光伏電池的理想模型可由下式表示：

其中，vt 為電池板熱電勢。

圖 3 表述在特定光照條件下電池板的伏安特性。陰影部分是電池板在相應(yīng)條件下所能夠輸出的最大功率。太陽能電池板在高輸出電壓區(qū)域，具有低內(nèi)阻特性，可以視為一系列不同等級的電壓源；在低輸出電壓區(qū)域內(nèi)，該電源有高內(nèi)阻特性，可以視為不同等級的電流源。電壓源與電流源的交匯處便是電池板在相應(yīng)條件下的最大輸出功率。在電池板的溫度保持不變的情況下，這個極大功率值會隨著光照強度的變化而變化，最大功率跟蹤要求能夠自動跟蹤電池板的工作在輸出功率極大的條件。

太陽能控制器電路拓撲
圖 4 為太陽能控制器的電路拓撲結(jié)構(gòu)，從原理上說是以及升壓斬波器，通過調(diào)整開關(guān)器件 S 的占空比，調(diào)節(jié)電池板的等效負載阻抗，實現(xiàn)對電池板的最大功率跟蹤功能。

最大功率跟蹤方法
最大功率跟蹤技術(shù)有兩種技術(shù)路線：其一是 CVT 技術(shù)，控制電池組件端口電壓近似模擬最大功率跟蹤，這種方法原理簡單但是跟蹤精度不夠；其二是 MTTP 技術(shù)，實時檢測光伏陣列輸出功率，通過調(diào)整阻抗的方式滿足最大功率跟蹤。目前，太陽能逆變器廠家廣泛采用的 MPPT 技術(shù)。目前，常用的 MTTP 方法有兩種。

（A）干擾觀測法（P&O）：
干擾觀測法每隔一定時間增加或減少電壓，通過觀測功率變化方向，來決定下一步的控制信號。如果輸出功率增加，那么繼續(xù)按照上一步電壓變化方向改變電壓，如果檢測到輸出功率減小，則改變電壓變化的方向，這樣光伏陣列的實際工作點就能逐漸接近當(dāng)前最大功率點。如果采用 DC/DC 變換器實現(xiàn) MPPT 控制，在具體實施時應(yīng)通過對占空比施加擾動來調(diào)節(jié)光伏陣列輸出電壓或電流， 從而達到跟蹤最大功率點的目的。如果采用較大的步長對占空比進行"干擾"， 這種跟蹤算法可以獲得較快的跟蹤速度，但達到穩(wěn)態(tài)后光伏陣列的實際工作點在最大功率點附近振蕩幅度比較大，造成一定的功率損失，采用較小的步長則正好相反。

B）電導(dǎo)增量法（INC）：
光伏電池在最大功率點 Pm 處 dP/dU=0，在Pm 兩端 dP/dU 均不為 0。

要使輸出功率最大，必須滿足（4）式，使陣列的電導(dǎo)變化率等于負的電導(dǎo)值。首先假設(shè)光伏陣列工作在一個給定的工作點，然后采樣光伏陣列的電壓和電流，計算 Δv=v(n)-v(n-1) 和 Δi=i(n)-i(n-1)，其中(n)表示當(dāng)前采樣值，(n-1)為前一次的采樣值；如果 Δv=0，則利用 Δi 的符號判斷最大功率點的位置；如果 Δv≠0，則依據(jù) Δi/Δv+I/V 的符號判斷。

這種跟蹤法最大的優(yōu)點是當(dāng)光伏電池的光照強度發(fā)生變化時，輸出端電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化，電壓波動較擾動觀測法小。缺點是其算法較為復(fù)雜，對硬件的要求特別是對檢測元件的精度要求比較高，因而整個系統(tǒng)的硬件成本會比較高。

太陽能逆變器及其工作原理
太陽能逆變器的電路拓撲如圖 5 所示，5-a)是單相并網(wǎng)逆變器電路拓撲，5-b)是三相并網(wǎng)逆變器電路拓撲。從電路拓撲結(jié)構(gòu)上看屬于電壓型控制逆變電路。從控制方式上屬于電流控制型電路。

電路的基本工作原理以圖 6 的單相光伏逆變電路分析。

按照正弦波和載波比較方式對 S1-S4 進行控制，交流側(cè) AB 處產(chǎn)生 SPWM 波 uAB，uAB 中含有基波分量和高次諧波，在 LS 的濾波作用下高次諧波可以忽略，當(dāng) uAB 的頻率與電網(wǎng)一致時，is 也是和電網(wǎng)一致的正弦波。在電源電壓一定的條件下，is 的幅值和相位僅有 uAB 的基波的幅值和相位決定，這樣電路可以實現(xiàn)整流、逆變以及無功補償?shù)茸饔?。圖 7 所示是電路的運行向量圖，其中 7-a)是整流運行，7-b)是逆變運行，7-c)是無功補償運行，7-d)是 Is 超前 φ 角運行。單相光伏逆變器工作在 7-b)狀態(tài)。

電路的基本控制方法
光伏逆變器對于功率因數(shù)有較高要求，為了準確實現(xiàn)高功率因數(shù)逆變，需要對輸出電流進行控制，通常的電流控制方式有兩種：其一是間接電流控制，也稱為相位幅值控制，按照圖 7 的向量關(guān)系控制輸出電流，控制原理簡單，但精度較差，一般不采用；其二是直接電流控制，給出電流指令，直接采集輸出電流反饋， 這種控制方法控制精度高，準確率好，系統(tǒng)魯棒性好，得到廣泛應(yīng)用。

監(jiān)控保護單元簡介

監(jiān)控保護單元的主要作用有：
光伏并網(wǎng)系統(tǒng)作為接入電力系統(tǒng)的裝置，需要設(shè)定合理的保護措施保護發(fā)電設(shè)備的安全以及電網(wǎng)的安全；
孤島效應(yīng)會產(chǎn)生很多不良影響，光伏系統(tǒng)作為分布式發(fā)電系統(tǒng)的典型代表， 如何準確測定孤島效應(yīng)也是監(jiān)控保護單元的重要作用；
太陽能光伏電站尤其是大規(guī)模的光伏電站往往建設(shè)在荒漠和無人區(qū)，智能電量管理和系統(tǒng)狀況檢測上報也是光伏發(fā)電系統(tǒng)需要重點考慮的因素。

并網(wǎng)保護裝置
并網(wǎng)保護裝置主要實現(xiàn)以下保護功能：低電壓保護、過電壓保護、低頻率保護、國頻率保護、過電流保護以及孤島保護策略等內(nèi)容。通常大型光伏電站需要設(shè)置冗余保護裝置，保證系統(tǒng)故障時及時處理。

孤島檢測技術(shù)
孤島效應(yīng)是指并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)斷電時，并網(wǎng)裝置仍然保持對失壓電網(wǎng)中的某一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)的某一區(qū)域處于光伏發(fā)電的孤島狀態(tài)時， 電網(wǎng)將不再控制這個電力孤島的電壓和頻率。孤島效應(yīng)會對光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的重連接制造困難，同時可能引起電氣元件以及人身安全危害，因此孤島效應(yīng)必須避免。目前常用的孤島效應(yīng)檢測方法主要有兩種，分別是被動檢測方法和主動式檢測方法。

(A)被動式孤島檢測：
孤島的發(fā)生和電網(wǎng)脫離時的負載特性及與電網(wǎng)之間的有功和無功交換有很大的關(guān)系。電網(wǎng)脫離后有功的波動會引起光伏系統(tǒng)端口電壓的變化，無功的波動會引起光伏系統(tǒng)輸出頻率的變化。電網(wǎng)脫離后，如果有功或者無功的波動比較明顯，通過監(jiān)測并網(wǎng)系統(tǒng)的端口電壓或者輸出頻率就可以檢測到孤島的發(fā)生，這就是被動式孤島檢測方法的原理。然而在電網(wǎng)脫離后，如果有功和無功的波動都很小，此時被動式檢測方法就存在檢測盲區(qū)。

（B）主動式孤島檢測：
主動式孤島檢測方法中用的比較多的是主動頻移法（AFD），其基本原理是 在并網(wǎng)系統(tǒng)輸出中加入頻率擾動，在并網(wǎng)的情況下，其頻率擾動可以被大電網(wǎng)校正回來，然而在孤島發(fā)生時，該頻率擾動可以使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，從而檢測到孤島的發(fā)生。這類方法也存在"檢測盲區(qū)"，在負載品質(zhì)因數(shù)比較高時，若電壓幅值或頻率變化范圍小于某一值，系統(tǒng)無法檢測到孤島狀態(tài)。另外，頻率擾動會引起輸出電流波形的畸變，同時分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)需要進行電能質(zhì)量治理時，頻率的擾動會對諧波補償效果造成較嚴重的影響。

智能電量管理及系統(tǒng)狀況監(jiān)控系統(tǒng)
大型光伏電站由于地處偏遠地區(qū)，常常為無人值守電站。為了準確計量電站的電能輸出及系統(tǒng)運行狀況需要設(shè)立智能電量管理及系統(tǒng)狀況監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)往往基于計算機數(shù)據(jù)處理平臺以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將分散的發(fā)電系統(tǒng)信息收集到集中控制中心進行數(shù)據(jù)分析處理工作，這部分的工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在本文中不在詳述。

結(jié)語
本文主要介紹了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析了其主要組成部件的系統(tǒng)框圖、功能。給出了最大功率跟蹤的基本原理，分析了光伏逆變器的主要電路拓撲結(jié)構(gòu)及控制方式。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)作為有可能徹底改變?nèi)藗兩畹某柤夹g(shù)，擁有美好的未來，讓我們共同期待光伏技術(shù)在明天為人類作出更大的貢獻。