基于BIPV的電力區(qū)域綠色倉庫建設研究分析＊

林 虎，夏樹貴，鄒曉松，袁旭峰，袁 勇

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

BIPV是將建筑和光伏發(fā)電有效結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)域倉庫是物流、人流、車輛乃至信息流和商務流的集聚點，所處位置開闊，未實現(xiàn)空間的充分利用和可再生能源的利用。區(qū)域倉庫一般采用交流供電方式，未實現(xiàn)節(jié)能供電；倉庫內(nèi)有少量電動叉車和堆垛車用以搬卸物資；物流車輛主要為燃油動力車，未采用純電動汽車。由于電網(wǎng)公司區(qū)域倉庫在功能、空間、負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。一方面，倉庫屋頂是重要的光伏發(fā)電資源，是區(qū)域倉庫實現(xiàn)節(jié)能降耗的重要途徑；另一方面，可以推進綠色區(qū)域倉庫與配送行動計劃，優(yōu)化區(qū)域倉庫的用能模式，實現(xiàn)光儲充用一體化。

1 BIPV光伏組件的原理及優(yōu)勢

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

1.1 光伏組件原理

光可以在半導體材料的不同部分之間產(chǎn)生電勢差，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)象稱為“光伏效應”。在1954年，美國的兩位科學家Chapin和Pearson，成功開發(fā)出第一個單晶硅光伏電池。同年，科學家Wicker也發(fā)現(xiàn)CaSa也具有半導體的光伏效應，并在玻璃上沉積了CdS膜，從而開發(fā)出了首個單晶硅薄膜光伏電池，該電池實現(xiàn)了太陽能到電能的轉換。開啟了光伏發(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，有效地利用太陽能電池板將太陽能轉化為電能。

1.2 光伏建筑一體化優(yōu)勢

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該是太陽能利用的最佳形式。通過光伏的簡單使用和安裝，現(xiàn)在可以將光伏與建筑物結合起來，從而為太陽能光伏發(fā)電提供更廣闊的空間。考慮到環(huán)境因素，從獨立系統(tǒng)到并網(wǎng)發(fā)電，使用較少或不使用化學蓄電池，而使用光伏發(fā)電系統(tǒng)比使用離網(wǎng)獨立光伏系統(tǒng)更為科學和環(huán)保[1]。使用太陽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，促進綠色環(huán)保并提高經(jīng)濟效益。

2 基于BIPV的電力區(qū)域綠色倉庫的建設

目前，南方電網(wǎng)公司并未采用區(qū)域倉庫沒有采用直流供電模式，也未形成基于BIPV的區(qū)域倉庫標準化設計和建設。通過本項目的開展，有助于對BIPV區(qū)域倉庫的直流供電等關鍵技術進行深入研究，形成基于光儲充用一體化的BIPV區(qū)域倉庫標準化設計，填補南方電網(wǎng)系統(tǒng)光儲充用一體化運用的技術空白。

2.1 總體方案

區(qū)域倉庫的光伏建筑一體化（BIPV）設計，在現(xiàn)有基礎上開展基于BIPV的多電壓等級直流供電技術研究，并以貴州電網(wǎng)有限責任公司銅仁供電局的區(qū)域一級混合儲備倉庫為對象建設示范工程，如圖1所示。

圖1 基于BIPV的區(qū)域倉庫

2.2 系統(tǒng)架構

該系統(tǒng)架構由光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、負載、微網(wǎng)控制系統(tǒng)五部分組成，系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構

3 光伏建筑一體化并網(wǎng)關鍵技術及影響研究

3.1 光伏建筑一體化并網(wǎng)技術

3.1.1 防孤島保護及策略

被動檢測、主動檢測及基于通信的聯(lián)鎖跳閘是檢測孤島的主要幾種方法。在電網(wǎng)發(fā)生孤島運行時，光伏系統(tǒng)電源所產(chǎn)生的電力通過逆變器連接到電網(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)的過電流保護裝置。因此，應相應修改保護裝置和策略，例如阻抗型，零序電流型，差動型或電壓型繼電保護裝置[2-3]。目前對光伏發(fā)電的防孤島策略標準并不完善，有待于提出完善的解決措施。

3.1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)控制技術

儲能系統(tǒng)作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的一個重要系統(tǒng)，起著能量的儲存與緩沖作用。基于BIPV的電力區(qū)域綠色倉庫建設的系統(tǒng)架構中配置100kWh儲能系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)分成三層 實現(xiàn)整個電池系統(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)耦合的儲能系統(tǒng)的核心組件。它的性能決定了儲能系統(tǒng)是否可以實時存儲或補償系統(tǒng)的有功或無功功率。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[4]中提出，可以將儲能控制電路連接至母線，并且可以通過檢測母線的電壓來對電池進行充電或放電。保持電源側和負載側之間的平衡，以防止電源頻率波動。此外，文獻[5]提出了一種將超級電容器和電池結合的方案。從電池輸出低功率，而高頻大功率則由超級電容器負責輸出，可以有效地減少電源頻率的波動。同時，并網(wǎng)光伏發(fā)電還有許多其他關鍵技術，例如快速負載跟蹤，頻率調節(jié)控制，基于調節(jié)的電壓調節(jié)等。

3.2 光伏建筑一體化并網(wǎng)影響

3.2.1 電能質量影響

電網(wǎng)在穩(wěn)定運行工況下，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，各負荷節(jié)點的電壓被提高，可能會使一些負荷節(jié)點電壓超過穩(wěn)定運行的臨界值，所以負荷節(jié)點電壓與光伏電源的接入位置和容量有著密切的關系。

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體器件，接入電網(wǎng)時也需要通過換流器，因此光伏發(fā)電的接入會對傳統(tǒng)配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成一定的影響，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)境和地理條件等因素影響，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)濟性。

4 總結與展望

光伏建筑一體化在投資建設和投入使用的過程中，關鍵技術有待于進一步研究與探索，在光伏發(fā)電站建設的浪潮上，光伏建筑一體化有著天然優(yōu)勢并吸引著各光伏企業(yè)的投資建設，大功率的光伏電池和裝機容量一直在呈上升趨勢，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。