第11章 光伏建筑一体化检测与控制系统实例

2023/3/91太阳能应用

检测与控制技术光伏建筑一体化系统介绍第11章光伏建筑一体化检测与控制系统实例11.1BIPV系统检测与控制技术介绍11.2未来发展方向11.3

目前，我国建筑面积已达到约500亿m2，每年以20亿m2的速度增加，预计到2020年还将新增300亿m2。从数量上讲，建筑能耗已接近全社会总能耗的1/3，并且随着我国城市化进程的加快，建筑能耗将继续保持增长趋势。加快可再生能源在建筑领域中的规模化应用，是降低建筑能耗、调整建筑用能结构的主要措施之一。《可再生能源中长期发展规划》中提出“建设与建筑物一体化的屋顶太阳能并网光伏发电设施”，“到2020年，全国建成2万个屋顶光伏发电项目，总容量100万kW”。

11.1光伏建筑一体化系统介绍

辽宁太阳能研究应用有限公司大楼（以下简称大楼）光伏建筑一体化系统共分5部分，如图11-1所示。图11-1大楼光伏建筑一体化结构图11.1光伏建筑一体化系统介绍

1．东侧天台图11-2东侧天台阵列照片11.1光伏建筑一体化系统介绍

2．西侧天台图11-3西侧天台阵列照片11.1光伏建筑一体化系统介绍

3．中央天台图11-4中央天台阵列照片11.1光伏建筑一体化系统介绍

4．采光顶图11-5采光顶BIPV照片11.1光伏建筑一体化系统介绍

5．玻璃幕墙图11-6幕墙BIPV照片11.2BIPV系统检测与控制技术介绍11.2.1本地监测系统本地监测系统由电压互感器、电流互感器、二次仪表、通信转换器、上位机、监控软件构成。电压和电流互感器将交流配电柜内的电压和电流变为模拟小信号传送给二次仪表；二次仪表将模拟信号转换为相应数字信号，并按照485通信协议输出；通信转换器将通信数据流由485协议转为232协议，送至上位机。上位机的监控软件由JAVA编写，实时检测大楼电站的总发电量、当前功率、电流、电压等数据，并将各种数据与当日发电量曲线显示在公司大屏幕上，如图11-7所示

11.2BIPV系统检测与控制技术介绍图11-7BIPV本地监测数据在公司LED屏幕显示11.2BIPV系统检测与控制技术介绍11.2.25kW并网逆变器控制系统安装的5kW并网逆变器包括两种，一种逆变器带有MPPT功能（MPPT集中式逆变器），另一种逆变器不带有MPPT功能（MPPT分离式逆变器）。其中分离式逆变器需要配合MPPT优化器使用，优化器。MPPT优化器能够优化每块太阳能组件的功率输出，为每一个组件独立执行最大功率点追踪（MPPT），是光伏发电优化系统中的关键设备。它具有最大能量采集转换功能、数据采集功能和通信功能，适合在不同规模的并网光伏发电系统中应用。11.2.3分布式微型光伏并网发电系统大楼采光顶部位的发电由15个微型并网发电子系统组成，称为分布式微型光伏并网发电系统，安装照片如图11-11所示。每4块45WP光伏组件与一台光伏并网微逆变器相连，将光伏组件输出的直流电直接转换为与电网同频同相的正弦波交流电，并将电能馈入电网，系统如图11-12所示，图中MAC250为并网逆变器。分布式光伏发电系统中的微逆变器对每个子系统的组件进行精确的最大功率点跟踪控制，因此，对于组件一致性要求降低。实际应用中遭遇阴影遮挡、云雾变化、污垢积累、光伏组件老化等不理想条件时，分布式微逆变器光伏发电系统可以提高多达25%的发电总量。从长期来看，系统整个生命周期内的发电效益显著提高。同时这种分布式架构可保证不会因单点故障导致整个系统失灵。11.2BIPV系统检测与控制技术介绍图11-11微型光伏并网逆变器安装照片11.2BIPV系统检测与控制技术介绍11.2.4远程监测系统远程监测系统由辐照度探头、环境温度探头、贴片热敏电阻、环境数据检测仪、智能电度表、二次仪表、通信转换器、上位机、监控软件构成。仪器设备型号及参数如表11-4所示，设备照片如图11-16所示。该系统每间隔5min实时采集一次本地辐照量、环境温度、光伏组件背板温度、发电量信息，通过二次仪表和通信模块存储至本地数据库中，并同时上传至国家可再生能源建筑应用网站上的实时显示，便于国家对光伏建筑一体化项目的调度和管理。实时显示数据如图11-15所示。远程监控设备照片如图11-16所示。11.2BIPV系统检测与控制技术介绍11.2BIPV系统检测与控制技术介绍图11-15BIPV数据在国家可再生能源建筑应用网站上的实时显示11.2BIPV系统检测与控制技术介绍11.2.5防逆流控制系统由于光伏发电系统并入市电后可能会造成市电电网的不稳定，并产生谐波污染，同时由于光伏并网发电系统所产生电量的不可调度性，因此并入市电电网问题已经成为制约光伏并网发电系统发展的重要问题之一。在大楼并网发电系统中，由于外部环境是不断变化的，为了防止光伏并网系统逆向发电，系统配置了一套防逆流控制系统。通过实时监测三相380V交流电出口侧的电压、电流信号来调节系统的发电功率，从而达到防逆流功能。防逆流控制器照片如图11-18所示，主电路板集成了FPGA、AD芯片、光耦等电子元件，通过继电器控制各并网逆变器的启停。11.2BIPV系统检测与控制技术介绍图11-18防逆流控制器照片11.2BIPV系统检测与控制技术介绍11.2.6人工调节倾角式支架系统目前光伏并网电站中太阳电池板以倾角固定式系统和自动跟踪式发电系统为主。固定式系统无法解决各季节最佳发电角度差异大的弊端，发电效率较低。单轴或双轴自动跟踪式系统虽然解决了对最佳角度的跟踪控制，但系统存在投资大、占地面积大、故障率高等缺点，实际经济效益并不明显。与自动跟踪控制系统相比，人工调节倾角系统的投入费用非常低，可靠性高，只需要适当增加人力费用，每年调整3～4次就可以获得5%以上的发电量提升。大楼楼顶电池板的支撑采用人工调节倾角式支架，角度可在0～75°之间任意调节，如图11-20所示。在电池板重量较轻的情况下，可以用手将支架托起来调节角度，当电池板较重时可以使用如图11-21所示的滚珠丝杠调节机构进行倾角调节。11.2BIPV系统检测与控制技术介绍图11-20人工可调倾角支架照片

图11-21滚珠丝杠调节结构

11.2BIPV系统检测与控制技术介绍

11.3未来发展方向（1）光伏阵列需要避免发生的一个主要问题是“热斑”效应。所谓热斑效应就是光伏电池板中一部分光伏电池单体由于长时间被遮挡，导致其产生的电流小于其他无遮挡的光伏电池单体产生的电流。这些被遮挡的单体会产生负电压，成为电路中的负载，并以热量形式消耗其他正常工作光伏电池单体产生的功率，这种热量的长时间积累会损坏光伏组件的封装材料，甚至破坏光伏电池板的物理结构，并将造成永久损坏。尽管使用旁路二极管可延长光伏电池板的寿命，但会引起其他的问题。所以需要研究先进方法比如通过安装适当数量的电流传感器来检测出光伏阵列中发生热斑现象的光伏电池板的位置。

（2）在光伏并网发电系统中，必须使发电系统的输出电压与电网电压在频率、相位、幅值上一致，而且光伏发电系统和电网间功率能够双向调节。这涉及大功率变换、功率因数校正以及高稳定性系统等问题。光伏并网发电系统并网控制的关键和难点在于既维持太阳能电池的最大功率输出，又能够达到低谐波失真的输出电流控制，因此未来的发展是将光伏系统的动态性能、系统干扰、输出波形失真综合考虑的检测控制技术。

11.3未来发展方向（3）未来最具有发展前景的方向为微型光伏逆变器和组件级光伏逆变器，该逆变器特别适用于光伏建筑一体化系统，同时可将大型光伏并网电站的系统发电效率大幅提高。英国