随着经济的发展、人口的增加以及社会生产水平的提高，能源的消耗量正在持续增长。由于化石能源不可再生，长期的利用已经使其消耗了相当大的比例。当今社会，能源短缺已经成了亟待解决的问题。与此同时，随着生产力的发展，传统化石能源的不断使用对环境造成了巨大的影响，环境污染已经成为世界各国共同关注的问题。为了缓解能源短缺和环境污染造成的压力，人们正在积极寻找可再生、清洁的能源作为化石能源的替代品。其中，太阳能和传统能源相比具有储量丰富、无需运输、清洁无污染三大方面的优点，受到广泛关注。

      典型光伏发电系统分为独立型和并网型两种，主要包括光伏阵列、逆变器、控制器等部分，在独立型系统中通常还包含蓄电池。两种类型的光伏系统结构简图如图1所示。

      光伏阵列实现光电转换，输出电压较低的直流电。变换器通常包括dc-dc变换器和dc-ac逆变器两个部分，其功能是将光伏电池发出的不太稳定的直流电转换为高质量的交流电，供给负载或并入电网使用。控制器对所需要的物理量进行采样，监控光伏阵列和蓄电池的状态，并根据设定的算法产生逆变器所需的控制信号。在独立型系统中，蓄电池用来在光伏电池输出能量充足的情况下储存能量，而在光伏电池输出能量不足的情况下补给能量。

 

      随着光伏发电产业的不断发展，对于光伏系统变换器的研究也日益增多。光伏发电系统中使用的电力电子变换器主要实现最大功率点跟踪、dc-dc变换、dc-ac的逆变、蓄电池充放电控制等功能，具有多种适用于不同需要的电路拓扑形式。dc-dc变换器主要包括直流斩波器和开关电源型变换器两种。其中常见的直流斩波器有boost、buck-boost、cuk等，常见的开关电源型变换器有单端正激变换器、单端反激变换器、推挽变换器、桥式变换器等。dc-ac逆变器常见的电路形式主要有电压型逆变器、电流型逆变器、正弦波pwm逆变器等。逆变器的电平等级也分为两电平、三电平到多电平不等。

      近年来，以提高光伏系统的可靠性和工作效率为目的，众多学者对光伏变换器的结构和性能进行了深入研究。本实验室从高效率变换器的角度出发，采用了h桥级联型的多电平逆变器结构，如图2所示。图中为表述方便，利用直流电压源代替输出稳压后的光伏阵列。

      可以看出，采用h桥级联结构的逆变器主电路中共包含三个直流母线，其电压从上至下分别为 ， 和 。每个直流母线分别和一个逆变器相连，逆变器的交流侧串联输出。通过合理安排开关器件的工作状态，实现对直流母线电压的叠加，在负载侧输出阶梯状的正弦电压波形。图3示出仿真得到的三个逆变器交流测的输出电压波形，以及交流负载上的电压波形。

      采用h桥级联型结构的好处是：①由于开关器件的动作最多只会出现在交流输出的阶梯状正弦电压波形出现跳变的时刻，而在最多存在13个电平等级的情况下（此时限定在正半周期范围内），输出的电压阶梯波跳变频率的数量级仅为1~2khz。这和传统逆变器10khz~20khz的开关频率相比大幅下降，显著降低了开关损耗；②通过合理选择电平数量，输出的阶梯状正弦电压波形可以非常接近正弦波，有效地降低了谐波含量，输出侧的滤波环节可以得到大幅简化；③利用多电平叠加的方法实现高电压，无需使用变压器，减小了设备的体积和重量。

 

      太阳能电池板是光伏发电系统中的重要部件，现在已有众多厂商从事其生产和销售工作。在世界范围内，太阳能电池板的年均总产量已经超过了4000mw，其中以德国、日本和中国的产量最大。在中国范围内，从事太阳能电池板生产的公司为数众多。以2007年的数据为例，无锡尚德公司的电池板产量为327.0mw/年，位居全国第一。同样在2007年，在世界范围内的产量排行中，该公司位居第三。从这样的实例中我们可以看出，中国在太阳能电池板生产方面已经具有了相当大的规模。从产量上讲，在世界范围内处于领先地位。

      在世界范围内的产量排行中，该公司位居第三。从这样的实例中我们可以看出，中国在太阳能电池板生产方面已经具有了相当大的规模。从产量上讲，在世界范围内处于领先地位。

      然而，中国光伏发电系统的装机容量并非像光伏电池产业一样在世界范围内具有显著的优势。在2007年，中国的光伏发电系统装机容量仅为约20mw，占世界光伏总产量的1.84%，生产光伏电池总量的约98%都需要出口。当年的累计装机容量为100mw，不足世界累计安装量（约12gw）的1%。

通过上面两方面的事实可以看出，和世界领先水平相比，尽管中国光伏电池产量具有相当大的优势，但是在装机容量上仍存在很大的差距。市场份额不足是中国光伏发电产业所面临的重要问题。

      在光伏电池得到充分发展的同时，光伏控制器作为光伏系统中又一重要组件同样得到了众多厂商的关注。仅在中国就有多家公司从事光伏控制器的研发和生产，其生产的控制器功率从几千瓦到几百千瓦不等，很多产品已经投入使用。但是，在全球范围内，中国的控制器生产并不处于领先地位。整体上讲，中国的控制器生产水平落后于欧洲、日本等技术先进地区。和世界大型控制器生产厂商相比，中国的太阳能控制系统生产厂商规模较小，同时技术水平相对落后，自主创新和研发能力有待提高。

      图4为中国太阳能资源的分布图。从中可以看出，中国大部分地区具有较为丰富的太阳能资源，整体资源占有量在5000兆焦耳/（平方米·年）以上。特别是图中i号区域，太阳能资源尤为丰富，平均水平在6700兆焦耳/（平方米·年）以上。可见，中国在光伏发电产业方面的发展具有良好的资源基础。

      从中国的实际情况来讲，光伏产业的具体应用主要可以概括为以下四个方面：农村和边远地区应用；通信和工业应用；太阳能光伏产品；光伏并网发电系统。截至2005年，中国各类光伏市场累计份额如图5所示。

      现在，国内已经建成了一些示范性光伏发电系统。比如600w光伏提水系统，其输出电压为220vac，日发电量为1.8kwh，日提水量达30m3/（20m）。又如100kw并网型光伏供电系统，其输出电压为220vac，日发电量达350kwh。

      在中国光伏产业的发展过程中，主要的资金来源于政府资助。其中，由发改委、世界银行总投资2550万美元，为8.4万用户解决用电问题；由中国政府投资26亿元，为7.8万用户解决用电问题；由中国、荷兰、日本援助的光明工程，为7万用户解决用电问题。从上面的数据可以看出，中国已有的光伏产业应用实例，大都具有政府背景，为政府推动的示范性工程，距离光伏产业的商业化推广仍有一定的差距。

 

      表1为2007~2011年世界范围内光伏发电产业发展分析。从表中可以看出，光伏发电产业的发展呈现不断壮大的趋势，总产量逐年上涨。

      与此同时，由于联网供电是电力行业发展的主流方向，光伏并网发电在未来也将取得长足进展，其市场份额将不断扩大。

      在世界光伏发电产业发展大潮的带动下，中国的光伏产业也在不断壮大。2005~2010年中国光伏发电的规划目标具体显示了这一发展趋势，如图6所示。从图中可以看出，不论从年装机容量还是从累计装机容量上讲，中国的光伏产业都将以较快速度发展。

      具体到光伏发电的各项应用领域，以规划目标中2010和2020年的数据为例，中国光伏产业的累计装机容量和市场份额预测如表2所示。可见，在各项应用中，光伏发电都将得到飞速的发展。

 

      光伏发电产业具有众多优点，引起了人们越来越多的重视，很多厂商及科研机构都在对光伏产业的相关领域进行研究。本文介绍的h桥级联型光伏逆变器结构具有损耗小、效率高、可靠性强等多方面的优点，可满足光伏系统的需要。

      中国太阳能电池的生产规模在世界范围内处于领先地位，但装机容量以及市场占有率和世界领先水平相比仍有较大差距。光伏发电控制系统的生产厂商普遍规模较小，自主研发和技术创新能力薄弱，有待进一步提高以适应光伏产业的发展。

      中国虽然已经拥有光伏产业的应用实例，但基本上都是政府推动的示范性工程，并没有按照商业化运营方式投资建设的项目。随着世界范围内光伏发电产业的不断发展，中国光伏发电市场扩大的气候已经形成。随着中国市场规模的不断扩大，光伏产业必将得到飞速发展。

 

作者简介

陆晓楠，博士研究生，研究方向为电力电子变流技术。

杨仲庆，博士，研究方向为电力电子与电机控制专家系统。

黄立培，教授，博导，博士，研究方向为高性能交流电机控制、电力电子变流技术。