电力电子技术在太阳能发电中的应用论文--副本.doc

目 录
1 绪 论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2研究内容及方法 1
1.3主要创新点 2
2 太阳能光伏发电技术应用研究 3
2.1 太阳能光伏发电简介 3
2.2太阳能光伏发电原理 5
2.3太阳能光伏系统的组成 5
2.3.1 独立供电的光伏系统组成 5
2.3.2 并网光伏系统组成 7
2.4光伏产业的发展趋势 7
2.4.1 世界光伏产业的未来 7
2.4.2 我国光伏产业的发展前景 9
3 电力电子技术在光伏发电系统中的应用 10
3.1电力器件的作用 10
3.1.1 绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 10
3.1.2 交直交变频器 10
3.1.3 矩阵变换器 11
3.2输电技术 11
3.3配电技术 12
3.4储能技术 12
3.4.1 蓄电池 12
3.4.2 超导储能器(SMES) 13
3.4.3 不间断电源（UPS） 13
3.5电能管理 13
3.6电能质量 14
3.7光伏发电电力电子技术的发展 15
3.7.1 光伏直流变换电路 15
3.7.2 光伏逆变电路 16
3.7.3 光伏逆变中的多电平逆变器 16
总 结 18
参考文献 19
致 谢 20

1 绪 论
1.1研究背景及意义
电力电子技术是一个全新的技术平台，它由电路技术、功率半导体技术，计算机技术以及现代化的控制技术组成。电力电子技术已经走过了50年的发展历程，随着科学技术的发展，电力电子技术从电子技术中分离出来，成为了一门独立的科学技术并广泛应用于国民经济的每个工业领域。其中最显著的特点就是在发展速度、渗透力、与别的学科的融合程度上都与微电子技术有着相同的特征。这也使电力电子技术有旺盛的生命力，必然迎来更加广阔的发展空间。
世界能源结构正在发生巨大的变革。以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构将逐步转变为以资源无限，清洁干净的可再生能源为主的多样性，复合型的能源结构。太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广与应用。
太阳能光伏发电已经不再只是作为偏远无电地区的能源供应，而是向逐渐取代常规能源的方向发展。在国外，并网发电逐渐成为太阳能光伏发电的主要应用领域，太阳能光伏产业已经逐渐形成，并持续高速发展。鉴于此，根据太阳能光伏发电的基本原理和电力电子技术相关知识，现提出电力电子技术在太阳能发电中的应用研究课题，旨在通过电力电子技术中的整流和逆变电路以及相关逆变器和多重、多电平电路和对太阳能发电环节、输电环节、配电环节、储能环节、电能的管理、电能的改善以及对其发展前景的展望进行分析和探究。从而尽可能改善输电性能，减少谐波对用电设备的损害，改善电网性能的稳定性以及对新能源的探索等。
1.2研究内容及方法
本论文主要基于电力电子技术中的相关器件、电路原理及其改进电力性能质量的原理电路。通过电力电子技术中的整流和逆变电路以及相关逆变器和多重、多电平电路实现电能质量的改善和提高，减少谐波对用电设备的损害，改善电网性能的稳定性以及对新能源的探索。具体做法如下。
1. 首先，对太阳能的发电原理有一个初步认识，运用相关电力电子技术知识，实现弱电对强电控制的连接点。
2. 接着，总结全球光伏发电的发展现状，并对我国光伏发电和全球光伏发电情况做详细的对比，找出我国在光伏发电中的优势。
3. 对太阳能发电环节、输电环节、配电环节、储能环节、电能的管理、电能的改善以及对其发展前景的展望进行分析和总结。根据前人的论文观点再结合自己所学的知识给出自己内心的想法。
4. 最后，对整篇文章进行总结。
1.3主要创新点
本文主要讨论电力电子技术在太阳能发电中的发展应用。目前世界太阳能发电总生产量依旧是日本第一，然而推广应用太阳能光伏发电系统却是德国领先。我国拥有丰富的太阳能资源以及存在潜在巨大的市场，然而我国太阳能光伏发电技术却处于发展的初级阶段，大多光伏组件厂家规模小，基础设施和生产设备落后，产品质量总体水平比国外产品低，生产成本却相对较高。对此，先进行对太阳能发电环节、输电环节、配电环节、储能环节、电能的管理、电能的改善以及对其发展前景的展望进行分析和探究。主要创新点如下：
1、采用系统式的研究方法，首先从太阳能的发电原理环节入手到最后电能质量的改善做了比较全面详细的比对和探究。
2、利用电力电子技术相关知识对电能质量的改进以及在太阳能发电中发展趋势的研究并给出了自己的想法和观点。

2 太阳能光伏发电技术应用研究
从太阳能发电中获得电力，需要通过太阳能电池进行光电变换来实现。它同以往其他发电原理完全不同，具有以下特点：①无枯竭的危险；②绝对干净无公害；③不受资源分布地域的限制；④可以在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上更容易接受；⑦获取能源花费的时间短。不足之处是：①照射的能量分布密度不均匀且需要占用巨大面积；②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。但总的说来，瑕不掩瑜，作为新能源，太阳能具有诸多的优点，因此受到世界各国的重视。
2.1 太阳能光伏发电简介
太阳能发电分为热发电和光伏发电两种。将太阳光辐射的能量通过光伏效应直接转换为电能，称为太阳能光伏发电技术。它是一种可再生的无污染的发电方式。光伏发电成为一种改善人们生活条件、不破坏环境、受到人们欢迎的可再生能源。如图2.1太阳能路灯、草坪灯、交通信号灯、 太阳能电车、广告牌、电子产品等。

图2.1太阳能光伏发电在日常生活中的应用
自上世纪50年代第一块实用的硅太阳电池研制成功，太阳能光伏发电技术已经历经了半个多世纪的发展。目前占主流的太阳电池依然是硅太阳电池，它又分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池(总称晶体硅太阳电池)和非晶硅太阳电池。
典型的太阳能供电系统结构如图2.2，首先通过太阳电池阵列的光电转换，先将太阳能转变成电能，其次由功率变换器将太阳电池输出的直流电转换成用户所需的电源形式。根据用户的要求，功率变换器能选择直流斩波器进行DC/DC变换，或采用逆变器进行DC/DC变换。此外，功率变换装置还应该包括蓄电池系统，用来平衡用电需求。当阳光充足时，由太阳电池供电，同时向蓄电池充电；当夜晚或阳光稀少时，由蓄电池向负载供电。变流器的电路结构如图2.2。
太阳能
光伏阵列
逆变器
电网
蓄电池或超级电容
双向直流变换器
负载

图2.2 太阳能光伏并网发电系统
光伏发电系统可分为以下几类：
(1) 城市住宅用小型并网系统
光伏电池与居民住宅建筑结合，利用屋顶或墙面安装光伏阵列,一般每户配备1~5kW 单相逆变器。
(2) 工业与市电
一般用25kW以上三相三电平大功率逆变器(也可发展为100MW 大规模光伏变电站)，一共可以分为三类:
(a) 独立运行、离网、储能式
独立运行的光伏系统为完全离网式，有储能设备，阴雨天也可以供电。其中更重要的是可以在荒漠地区建设大规模离网式、独立光伏电站。
(b) 联网、无储能式
联网式光伏系统是当今发展方向的主流 (全世界联网式光伏系统年增长率约为25～30%)。
(c) 混合式光伏系统
太阳能光伏与风力或燃料电池等发电系统，组成混合式分布电力系统，可以应用于无电或少电地区。
在电力电子技术的基础上，PSW技术取得了长足发展，在工程测试领域得到了广泛应用。本章具体阐述了电力电子技术在太阳能发电中的应用的发展和优势，分析了电网中的谐波以及对其改进，提升电网性能稳定性的方法进行了探究[6]。
2.2太阳能光伏发电原理
太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，当太阳光照射在半导体PN结上，由于P-N结势垒区产生了较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势高，N区电势低，从而在外电场中产生电压和电流，将光能转换城电能。太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类:一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型发电厂；另一类是独立式发电系统，即在自己的闭环系统内部形成电路。并网发电系统通过光伏数组将接受来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。而独立式发电系统光伏数组首先会将收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中。
2.3太阳能光伏系统的组成
2.3.1 独立供电的光伏系统组成
独立供电的太阳能光伏系统的结构框图如图2.3和2.4。由于太阳能电池仅仅在白天光照条件下才能输出能量，根据负载的需求，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能条件来提供夜间所需要的电力，所以整个光伏系统由太阳能电池、蓄电池、负载和控制器组成。虚线框中部分即为系统控制部分的结构框图，通常由充电电路、放电电路和状态控制电路3部分组成[8]。

图2.3典型光伏发电系统基本结构

图2.4 独立供电的太阳能光伏系统结构框图
系统各部分容量的选取需要综合考虑成本、工作效率以及可靠性。随着光伏产业的迅速发展，虽然太阳能电池的价格正在逐步下降，但是它仍是整个系统中最昂贵的部分。它的容量选取影响着整个系统的成本。与此相比来说，蓄电池价格更为低廉，因此可以选取相对较大容量的蓄电池，应该尽可能充分利用太阳能电池所发出的功率。此外，在与负载容量配合时，还应该考虑到连续阴天的情况，对系统容量应该留出一定的裕度[2]。
2.3.2 并网光伏系统组成
与独立供电的光伏系统相比而言，并网系统通常都没有储能环节，而是直接由并网逆变器接太阳能电池和电网，如图2.5，并网逆变器的基本功能都是一样的，那就是，在太阳能电池输出范围内变化时，能够始终以最高的效率将太阳能电池输出的低压直流电转化成与电网匹配的交流电送入电网。太阳能电池输出的大范围的主要原因是白天光照强度的不同，范围在200w/m2到1000w/m2之间[7]。
图2.5 太阳能并网系统结构框图
2.4光伏产业的发展趋势
2.4.1 世界光伏产业的未来
全球太阳电池年产量正在快速增长，2004年的增长速度超过60%，根据最近发表的数字统计，2005年的增长率为44%，太阳电池年产量达到1656MW。其中日本的总产量仍为世界第一，占世界总产量46%，欧洲占世界总产量28%。2005年全球安装太阳电池组件1460MW，比上一年增长了34%。其中德国安装了838MW，比上一年增长了53%，占世界总安装量的57%。日本安装了292MW，比上一年增长了14%。预计到2005年年末，全球累计安装太阳电池组件容量比上一年增长了39%，达到了5GW.就2005年而言，其兴建新的太阳电池制造厂的投资就已经超过了10亿美元，可见这是未来新能源发展的趋势。
目前国外并网逆变器技术发展十分迅速，其主要研究集中在svpwm技术、数字锁相控制技术、数字dsp控制技和孤岛检出技术，以及综合考虑以上各个方面的系统总体设计等。国外的有些并网逆变器还具备同时兼有独立运行和并网运行的功能，其中光伏市场占有率正快速增长。据统计，最近几年，全球的光伏总装机容量更是以指数的形式攀升，其未来形势一片大好。
目前世界上太阳电池年生产量仍然是日本第一，可是推广应用太阳能光伏发电系统的却是德国占据榜首。日本新能源和工业技术发展组织（NEDO）在2004年6月发表的“面向2003年光伏线路图的概述”中提出：到2030年累计安装太阳电池组件容量达到1000GW，那时日本所有住宅所消费的电力中将有50%由太阳能光伏发电提供，大约占全部电力供应的10%。2002年5月欧洲光伏工业协会发表的报告“工业需要及线路图”预计：2010年前太阳能发电市场平均年增长率为27%，2010年～2040年间增长率为15%。在2010年太阳能发电提供的电力占总发电量的1%，到2040年将占总发电量的26%。到2020年，太阳电池组件的年产量将达到54GW，销售额为750亿美元，发电量为276TW·h,将为10亿人口提供电能。太阳能发电产业从业人员将达到230万人。每年太阳能发电减少二氧化碳排放量16亿吨。在1999年以前，美国的太阳能光伏发电的研究和开发一直处于世界领先地位，可是后来由于种种原因，太阳电池组件的年产量竟然落到了日本和欧洲的后面。美国在2004年9月发表了“我们太阳电力的未来：2030年及更久远的美国光伏工业路线图”，对此进行了全面的分析并提出要恢复美国在光伏市场上的地位。为此要采取税收优惠、提高上网电价、增加政府及当地投入以及在2010年以前每年投入2.5亿美元用于研发等措施，并提出以下目标：在2025年新增加发电容量的一半以上由太阳能发电提供。2003年美国安装太阳电池组件总容量不到014GW，初期预计在2010年前，美国的增长率为30%～38%。以后发展到成熟期，2010～2020年间年增长率为26%，到2020年累计安装太阳电池组件容量将达到36GW，每年安装7.2GW，到2030年累计安装太阳电池组件容量将达到200GW，以后每年安装19GW。2030年美国太阳能发电量为3600亿KW·h，足够3400万户家庭使用，等到那时太阳能发电将成为最重要的电力来源。2015年太阳能发电系统的销售价格将为3.68美元/W。假如有政府的政策支持，太阳能发电的电价可低于5.7美分/KW·h。下表是欧洲、日本和美国制定的光伏发展计划如表2.6。
表2.6欧洲、日本、美国制定的光伏发展计划（单位：GW）
国家 年份
2005
2010
2020
2030
日本
欧洲
美国
世界
1.5
2.1
1.0
5.5
4.8
3.0
2.1
12
30
41
36
125
205
200
200
920
国际光伏应用中并网发电和光伏建筑集成（BIPV）发展非常迅速，现已经成为光伏市场的最大份额。它标志着光伏发电由边远地区正在向城市过渡，由补充能源向替代能源过渡，由大型集中电站向分布式供电模式过渡的阶段。
2.4.2 我国光伏产业的发展前景
根据国际能源协会下属的光伏电力系统项目研究小组（Photovoltaic Power System Programme）在2006年发布的报告“光伏发电应用技术的趋势”统计：2006年中国光伏发电设备年销售量为15MW，光伏系统的总装机容量达到85MW。光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演着重要角色，预计到2010年中国的光伏发电累计装机容量将达到600GW，2020年累计装机容量将达到30GW，2050年将达到100GW。根据电力科学院的预测，到2050年中国可再生能源发电将占到全国总电力装机的25%，其中光伏发电将占到至少5%。
我国有丰富的太阳能资源以及潜在的巨大的市场，经过20多年的艰苦努力，已经为太阳能光伏发电更大发展和更大规模应用奠定了良好基础，但要实现完全商业化的目的，还要消除制约发展的一些障碍。中国太阳能光伏发电技术处于发展的初级阶段，大多光伏组件厂家规模小，基础设施和生产设备落后，产品质量总体水平比国外产品低，生产成本却相对较高。此外，缺乏统一的设计和建设规范，将无法保证光伏电站和系统的建设质量，影响光伏发电的进一步推广。稳定且不断发展的市场和强有力的政府支持是光伏电池研发的根本动力。目前，我国正在继续培育国内的光伏市场，如开展“送电到村”项目，加大城市屋顶和沙漠并网电站的研发和示范投入等;同时注意人才培养，抓紧技术平台和队伍建设，积极研发新型电池生产和应用技术，努力降低成本，并从税收、信贷等方面扶植光伏产业[1]。
3 电力电子技术在光伏发电系统中的应用
电力电子技术是一个以功率半导体器件、电路技术、计算机技术、现代控制技术为基础的技术平台。经过50年的发展历程，它在传统产业设备改造、电能质量控制、新能源开发和民用产品等方面得到了更为广泛的应用。其最早成功地应用于电力系统的最大功率电力电子技术是直流输电（HVDC）.自20世纪80年代，柔性交流输电（FACTS）概念被提出后，电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大关注，多种设备相继出现。现在已有不少文献介绍和总结了相关设备的基本原理和应用现状。
3.1电力器件的作用
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限制，然而全控器件(IGBT)却倍受人们的喜爱。
3.1.1 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）
在二十多年的发展历程中，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。
针对太阳能系统的特点而设计了一种采用由IGBT 组成的“H”型SPWM 逆变器，通过控制“H”型逆变器中的IGBT 的开关波形，就可以非常容易控制输出的电流；通过控制SPWM 的起始角θ，能使逆变器以功率因数为1 的方式向电网输送能源，并使谐波因数、畸变因数达到设计要求[8]。
3.1.2 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[4]。
3.1.3 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。
3.2输电技术
太阳能发电场的建立通常是选取太阳能资源相对比较丰富的地区，一般都远离城镇，线路的输送能力也成为太阳能发电的重要考虑因素。 现在主要采用的是交流输电方式，可是存在很多缺点，HVDC已经开始进入太阳能输电领域。高压直流输电是应用换流技术将交流电转换为直流电输送到落点处再通过逆变变换为交流的一种输电技术。它的优点是：可以用来实现异步联网，线路造价和运行费用相对较低，一般不需要增加额外的装置，更易于实现地下或海底电缆输电等。新一代 HVDC 技术采用 GTO、IGBT 等可关断器件，以及脉宽调制(PWM)等技术，它的采用更进一步改善了输电的性能、大幅度地简化了设备、减少了换流站的占地面积、而且降低了造价，使直流输电更具有竞争力。目前，全世界HVDC 工程已达60多个, 总设备容量已超过40GW。
轻型直流输电HVDC Light，以电压型换流器(VSC) 和绝缘栅极双极晶体管( IGBT) 为基础，可以在无源逆变的方式下运行，更方便连接各种分散式的电源。 灵活交流输电系统(FACTS)在电力系统中广泛采用，可是在太阳能发电领域还没有得到足够的重视。柔性交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术相结合， 其目的是用来实现对电力系统参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续快速调节控制，从而大幅度提高输电线路的输送能力和提高电力系统的稳定水平，降低输电线路的损耗。 自1986年美国专家N·G·Hingorani提出了FACTS（Flexible AC Transmission System）这个完整的概念以来，FACTS的发展越来越受到全世界的重视。
直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等诸多优点，对于远距离输电，海底电缆输电 及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。1970年世界上第一项晶闸管换流阀试验工程在瑞典建成，从而取代了原有汞弧阀换流器的地位，这标志着电力电子技术正式应用于直流输电的行业，从此以后世界上新建的直流输电工程就全部采用晶闸管换流阀[15]。
3.3配电技术
配电系统目前最迫切需要解决的问题是：如何加强供电的可靠性和提高电能的质量？电能质量的控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求，又要抑制各种瞬态的波动和干扰等相关不稳定因素。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的广泛应用，即用户电力（Custom Power）技术或称DSACTS技术。在太阳能配电网的电力电子装置中，智能万用变压器（IUT）不同于传统的线圈式变压器，它是基于电力电子技术（由多级逆变器组成）的变压器的基础上更进一步的改进。它除了拥有传统变压器的功能外，它还可以改善系统运行效率和可辅助配网远程监控，还可以作为可控开关遮断潮流。其主要优点是：制作工艺简单、运行可靠和能量转换效率较高。主要缺点是：体积大、设备笨重，矿物油引起环境污染问题严重且不易维护，不能维持副方向电压恒定，铁芯饱和时造成电压电流的波形畸变而产生谐波，负载波动对网侧产生影响等等。
3.4储能技术
因太阳能是不可直接储存的能源，对于离网型太阳能发电系统，为了保证供电的稳定可靠，通常的方法是可在春夏季节将太阳能储存起来，其目的是用来供其他装置的使用。即使是在太阳能资源丰富的地区，若以太阳能光伏发电作为获得电能的主要方式，也必须配有适当的储能系统。再者，在太阳能和其他能源联合供电时，也需要储能技术的介入。
3.4.1 蓄电池
太阳能发电机在与其它发电装置互补运行或独立运行时通常使用蓄电池进行储能。
在太阳能－柴油发电系统联合运行中，采用配备蓄电池短时储能的措施，可避免由于太阳能及负荷的变化而造成的柴油机的频繁起动与停机。此外，蓄电池还可以减少柴油机的轻载运行，使其绝大部分时间运行在比较合适的功率范围内。同样的，在光伏发电中，也使用蓄电池作为主要的储能方式。在独立运行光伏发电系统中，蓄电池可以决定太阳能发电系统除了满足负载使用外的输出的功率调整。鉴于蓄电池成本考虑，在太阳能发电系统中，多采用铅酸蓄电池或碱性蓄电池作为储存电能的装置。
3.4.2 超导储能器(SMES)
开发超导线圈储能的可行性，美国在20 世纪90 年代就开始研究了。超导线圈可在超导温度下流过极高电流密度的大电流而不消耗电能，是储存电能的最佳选择之一。利用超导储能可以吸收或发出有功和无功功率，响应快，容量大，大大减少了电路的损耗。前面提出了使用超导储能技术使太阳能发电机组输出电压和频率稳定。从而使电网稳定。在详细介绍了超导储能SMES 的调节原理及其最优控制方法的基础上，提出在并网型太阳能发电系统中，建立了SMES 模型，同时用基因算法对SMES 的控制参数进行寻优，仿真结果表明，SMES 单元用于并网形太阳能发电系统可实现对电压和频率的同时控制，提高了输出稳定性。前面光伏发电系统中配备储能设备可以提高风电并入电网的容量[3]。
3.4.3 不间断电源（UPS）
不间断电源(UPS)是指当交流输入电源发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的装置。现代UPS 普遍采用脉宽调制技术和IGBT、功率M0SFET 等现代电力电子器件，效率和可靠性得以提高。并引入微处理器软硬件技术，实现了智能化管理，可进行远程维护和远程诊断。太阳能的随机性较大，发电的稳定性也受到限制，对较偏远地区或者单独运行的风电场来说，不间断电源的使用很有必要。[10]
3.5电能管理
　电源管理系统(PMS)技术是提高电源效率和系统可靠性的新方法。PMS将智能控制和管理的思想引入电力系统，从发电、配电及用电等各个层次，对电能进行分配、监测、控制、管理和安全保护等。其主要功能包括： (1)电能分配；（2)优化控制；(3)状态监测；(4)故障诊断；(5)容错控制。
实现上述功能的核心技术是：计算机技术，如数据库、网络通信、现场总线等；自动控制技术，如过程监控、最优化算法、容错控制等；人工智能，如模式识别、专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等。特别重要的是这些技术的融合，包括各种技术内部自身的融合，以及各种技术之间的融合[5]。
例如：整个系统可以采用网络化控制，通过三层网络结构：底层采用现场总线和基于DSP的嵌入式控制器实现实时控制、数据采集和通信；中间层通过分布式计算机监控系统实现系统的状态检测、数据存储、趋势分析和故障报警等功能；上层采用人工智能技术构建智能PMS，实现负荷预测、电能分配、系统优化和能量管理。在电源管理系统(PMS)方面，将在智能优化及安全控制上有所突破。
3.6电能质量
近年来，随着大量非线性元器件的使用，特别是电力电子变流器的广泛应用，造成了电网功率因数降低和谐波畸变等问题。如何治理“电力公害”，提高电能质量成为当前迫切需要解决的重要课题。电能质量控制的主要研究内容是：
(1)电源谐波检测和分析技术 谐波的测量和分析是实现谐波治理的前提条件，准确的谐波测量和分析能够为谐波的治理提供良好的依据。自提出快速傅里叶变换算法(FFT)以来，基于傅里叶变换的谐波测量便得到了广泛应用。然而基于傅里叶变换的谐波测量要求整周期同步采样，否则会产生频谱泄漏现象和栅栏效应。因此，如何减小因同步偏差而引起的测量误差成了众多学者关注的焦点。
(2)电能质量控制改善 包括：功率因数校正和滤波器设计。由于传统的无源滤波器体积和重量超大，日须针对不同的频率进行设计，功率因数校正(PFC)技术是提高功率因数和降低谐波污染的重要途径。近年来，有源功率因数校正技术(APFC)已成为电力电子领域的研究热点。现已从电路拓朴、控制策略发展到集成模块，首先在单相PFC电路方面取得成果。比如：可用于 Buck、Boost、Buck-boost、Cuk等DC/DC基本变换电路的专用或通用的PFC控制器。目前的研究重点在三相PFC控制技术上，比如：单开关、多开关以及软升关三相PFC电路的研制。特别是，软开关技术与PFC技术的融合是发展的新趋势。虽然，目前PFC产品受到功率的限制，但应用于分布式太阳能发电系统却是重要机遇[9]。
3.7光伏发电电力电子技术的发展
3.7.1 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。
光伏直流变换电路主要有脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)两种方法,其中,PWM为常用控制方法。光伏直流变换器主电路分直接变换(直流斩波器,无变压器隔离)和间接变换(开关电源型DC/DC变换器,有变压器隔离)两大类。
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［11］。如图3.1和3.2。

图3.1Buck变换器电路 图3.2Boost变换器电路
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限制、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。表中的全桥、半桥、正激、推挽变换器是基于Buck的隔离变换器拓扑;反激式变换器则是Buck-Boost变换器的隔离方案[14]。
3.7.2 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3.3和3.4。[16]

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[12]。
3.7.3 光伏逆变中的多电平逆变器
在交流大功率变换领域,常采用开关器件串/并联、多重化(功率变换装置串/并联)及多电平变换等技术以解决电力电子器件耐压与功率变换电压等级的矛盾,其中,多电平变换技术已成为研究热点。如图3.5，传统的逆变器亦称为二电平逆变器,其在一个开关周期内逆变桥臂的相电压输出电平仅为二电平。多电平技术源于日本学者1981年提出的中点箝位型多电平逆变电路。目前,多电平逆变电路主要有二极管箝位型、电容箝位型和独立直流源级联型3种拓扑类型。光伏阵列可灵活组合,故光伏并网系统易实现3电平和级联方式并网以改善并网电流波形。为了解决阴影问题和光伏模块之间不匹配问题,一些学者提出采用二极管箝位型多电平逆变器、级联H 桥型变换器实现独立控制每一个光伏模块,使其各自工作在最大功率点,从而提高系统效率, 减少输出电压谐波[13]。

图3.5多电平逆变电路图

总 结
随着世界范围内能源短缺的加剧和环境进一步遭到破坏，开发新能源已是必然。然而开发太阳能资源，电力电子器件的应用和先进的现代控制技术是关键。通过大量查阅全球光伏发电的发展现状，并对我国光伏发电和全球光伏发电情况做详细的对比，找出我国在光伏发电中的优势，并对其展开全面系统的探究。
通过对太阳能发电环节、输电环节、配电环节、储能环节、电能的管理、电能的改善以及对其发展前景的展望进行分析和总结。根据前人的论文观点再结合自己所学的知识给出自己内心的想法以及对其前景的展望。希望能通过自己的努力来或多或少地改善和提高电网电能的质量和稳定性，从而提高太阳能发电的效率和电力变换质量、降低太阳能发电的成本，使得清洁能源逐步替代传统的化石燃料，以改善人类周围的生存环境，提高人们的生活水平。

参考文献
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［15］张立，赵永健.现代电力电子技术[M].北京：科学出版社，1992.

致 谢
经过几个星期的奋斗，我终于把毕业设计做完了。在整个毕业设计中，从选题、实验到论文的写作以及最后的定稿，一直以来都得到了我的导师张晓朋老师的悉心指导。尤其在课题研究的中期，在功能的实现和课题的方向上有些迷茫，老师对我帮助很大。在这里，我向张老师和各位帮助我的同学表示诚挚的感谢！
除此之外，我的父母在毕业设计期间对我细致入微的关怀，使我感觉到了父母无私的爱和对我的自豪，在这我要由衷谢谢我的父母。另外我的许多朋友们在完成过程中也给我提供了很多帮助，也在此表示我的谢意。
最后，再次感谢张晓朋老师以及所有关心，支持我的人。