基于BIPV的電力區(qū)域綠色倉(cāng)庫(kù)建設(shè)研究分析＊

林 虎，夏樹(shù)貴，鄒曉松，袁旭峰，袁 勇

(1.貴州電網(wǎng)物資有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司銅仁供電局，貴州 銅仁 554300 3.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

BIPV是將建筑和光伏發(fā)電有效結(jié)合在一起的一種新能源利用形式，不僅綠色高效還大大的減少的占地面積。目前，電網(wǎng)公司區(qū)域倉(cāng)庫(kù)是物流、人流、車(chē)輛乃至信息流和商務(wù)流的集聚點(diǎn)，所處位置開(kāi)闊，未實(shí)現(xiàn)空間的充分利用和可再生能源的利用。區(qū)域倉(cāng)庫(kù)一般采用交流供電方式，未實(shí)現(xiàn)節(jié)能供電；倉(cāng)庫(kù)內(nèi)有少量電動(dòng)叉車(chē)和堆垛車(chē)用以搬卸物資；物流車(chē)輛主要為燃油動(dòng)力車(chē)，未采用純電動(dòng)汽車(chē)。由于電網(wǎng)公司區(qū)域倉(cāng)庫(kù)在功能、空間、負(fù)荷特性等方面的特殊性，采用光伏建筑一體化（BIPV）具有天然的優(yōu)勢(shì)。一方面，倉(cāng)庫(kù)屋頂是重要的光伏發(fā)電資源，是區(qū)域倉(cāng)庫(kù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的重要途徑；另一方面，可以推進(jìn)綠色區(qū)域倉(cāng)庫(kù)與配送行動(dòng)計(jì)劃，優(yōu)化區(qū)域倉(cāng)庫(kù)的用能模式，實(shí)現(xiàn)光儲(chǔ)充用一體化。

1 BIPV光伏組件的原理及優(yōu)勢(shì)

1991年，光伏建筑一體化（BIPV）的概念被正式提出。將太陽(yáng)能組件與建筑有機(jī)的相結(jié)合，用太陽(yáng)能電池板組件代替建筑物的一部分，并將建筑，發(fā)電技術(shù)及建筑美學(xué)相互融合。

1.1 光伏組件原理

光可以在半導(dǎo)體材料的不同部分之間產(chǎn)生電勢(shì)差，造成了載流子由濃度高的一端流向濃度低的一端，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“光伏效應(yīng)”。在1954年，美國(guó)的兩位科學(xué)家Chapin和Pearson，成功開(kāi)發(fā)出第一個(gè)單晶硅光伏電池。同年，科學(xué)家Wicker也發(fā)現(xiàn)CaSa也具有半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)，并在玻璃上沉積了CdS膜，從而開(kāi)發(fā)出了首個(gè)單晶硅薄膜光伏電池，該電池實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能到電能的轉(zhuǎn)換。開(kāi)啟了光伏發(fā)電之旅。BIPV系統(tǒng)則是將光伏發(fā)電組件替換或者取代一部分建筑部位，減少光伏組件使用的占地面積，有效地利用太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。

1.2 光伏建筑一體化優(yōu)勢(shì)

因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑物的集成，即光伏建筑一體化應(yīng)該是太陽(yáng)能利用的最佳形式。通過(guò)光伏的簡(jiǎn)單使用和安裝，現(xiàn)在可以將光伏與建筑物結(jié)合起來(lái)，從而為太陽(yáng)能光伏發(fā)電提供更廣闊的空間?？紤]到環(huán)境因素，從獨(dú)立系統(tǒng)到并網(wǎng)發(fā)電，使用較少或不使用化學(xué)蓄電池，而使用光伏發(fā)電系統(tǒng)比使用離網(wǎng)獨(dú)立光伏系統(tǒng)更為科學(xué)和環(huán)保[1]。使用太陽(yáng)能組件替代或取代建筑物的屋頂和墻壁部分可以降低成本，促進(jìn)綠色環(huán)保并提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 基于BIPV的電力區(qū)域綠色倉(cāng)庫(kù)的建設(shè)

目前，南方電網(wǎng)公司并未采用區(qū)域倉(cāng)庫(kù)沒(méi)有采用直流供電模式，也未形成基于BIPV的區(qū)域倉(cāng)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和建設(shè)。通過(guò)本項(xiàng)目的開(kāi)展，有助于對(duì)BIPV區(qū)域倉(cāng)庫(kù)的直流供電等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，形成基于光儲(chǔ)充用一體化的BIPV區(qū)域倉(cāng)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，填補(bǔ)南方電網(wǎng)系統(tǒng)光儲(chǔ)充用一體化運(yùn)用的技術(shù)空白。

2.1 總體方案

區(qū)域倉(cāng)庫(kù)的光伏建筑一體化（BIPV）設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上開(kāi)展基于BIPV的多電壓等級(jí)直流供電技術(shù)研究，并以貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司銅仁供電局的區(qū)域一級(jí)混合儲(chǔ)備倉(cāng)庫(kù)為對(duì)象建設(shè)示范工程，如圖1所示。

圖1 基于BIPV的區(qū)域倉(cāng)庫(kù)

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)架構(gòu)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、負(fù)載、微網(wǎng)控制系統(tǒng)五部分組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

3 光伏建筑一體化并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及影響研究

3.1 光伏建筑一體化并網(wǎng)技術(shù)

3.1.1 防孤島保護(hù)及策略

被動(dòng)檢測(cè)、主動(dòng)檢測(cè)及基于通信的聯(lián)鎖跳閘是檢測(cè)孤島的主要幾種方法。在電網(wǎng)發(fā)生孤島運(yùn)行時(shí)，光伏系統(tǒng)電源所產(chǎn)生的電力通過(guò)逆變器連接到電網(wǎng)，從而發(fā)生故障僅提供極小的短路電流，難以激活傳統(tǒng)的過(guò)電流保護(hù)裝置。因此，應(yīng)相應(yīng)修改保護(hù)裝置和策略，例如阻抗型，零序電流型，差動(dòng)型或電壓型繼電保護(hù)裝置[2-3]。目前對(duì)光伏發(fā)電的防孤島策略標(biāo)準(zhǔn)并不完善，有待于提出完善的解決措施。

3.1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)控制技術(shù)

儲(chǔ)能系統(tǒng)作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要系統(tǒng)，起著能量的儲(chǔ)存與緩沖作用。基于BIPV的電力區(qū)域綠色倉(cāng)庫(kù)建設(shè)的系統(tǒng)架構(gòu)中配置100kWh儲(chǔ)能系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)分成三層 實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池系統(tǒng)的監(jiān)控與管理，如圖3所示。

圖3 電池管理系統(tǒng)BMS

雙向逆變器是與光伏發(fā)電系統(tǒng)耦合的儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心組件。它的性能決定了儲(chǔ)能系統(tǒng)是否可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)或補(bǔ)償系統(tǒng)的有功或無(wú)功功率。其次，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率受光照和其他因素的影響，并且不穩(wěn)定。在文獻(xiàn)[4]中提出，可以將儲(chǔ)能控制電路連接至母線，并且可以通過(guò)檢測(cè)母線的電壓來(lái)對(duì)電池進(jìn)行充電或放電。保持電源側(cè)和負(fù)載側(cè)之間的平衡，以防止電源頻率波動(dòng)。此外，文獻(xiàn)[5]提出了一種將超級(jí)電容器和電池結(jié)合的方案。從電池輸出低功率，而高頻大功率則由超級(jí)電容器負(fù)責(zé)輸出，可以有效地減少電源頻率的波動(dòng)。同時(shí)，并網(wǎng)光伏發(fā)電還有許多其他關(guān)鍵技術(shù)，例如快速負(fù)載跟蹤，頻率調(diào)節(jié)控制，基于調(diào)節(jié)的電壓調(diào)節(jié)等。

3.2 光伏建筑一體化并網(wǎng)影響

3.2.1 電能質(zhì)量影響

電網(wǎng)在穩(wěn)定運(yùn)行工況下，隨著饋線潮流方向電壓逐漸降低，光伏電壓接入配電網(wǎng)之后，線路上傳輸?shù)墓β蕼p少，各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓被提高，可能會(huì)使一些負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓超過(guò)穩(wěn)定運(yùn)行的臨界值，所以負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓與光伏電源的接入位置和容量有著密切的關(guān)系。

3.2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性影響

光伏發(fā)電的大部分組件都是半導(dǎo)體器件，接入電網(wǎng)時(shí)也需要通過(guò)換流器，因此光伏發(fā)電的接入會(huì)對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成一定的影響，如果光伏發(fā)電要大量的接入配電網(wǎng)，則需要在半器件和換流技術(shù)方面做出更多的研究。除此之外，光伏發(fā)電在很大程度上受到各種各樣的環(huán)境和地理?xiàng)l件等因素影響，限制著光伏發(fā)電的發(fā)展，也影響著電網(wǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

4 總結(jié)與展望

光伏建筑一體化在投資建設(shè)和投入使用的過(guò)程中，關(guān)鍵技術(shù)有待于進(jìn)一步研究與探索，在光伏發(fā)電站建設(shè)的浪潮上，光伏建筑一體化有著天然優(yōu)勢(shì)并吸引著各光伏企業(yè)的投資建設(shè)，大功率的光伏電池和裝機(jī)容量一直在呈上升趨勢(shì)，隨著電力電子裝備的發(fā)展，光伏建筑一體化能有效的接入電網(wǎng)并減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，這使得新能源發(fā)電有著更廣闊的發(fā)展前景。