經(jīng)過長期的技術(shù)發(fā)展——特別是在生態(tài)危機、化石能源困境等多個重大關(guān)鍵課題的刺激下，太陽能在以轉(zhuǎn)換效率和成本為核心的技術(shù)和商業(yè)兩方面的關(guān)鍵難點上取得了巨大突破。太陽能是可再生能源和可持續(xù)電力設施改造的關(guān)鍵形式、實現(xiàn)碳中和傳播的重要途徑，這不僅是全球共識，也是美國、歐盟等經(jīng)濟發(fā)達國家目前所處的實際情況。同時，中國也在出臺相應的政策指導方針，大幅增加光伏發(fā)電裝置的數(shù)量，為光伏發(fā)電系統(tǒng)選擇合適的磁性元件對于太陽能的進一步普及具有重要的意義，磁性元件技術(shù)供應商科達嘉為大家深入講解這方面的知識。

以設施等級為劃分依據(jù)，光伏應用通常分為三類：住宅，x100W~xKW；商用，xKW ~ xMW；公共事業(yè)，xMW ~ xGW。由于光伏應用廣泛的可擴展性，太陽能發(fā)電的相應功率轉(zhuǎn)換有幾種不同的方案可供選擇：在轉(zhuǎn)換效率方面，有用于適應太陽輻射并根據(jù)電池溫度調(diào)節(jié)輸出的連續(xù)控制單元；同時，考慮到相對發(fā)電成本和用電容量，有用于離網(wǎng)型發(fā)電的分布式微電網(wǎng)和用于柵極接電的集中式電站，尤其是當光伏板數(shù)量增加時，系統(tǒng)的孤島風險和并網(wǎng)設備的低電壓穿越（LVRT）會使得光伏發(fā)電的配置方案更復雜多變。

濾波電感、升壓電感、電源變壓器、電抗器等磁性元件除了應用于相應的功率轉(zhuǎn)換之外，在其他方面也廣泛應用，尤其是在典型的分布式光伏解決方案中，磁性元件成本更高（按百分比計），因此為光伏發(fā)電和系統(tǒng)性能選擇合適的磁性元件對于太陽能的進一步普及具有重要的意義。

1、系統(tǒng)中光伏發(fā)電及功率轉(zhuǎn)換的原理

1.1半導體基礎

由于光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵要求，單晶硅異質(zhì)結(jié)（HIT）太陽能電池（N襯底）是目前的重點發(fā)展類型（效率在25%左右）。目前占據(jù)安裝規(guī)模的主要份額的類型仍然是鋁背場（BSF）和PerC型如P 型基板電池（效率在 19% 和 21.5% 之間）。但隨著設備和主要材料（硅材料和低溫銀漿）的不斷研發(fā)和生產(chǎn)能力的提高，HIT成本將逐步降低，未來新裝的太陽能電池將以HIT型為主。

在本征半導體中，P型或N型半導體通過摻雜獲得足夠的載流子濃度。由于其窄帶隙，外界干擾（如照明電磁輻射）可以激發(fā)內(nèi)部原子產(chǎn)生更多的電子-空穴對。當不同類型的半導體形成PN結(jié)時，n型端在內(nèi)部擴散電場的作用下會積聚更多的電子；而p型端則相反，最終在兩端形成驅(qū)動電壓并成為電源，即電池，這種內(nèi)部光電效應稱為光伏效應。

相反的現(xiàn)象是LED通過電子空穴復合產(chǎn)生電光，兩者的PN結(jié)工作狀態(tài)為正偏，但光伏電池為電源（光輻射驅(qū)動電流，低功率密度），LED為負載（產(chǎn)生光的電力，高功率密度），因此，光伏電池可以提供大電流，LED 則受限于其散熱結(jié)構(gòu)和尺寸而無法通過大電流（燒壞）。相關(guān)二極管結(jié)構(gòu)、電路符號及等效電路如下圖1所示：

圖1 光伏電池（HIT）和LED的結(jié)構(gòu)、符號和等效電路

常見的典型的光伏電池（PV）輸出電流表示為：

其中：

isc—光照射產(chǎn)生的激發(fā)電流；

iDo—PN結(jié)的飽和電流；

q–電子電荷為1.6×10?19C中；

K–玻爾茲曼常數(shù)為1.38×10?23J/K；

A–1～2之間的理想常數(shù)；

T–PN結(jié)溫度

q/AKT是輻照的弱相互作用，隨輻照強度而變化；通常 較小， 較大（>100KΩ），因此光伏電池的輸出電壓和電流主要受輻照強度和溫度的影響，當輻照強度和溫度穩(wěn)定時，輸出電流逐漸減小，PV的輸出電壓增加。可以看出，隨著輸出電壓的升高，光伏電池的輸出功率會先增大后減小；為實現(xiàn)最優(yōu)的光伏發(fā)電設計，需要通過最大功率點跟蹤（MPPT）技術(shù)來控制輸出功率并最大化功率輸出。

此外，光伏電池以及在光伏發(fā)電的功率轉(zhuǎn)換中，根據(jù)具體情況使用不同的開關(guān)場效應管和二極管半導體，如：MOS、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC），IGBT。造成這種差異的主要原因是在不同的應用條件下（工作電壓、開關(guān)頻率等），不同類型的半導體在成本和性能方面具有不同的優(yōu)勢。從實際光伏應用中可以看出，不同類型開關(guān)設備件的控制復雜度性和成本反過來也會影響特定光伏功率轉(zhuǎn)換方案（升壓和逆變等）的選擇；同時由于功率半導體的各種影響因素在不斷發(fā)展和變化，光伏產(chǎn)品的技術(shù)迭代和商業(yè)推廣也在不斷發(fā)展。

1.2太陽能系統(tǒng)的主要考慮因素

太陽能并網(wǎng)發(fā)電需要滿足特定的技術(shù)要求，如IEEE1547（美國）、ENEL 2010 Ed.2.1（意大利）、EN50438或中國GB/T 19939-2005、GB/Z 19964-2005。為了配置合適的并網(wǎng)逆變器，光伏系統(tǒng)需要具有多級功率轉(zhuǎn)換、效率控制和完整的監(jiān)控相關(guān)通信系統(tǒng)，并具備孤島檢測和發(fā)電量預測等必要功能（一般適用于中大型規(guī)?；夥l(fā)電部署）。在就地消耗所發(fā)電能這一方面上，分布式離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有較低的系統(tǒng)配置難度和較高的靈活性，通常以微型逆變器為主要功率級，或配備儲能系統(tǒng)以實現(xiàn)有效的電力調(diào)度。

典型的離網(wǎng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如下圖2所示：

（a）離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

（b）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

兩種典型的光伏系統(tǒng)（圖來源于網(wǎng)絡）

在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中需要考慮的主要因素當中，安全比效率更為重要，主要包括孤島檢測、絕緣檢測、漏電流檢測和低電壓穿越等。

由于低密度分布式光伏的負載經(jīng)常超過發(fā)電容量，孤島風險的發(fā)生概率非常低，因此在這種情況下通常不需要配置孤島檢測。在集中式光伏電站中，需要主動孤島檢測來保護它，通過控制電壓和頻率可以將光伏發(fā)電帶來的風險降到最低。

有源解決方案和無源解決方案有很多種，它們的基本原理是：當電網(wǎng)斷電時，光伏逆變器輸出電源的有功功率和無功功率負載發(fā)生明顯變化，光伏逆變器的變化輸出電壓將直接反映在負載兩端的電壓變化上。同樣，當逆變器輸出發(fā)生變化時，負載的無功功率（出現(xiàn)在等效電感和電容上）也會隨頻率而變化（圖3)。

如圖所示，電網(wǎng)停電前后負載的電壓和頻率分別為 1、 2和 1、 2，有功功率和無功功率變化分別為ΔP和ΔQ，對應關(guān)系如下：

圖3 并網(wǎng)光伏發(fā)電孤島檢測原理（簡化）

從簡化關(guān)系可以看出，只要負載上的ΔP和ΔQ變化明顯，光伏逆變器的電壓變化和頻率變化就能在負載端產(chǎn)生明顯的相關(guān)反應，從而可以檢測到電網(wǎng)系統(tǒng)中的光伏發(fā)電是否處于孤島狀態(tài)。當變化不明顯時，需要補充載波通信等其他監(jiān)控方案，主動滿足安全需求。

此外，光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量（光伏組件總標稱功率）與逆變器的額定容量（總有功功率）也有性能規(guī)范（中國NB/T 10394-2020）。提高容量匹配可以保持穩(wěn)定的輸出功率，也可以提高相應的系統(tǒng)綜合效率。

圖4 光伏容量比與相應實際功率輸出之間的關(guān)系示例

1.3光伏發(fā)電的主要功率轉(zhuǎn)換類型

光伏發(fā)電作為電流源，其功率輸出與工作電壓之間存在波動關(guān)系，即在實際功率轉(zhuǎn)換中，首先需要實現(xiàn)最大功率輸出的控制。根據(jù) MPPT 或 Power Optimizer的算法，波動的光伏發(fā)電通常先轉(zhuǎn)換為直流電，即直流母線（或 DC-link）。這個過程一般是boost轉(zhuǎn)換。其次，根據(jù)不同的功率等級，升壓轉(zhuǎn)換還可以通過交錯升壓或全橋控制實現(xiàn)更好的效率和更低的成本。同時，可根據(jù)隔離要求補充軟開關(guān)或其他隔離電源轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)不同電壓的直流要求；或者根據(jù)應用的需要可以通過全橋逆變的形式直接供給交流負載。

在組串式逆變器或中央逆變器中，除了MPPT或功率優(yōu)化后的穩(wěn)定直流高壓外，還有許多復雜的逆變器拓撲形式，如單相或三相串聯(lián)逆變器可分為兩級或多級形式。由于組串式逆變器在技術(shù)和成本上都具有配置靈活性，它們逐漸成為近年來的主要發(fā)展趨勢。

圖5 光伏發(fā)電中的功率轉(zhuǎn)換

（藍色）微型逆變器、（綠色）串式逆變器、（紅色）集中式逆變器

2、磁性元件在光伏中的應用

2.1MPPT（或功率優(yōu)化器）

光伏電池的發(fā)展經(jīng)歷了多次技術(shù)迭代，以210片（210mmx210mm）為代表的最新6.0時代，在25℃、1000 / 2輻照強度時，單片功率輸出可達10~12W。通常，光伏的規(guī)格書會提供開路電壓（ ）、短路電流（ ）、最大功率點電壓（V ）以及最大功率點電流（ ）。當輻照強度降低時， 顯著降低， 略有降低。隨著溫度升高， 降低。相應地，V 和 同時發(fā)生變化。光伏的功率極限由 和 相乘得到，最大輸出功率與功率極限的比值稱為光伏組件的填充系數(shù)，該值主要由內(nèi)部等效電阻和PN結(jié)材料決定，可用于衡量電池性能：

(a）TW Solar-TW210Y212A（半型光伏電池）I-V曲線

（b）TW Solar-TW210Y212A（半型光伏電池）規(guī)范

圖6 210光伏電池-（a）I-V曲線（b）規(guī)格 （TW Solar-TW210Y212A（半型光伏電池））

實現(xiàn)MPPT的算法有很多，其中最簡單的方法是電壓反饋法，即預先測試特定光強下的最大功率點電壓，通過調(diào)整光伏端電壓來達到最大功率點，但當環(huán)境變化，效率損失比較大；最常用的方法是擾動觀察法，即通過改變負載來觀察光伏輸出的變化，并進一步調(diào)整輸出功率到最大點，但這也會造成不斷的功率損耗。其他方法如功率反饋和增量電導也是類似的思路。

雖然 MPPT 可以通過多種方式實現(xiàn)，在某些應用中也被稱為功率優(yōu)化器，但從電路形式上看，基本都是通過 Boost 電路來調(diào)節(jié)，因為它始終工作在持續(xù)輸入電流的狀態(tài)，而無需在 PV 兩端加大體積的儲能電容（穩(wěn)定的 DC/DC 輸入電壓）。另外，對于后級的DC/AC逆變器，可以提供高穩(wěn)定電壓，實現(xiàn)高逆變效率。此外，開關(guān)場效應管的一端便于接地驅(qū)動。PV輸出電壓可以通過調(diào)整升壓轉(zhuǎn)換的占空比DC%來控制（圖7）：

當 PV 電壓達到 （最大值）時，占空比 (DC%) 達到最低值。而當DC%逐漸增加時，光伏電壓向低端移動并最終達到最大功率點V p。 通常分布式光伏板陣列的輸出電壓在60-300V之間?？紤]到后級DC/AC逆變器效率，微并網(wǎng)逆變器（輸出220Vac）一般要求達到400～600V；分布式組串式逆變器（輸出可能為380Vac）達到600-800V（通常為700V）；集中式逆變器達到700-1500V。對于大功率（如>100KW）系列的2電平、3電平和多電平單相或三相逆變器或集中式逆變器，輸入電流通過匯流箱直接逆變到電網(wǎng)，所以一般沒有MPPT。但優(yōu)化后的光伏發(fā)電會根據(jù)需要在電流匯流箱中設置MPPT功能進行平衡控制。

圖7 MPPT控制的等效升壓級

MPPT控制所需的升壓電感值 _ 應滿足轉(zhuǎn)換器電路處于CCM工作（連續(xù)電感電流模式）的要求，使PV工作在最佳狀態(tài)，同時降低輸入旁路電容。此外，電感值應足夠大，以減少開關(guān)的影響MPPT控制中的FET-Q。它的值應滿足：

例1：忽略轉(zhuǎn)換效率，如果DC-link提供700Vx1A的逆變電源，光伏裝置可以支持的最大功率為700W=170Vx4.12A，開關(guān)頻率為20KHz，如果光伏的開路電壓電池為 Uoc=195V，則：

所需的相應最小電感值為：

最大電感電流為：

電感電流的 RMS 值為：

因此，升壓電感所需的參數(shù)可以定義為1mH，飽和電流9A，溫升電流7A（40K溫升），并留有適當?shù)挠嗔俊τ谏龎弘姼?，兩端的最大電壓為V ? pv和 二者當中的較高值，當最大電壓值為530V時則可以設為600V。對于 PV 終端電路，IEC 62109-1 中定義了 II 類瞬態(tài)過電壓范圍，適用于 2500Vdc 瞬態(tài)過電壓，因此需要滿足 1.6mm 的間隙（例如引腳到引腳的距離）。

以上是功率電感生產(chǎn)廠家講解的“在光伏中進行功率轉(zhuǎn)換及應用的磁性元件上篇”，下篇可在科達嘉發(fā)布的文章中找到，一次更新完畢。

審核編輯黃宇