直流模塊在BIPV系統(tǒng)中的研究與實(shí)現(xiàn)

俞凱

摘要：當(dāng)前形勢(shì)下隨著人類對(duì)能源需求量的持續(xù)增加，使得能源危機(jī)的實(shí)際影響范圍逐漸擴(kuò)大，在此背景下，為了降低不同能源實(shí)踐應(yīng)用中的環(huán)境污染問題發(fā)生率，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，則需要注重清潔新能源—太陽能的高效利用，并落實(shí)好太陽能發(fā)電系統(tǒng)研究工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑光伏一體化（BIPV）系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用。在此期間，應(yīng)加強(qiáng)直流模塊使用，使得BIPV系統(tǒng)運(yùn)行中的能量傳輸效率得以提高，并保持該系統(tǒng)良好的擴(kuò)容效果，提升其潛在應(yīng)用價(jià)值?；诖?，本文就直流模塊在BIPV系統(tǒng)中的研究與實(shí)現(xiàn)展開論述。

關(guān)鍵詞：BIPV系統(tǒng)；直流模塊；傳輸效率；擴(kuò)容效果；能源結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）02-0045-02

注重直流模塊在BIPV系統(tǒng)中的研究，并加強(qiáng)其實(shí)現(xiàn)分析，有利于完善該系統(tǒng)運(yùn)行過程中的服務(wù)功能，使得其運(yùn)行效率及質(zhì)量能夠逐漸提高，保持其良好的實(shí)踐應(yīng)用效果。因此，需要結(jié)合直流模塊的功能特性及BIPV系統(tǒng)的實(shí)際要求，注重二者的配合使用，使得直流模塊支持下的BIPV系統(tǒng)能量傳輸效果得以改善，滿足其擴(kuò)容需求的同時(shí)為該系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 直流模塊式BIPV系統(tǒng)概述

作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的研究熱點(diǎn)之一，建筑光伏一體化（BIPV）系統(tǒng)實(shí)踐過程中的研究水平逐漸提升，為建筑能耗問題處理提供了參考依據(jù)。BIPV系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了太陽能電池與建筑物的有效結(jié)合，促使建筑物所需的電力資源能夠在太陽能光伏陣列的支持下得以滿足。在BIPV系統(tǒng)應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，注重簡單型、模塊型及集成型這三種不同結(jié)構(gòu)形式的配合使用，且在性能可靠的太陽能電池板、主控制器、人機(jī)交互界面等不同要素的支持下，確保該光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用效果良好性。

所謂的直流模塊式BIPV系統(tǒng)，是指在小功率直流模塊、大功率逆變模塊及輔助控制單元共同作用下形成的光伏發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用中具有效率高、確保太陽能電池板以最大功率輸出、可靠性高、擴(kuò)容效果好等優(yōu)勢(shì)，具有良好的市場應(yīng)用前景。同時(shí)，直流模塊式BIPV系統(tǒng)運(yùn)行中具有這些特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)中的各直流模塊具備最大功率追蹤（MPPT）功能，使得太陽能電池應(yīng)用中的最大功率輸出狀況改善，減少能量損失的同時(shí)有利于提高光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行效率；（2）因該系統(tǒng)中的直流模塊式結(jié)構(gòu)的抗局部陰影效果顯著，且光伏組件的性能可靠，使得該光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用中能夠結(jié)合建筑物的實(shí)際情況在不同的位置進(jìn)行安裝；（3）在模塊化設(shè)計(jì)方式的支持下，減少了直流模塊數(shù)量，能夠?qū)崿F(xiàn)多種能源的互補(bǔ)應(yīng)用；適用范圍廣、獨(dú)立運(yùn)行特點(diǎn)顯著、有利于實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，且能夠滿足直流模塊故障的實(shí)時(shí)診斷分析，并進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，降低該系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用中的運(yùn)行成本。基于直流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 基于直流模塊的BIPV系統(tǒng)中的最大功率跟蹤方法研究

2.1 最大功率跟蹤的原理

為了確?；谥绷髂K的BIPV系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)運(yùn)行中最大功率跟蹤（MPPT）方法的高效利用，則需要加強(qiáng)該方法的原理分析。求原理為：在光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為了實(shí)現(xiàn)太陽能電池陣列發(fā)電效率最大化，則需要將尋找太陽能電池組件的工作點(diǎn)添加到系統(tǒng)控制過程中，進(jìn)而根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境情況，對(duì)太陽能電池陣列的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，最終達(dá)到太陽能電池盡可能地以最大功率輸出的目的。這一過程即為MMP的原理。

2.2 常用的最大功率跟蹤控制方法

結(jié)合基于直流模塊的BIPV系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)其最大功率輸出進(jìn)行控制時(shí)，需要注重恒定電壓法、短路電流檢測(cè)法及擾動(dòng)觀察法的配合使用。具體表現(xiàn)為：（1）在對(duì)MPPT進(jìn)行控制時(shí)，若考慮使用恒定電壓法，則可在溫度保持恒定的前提條件下，采用系統(tǒng)所在區(qū)域光照強(qiáng)度改變的方式，確保太陽能電池組件的工作點(diǎn)基本落在同一垂直線上，從而優(yōu)化太陽能電池組件的工作性能，滿足其最大功率輸出需求。但是，這種方法實(shí)踐應(yīng)用中由于忽略了電池溫度對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中最大功率點(diǎn)的影響，使得其在MPPT控制應(yīng)用中存在著一定的局限性；（2）基于擾動(dòng)觀察法的MPPT控制。該方法應(yīng)用中是通過改變系統(tǒng)中太陽能電池陣列的輸出電壓或電流，實(shí)現(xiàn)其中系統(tǒng)最大輸出功率改變，進(jìn)而對(duì)其下一步的改不方向做出判斷。這種MPPT控制方法應(yīng)用中具有控制簡單、參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著跟蹤速度慢、系統(tǒng)工作狀態(tài)不穩(wěn)定等缺陷，需要技術(shù)人員能夠根據(jù)實(shí)際情況慎重使用該MPPT控制方法；（3）電導(dǎo)增量法支持系的MPPT控制。這種MPPT控制方法應(yīng)用較為廣泛，實(shí)踐應(yīng)用中是通過檢測(cè)太陽能電池電壓與輸出功率的特性曲線，進(jìn)而對(duì)其電導(dǎo)變化量進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)運(yùn)行中的太陽能電池組件的工作點(diǎn)，得出相應(yīng)的最大輸出功率。該MPPT控制方法具有適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，但其也有自身的不足之處：敏感性強(qiáng)、影響著系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，對(duì)電導(dǎo)增量法的依賴性強(qiáng)，實(shí)踐應(yīng)用中的判斷條件可能會(huì)發(fā)生變化等。

2.3 適用于BIPV系統(tǒng)的最大功率跟蹤方法

在恒定電壓法、短路電流檢測(cè)法及擾動(dòng)觀察法所組成的傳統(tǒng)MPPT組合控制方法的作用下，雖然能夠?yàn)楣夥l(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中最大功率輸出提供相應(yīng)的支持，但因這些方法都有自身的不足之處，一定程度上影響了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。針對(duì)這種情況，需要在基于直流模塊的BIPV系統(tǒng)運(yùn)行中注重太陽能電池陣列特性掃描法使用，即在電流掃描法和短路電流脈沖法的共同支持下，對(duì)系統(tǒng)中的所有光伏組件伏安特性曲線進(jìn)行掃描處理，從而確定光伏組件的最大功率點(diǎn)，或者在額外開關(guān)管的作用下，通過對(duì)太陽能電池組件運(yùn)行工況的深入分析，確定其最大功率點(diǎn)。

3 基于直流模塊的BIPV系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

在提升基于直流模塊BIPV系統(tǒng)運(yùn)行水平、改善其運(yùn)行工況的過程中，需要設(shè)置好與之相關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。具體表現(xiàn)為：（1）結(jié)合直流模塊式DC/DC變換器的功能特性，通過對(duì)隔離型與非隔離型變換器的比較分析，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中DC/DC變換器拓?fù)涞暮侠磉x擇，優(yōu)化其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；（2）合理使用全橋DC/DC變換器，使得系統(tǒng)運(yùn)行中輸入的低壓直流點(diǎn)能夠在高頻變壓器、整流橋等構(gòu)件的支持下，得到滿足負(fù)載要求的高壓直流電，從而實(shí)現(xiàn)基于直流模塊BIPV系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合理設(shè)置；（3）注重零電壓及零電流開關(guān)作用下移相全橋DC/DC變換器使用，避免系統(tǒng)運(yùn)行中移相控制時(shí)占空比丟失現(xiàn)象的出現(xiàn)，并減少負(fù)載波動(dòng)所造成的影響，確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

4 直流模塊在BIPV系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

在BIPV系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為了使直流模塊使用能夠達(dá)到預(yù)期效果，則需要明確直流模塊在BIPV系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)。這些要點(diǎn)包括：（1）在有效的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等要素的共同支持下，落實(shí)好包含驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路、功率主回路的直流模塊硬件電路設(shè)計(jì)工作，并在信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的作用下，構(gòu)建出功能強(qiáng)大的直流模塊系統(tǒng)，從而滿足BIPV系統(tǒng)的實(shí)際需要；（2）結(jié)合實(shí)際情況，制定出有效的直流模塊軟件控制方案，并將與之相關(guān)的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)工作落到實(shí)處，從而實(shí)現(xiàn)直流模塊在BIPV系統(tǒng)中的有效使用。

5 結(jié)語

綜上所述，BIPV系統(tǒng)構(gòu)建與運(yùn)行過程中，若能注重直流模塊的有效使用，則有利于提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，確保其性能可靠性。因此，未來BIPV系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用中應(yīng)給予直流模塊使用更多的關(guān)注，使得該系統(tǒng)的整體運(yùn)行水平能夠在長期的實(shí)踐過過程中逐漸提升，擴(kuò)大直流模塊的實(shí)踐應(yīng)用范圍。與此同時(shí)，需要加強(qiáng)基于直流模塊的BIPV系統(tǒng)運(yùn)行效果評(píng)估，以便增強(qiáng)該系統(tǒng)適用性，并優(yōu)化系統(tǒng)控制方式，使得直流模塊在BIPV系統(tǒng)應(yīng)用中能夠達(dá)到預(yù)期效果，并給予該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行更多的支持。

參考文獻(xiàn)

[1]左志遠(yuǎn).直流區(qū)域配電系統(tǒng)PCM-1模塊控制器設(shè)計(jì)[D].湖南大學(xué)，2016，（04）.

[2]吳田進(jìn).光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模塊化網(wǎng)側(cè)接口變換器研究[D].南京航空航天大學(xué)，2012，（01）.

[3]常立強(qiáng).BIPV單體光伏電池最大功率跟蹤的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010，（06）.

[4]杜立偉，申其豪.不同BIPV系統(tǒng)的收益及環(huán)境效益分析[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，（02）：10-13.

[5]李現(xiàn)輝，郝斌，肖晨.光伏建筑一體化（BIPV）系統(tǒng)生命周期成本[J].建設(shè)科技，2011，（24）：68-70.