出電壓電流等級。為了便于維護保養(yǎng)，提高光伏電池的使用壽命，將這些電池單元封裝在一起即形成電池組件。將若干電池組件串并聯(lián)在一起即為光伏陣列［5］。

(3)世界主要光伏電池生產(chǎn)商

根據(jù)PhotonInternational的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2010年Suntech(尚德)、JASolar(晶澳)和FirstSo-lar產(chǎn)能排名前三，其他依次是天合、Q-Cells(歐洲)、中國英利、Motech(中國臺灣)、Sharp(日本)、Gintech(中國臺灣)和Kyocera(日本)。就市場長遠發(fā)展來看，晶硅電池所占比例會越來越小，但是在未來10年內(nèi)其主導(dǎo)地位不會改變。另外薄膜電池以其用硅量極少，更容易降低成本，是一種新型建筑材料等優(yōu)點［2］而具有更加廣闊的發(fā)展前景。光伏電力電子變流技術(shù)［6］光伏并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)(簡稱PV系統(tǒng))能量轉(zhuǎn)換和控制的核心，其性能決定了整個光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、可靠和高效運行。根據(jù)有無隔離變壓器，光伏并網(wǎng)逆變器可分為隔離型和非隔離型等，分類如圖3所示。

1.各種類型逆變器結(jié)構(gòu)

(1)隔離型光伏并網(wǎng)逆變器［7］

1)工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器。圖4a為工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是市場上應(yīng)用最多的光伏逆變器類型，工頻變壓器的采用也使主電路和控制電路較簡單。另外，由于變壓器的隔離作用，一方面可以防止電網(wǎng)電流流入光伏發(fā)電系統(tǒng)側(cè)，提高系統(tǒng)安全，另一方面可以防止變流器向電網(wǎng)注入直流分量及變壓器飽和。缺點是體積大，成本和安裝難度高。2)高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器。如圖4b所示，高頻隔離變壓器大大減小了逆變器的體積和重量，唯一的不足是逆變器的效率比工頻要低。

(2)非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器

隔離型光伏逆變器的突出缺點是變壓器的能量損耗較大，數(shù)千瓦的小型變壓器的損耗甚至可以達到5%以上。非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器顯然克服了這一缺點，它可以顯著地提高逆變器效率。同時省去變壓器，使得逆變器的體積和重量都大大減小，結(jié)構(gòu)更簡單，成本更低。1)單級非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器。圖5a為單級非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，要求逆變器工作在工頻模式。同時為了滿足直流電直接逆變并網(wǎng)，光伏陣列需要有較高的電壓等級，這就對系統(tǒng)的絕緣等級提出了更高的要求。2)多級非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器。圖5b為多級非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，功率變換一般需DC/DC、DC/AC級聯(lián)組成。需要注意的問題:是大面積的光伏陣列與地之間存在的分布電容，即存在共模漏電流;又因為光伏陣列與電網(wǎng)是不隔離的，所以光伏發(fā)電系統(tǒng)會向電網(wǎng)注入直流分量，對電網(wǎng)中器件的運行產(chǎn)生不利影響。

2.光伏并網(wǎng)逆變器改進型拓撲

非隔離型逆變系統(tǒng)雖然存在上述不足，但是只要措施得當(dāng)，直流分量還是可以抑制在允許的范圍內(nèi)的。由于非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器具有體積小、質(zhì)量輕、效率高和成本較低等優(yōu)勢，使得其在未來的光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)中更具發(fā)展前景。在此對非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器改進型拓撲及其實現(xiàn)原理作進一步分析。(1)基于Z源網(wǎng)絡(luò)的單級非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器針對常規(guī)電壓源單級逆變器存在直流電壓等級要求較高、直流側(cè)抑波電容過大等不足，文獻［8］提出了一種基于Z源網(wǎng)絡(luò)的單級非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，如圖6所示。這種逆變器的優(yōu)點是:交流電壓具有較大的輸出范圍，可高于、低于直流輸出電壓;同一橋臂間兩個管子可同時導(dǎo)通，這正是此種逆變器擁有獨特升壓特性的原因。(2)雙模式Boost多級非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器常規(guī)Boost多級非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器存在開關(guān)頻率高、損耗大的缺點。介紹一種改進型的雙模式Boost多級非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，如圖7所示。這種拓撲的優(yōu)點在于前后兩級環(huán)節(jié)不同時工作于高頻狀態(tài)，總開關(guān)頻率減小;旁路二極管VDb的引入使系統(tǒng)工作在全橋逆變模式時輸出電流直接通過VDb，系統(tǒng)損耗大大減小。因此，增加了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率和壽命，體積及質(zhì)量都相應(yīng)減小。除了上述拓撲外，文獻［9］還介紹了一種多支路光伏并網(wǎng)逆變器。它的特點是多個支路逆變器可獨立進行能量轉(zhuǎn)換，可最大限度地利用太陽輻射能;同時因其具有安裝靈活、維護方便等優(yōu)點而具有較高的使用價值。