作者簡(jiǎn)介

本文是第二屆電力電子科普征文大賽的獲獎(jiǎng)作品，來(lái)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(yáng)能光伏板形成一片“藍(lán)色的海洋”，在陽(yáng)光的照耀下熠熠生輝。這是今日中國(guó)西部廣袤荒野中的一道獨(dú)特風(fēng)景，也是中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的生動(dòng)寫照。當(dāng)今，能源問(wèn)題如同高懸于人類頭頂?shù)倪_(dá)摩克利斯之劍，光伏發(fā)電正以其清潔、可再生的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為了最具潛力的能源解決方案之一。在此過(guò)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(jìn)注入了強(qiáng)大的動(dòng)力?，F(xiàn)在，讓我們一同踏上這場(chǎng)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(yáng)的慷慨饋贈(zèng)

光伏發(fā)電，顧名思義，就是將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)。太陽(yáng)，這個(gè)巨大的核聚變反應(yīng)堆，每時(shí)每刻都在毫不吝嗇地向外傾瀉著無(wú)盡的能量。據(jù)估計(jì)，地球表面每秒鐘接收到的太陽(yáng)能相當(dāng)于燃燒500萬(wàn)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(yáng)能，必將極大地緩解全球范圍內(nèi)日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)。

太陽(yáng)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(yáng)能電池主要由半導(dǎo)體材料制成，當(dāng)溫暖而明亮的太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能電池上時(shí)，半導(dǎo)體中的電子猶如被太陽(yáng)的魔力喚醒一般，迅速吸收光子所攜帶的能量，從價(jià)帶勇敢地躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)。在太陽(yáng)能電池內(nèi)部那神秘而強(qiáng)大的電場(chǎng)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(dòng)，形成電流。就這樣，太陽(yáng)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(lái)源：www.maysunsolar.eu）

光伏發(fā)電擁有諸多令人贊嘆的優(yōu)點(diǎn)。首先，它是一種絕對(duì)清潔、毫無(wú)污染的綠色能源，在整個(gè)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中，不會(huì)產(chǎn)生任何溫室氣體以及對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，為地球家園帶來(lái)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(yáng)照耀的地方，就可以進(jìn)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(dú)特的風(fēng)景線。

然而，光伏發(fā)電也并非完美無(wú)缺。首先，太陽(yáng)能的能量密度相對(duì)較低，這就意味著需要鋪設(shè)大面積的太陽(yáng)能電池板才能收集到足夠的能量。那一片片如藍(lán)色海洋般的太陽(yáng)能電池板，雖然壯觀，但也會(huì)占據(jù)不少空間。其次，太陽(yáng)能的輸出功率受到時(shí)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(yáng)光明媚的日子里，太陽(yáng)能電池板歡快地工作著，輸出強(qiáng)大的電能；而在陰云密布時(shí)或者夜晚，它們的輸出功率便會(huì)大幅下降，甚至歸零。此外，目前在與傳統(tǒng)的化石能源競(jìng)爭(zhēng)中，光伏發(fā)電的成本仍然相對(duì)較高。但我們有理由相信，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問(wèn)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(wèn)題，進(jìn)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(jìn)的電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行高效變換和精確控制。通過(guò)脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)以小控制信號(hào)調(diào)整開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間或頻率，從而調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值、頻率和波形，進(jìn)而輕松實(shí)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(jì)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(shí)，其響應(yīng)基本相同。在此基礎(chǔ)上，利用PWM技術(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)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(shí)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(diǎn)。以正弦波的半波為例，如圖 3所示，當(dāng)Ts很小時(shí)，其可等效為若干個(gè)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(lái)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(gè)關(guān)鍵方面發(fā)揮著其重要作用：

1.

太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）

太陽(yáng)能電池就像一個(gè)有點(diǎn)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(gè)最大功率點(diǎn)，且輸出功率會(huì)隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化而任性地改變著，如圖 4所示。為了讓太陽(yáng)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(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）。MPPT就像是一個(gè)超級(jí)聰明的小助手，它會(huì)時(shí)刻盯著太陽(yáng)能電池的輸出電壓和電流，精準(zhǔn)地調(diào)整太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)，使其輸出功率始終保持在最大值。就好比你在跑步的時(shí)候，有個(gè)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(jìn)，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(qiáng)度G的變化（來(lái)源：www.ecmweb.com）

為實(shí)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(shí)現(xiàn)MPPT功能的BOOST換流器電路，它就像是一個(gè)神奇的調(diào)節(jié)器，通過(guò)特定的算法（如擾動(dòng)觀察法、增量導(dǎo)納法、模糊控制法等）輸出一個(gè)指令，該指令通常是PWM調(diào)制信號(hào)的占空比（開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間的比例），來(lái)控制電路中功率半導(dǎo)體器件的開(kāi)斷，進(jìn)而巧妙地調(diào)節(jié)變換器的等效電阻，改變太陽(yáng)能電池（PV模塊）的輸出電壓和電流，從而確保太陽(yáng)能電池始終工作在最大功率點(diǎn)。

圖 5 利用BOOST和MPPT實(shí)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(qiáng)大的電力電子裝置，它能夠?qū)⒅绷麟娔孀優(yōu)榻涣麟?。作為電能轉(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?fù)浣Y(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(yùn)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(dòng)可再生能源的進(jìn)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?fù)錇槔?，光伏發(fā)電交流并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]

三相兩電平逆變器中，a、b、c三相均由上下兩個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂由開(kāi)關(guān)器件組成，通過(guò)PWM控制開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)斷在交流側(cè)輸出不同寬度的脈沖。開(kāi)關(guān)器件的工作狀態(tài)使得交流側(cè)可以實(shí)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(fù)極），因此稱為兩電平變壓器。

3.

儲(chǔ)能系統(tǒng)

由于太陽(yáng)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(yùn)行，儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入就顯得尤為重要。儲(chǔ)能系統(tǒng)就像是一個(gè)巨大的能量寶庫(kù)，在太陽(yáng)能充足的時(shí)候，它可以儲(chǔ)存多余的電能；而當(dāng)太陽(yáng)能不足時(shí)，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(gè)過(guò)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(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和光伏發(fā)電系統(tǒng)間電能雙向流動(dòng)的原理。如圖 7所示，DAB變換器可以看作是由兩個(gè)單相兩電平逆變器和高頻變壓器構(gòu)成。通過(guò)對(duì)兩個(gè)橋路中開(kāi)關(guān)器件的調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)能量流動(dòng)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(jì)的更小，有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化和輕量化。

圖7. DAB直流變換器拓?fù)浣Y(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(shí)，一系列神奇而實(shí)用的應(yīng)用場(chǎng)景便會(huì)涌現(xiàn)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)1 + 1 > 2的效應(yīng)。下面，讓我們一同走進(jìn)一些具體場(chǎng)景。

1.

分布式發(fā)電場(chǎng)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(yáng)s能轉(zhuǎn)化為直流電，其通過(guò)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(jì)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(duì)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(jìn)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(fèi)，還能獲得一定的補(bǔ)貼。

2.

大型集中式電站場(chǎng)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(qiáng)度高且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，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(wàn)塊光伏板組成，產(chǎn)生的直流電通過(guò)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸電，減少了電網(wǎng)對(duì)化石能源的依賴。

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微電網(wǎng)場(chǎng)景

（1）偏遠(yuǎn)地區(qū)微電網(wǎng)。在遠(yuǎn)離主電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)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(guò)電力電子技術(shù)，將光伏發(fā)電、儲(chǔ)能設(shè)備（如蓄電池）、柴油發(fā)電機(jī)（備用電源）等進(jìn)行集成和協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的電力自給自足。電力電子設(shè)備負(fù)責(zé)電能的轉(zhuǎn)換、分配和控制，確保微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)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(chǔ)能系統(tǒng)以及用電設(shè)備通過(guò)電力電子裝置連接起來(lái)，實(shí)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(chǔ)充一體式車棚。隨著電動(dòng)汽車的普及，在停車場(chǎng)、加油站等場(chǎng)所建設(shè)光儲(chǔ)充一體式車棚成為一種潮流。光伏系統(tǒng)為電動(dòng)汽車充電提供電能，同時(shí)配備儲(chǔ)能系統(tǒng)，將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)，在夜間或光照不足時(shí)使用。光伏電能的轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電管理以及與電動(dòng)汽車充電樁的連接和控制都需要借助電力電子技術(shù)來(lái)實(shí)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(bǔ)光燈等提供電力，又能起到遮陽(yáng)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(guò)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(yuǎn)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(guò)電力電子設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓，確保通信設(shè)備的正常運(yùn)行，降低了通信基站的供電成本和對(duì)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(lái)發(fā)展

經(jīng)過(guò)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(jiàn)的是，這對(duì)伙伴在未來(lái)將會(huì)繼續(xù)向前攜手并進(jìn)。

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(jìn)。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(yáng)能電池具有較高的理論轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，人們一直在嘗試改進(jìn)傳統(tǒng)的晶硅電池技術(shù)，更先進(jìn)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(kāi)關(guān)損耗，提高設(shè)備的工作頻率和效率，從而實(shí)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(dá)2000V、80A，可在高達(dá)1500 VDC的高直流鏈路系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高的效率和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(lái)，我們的生活將因?yàn)樗鼈兌兊酶用篮?、更加綠色、更加充滿希望。

參考資料

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[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.