建筑集成光伏系統(tǒng)的能量變換與控制技術研究.pdf

1、隨著人們對能源危機與環(huán)境問題的日益關注，以清潔、可再生的太陽能為能源的建筑集成光伏（BIPV）系統(tǒng)的開發(fā)和應用吸引了世界各國廣泛的興趣。BIPV 將光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑物有機集成為一體，能有效降低光伏發(fā)電系統(tǒng)成本，縮短能量回收期，提高建筑物能效，是解決世界能源與環(huán)境問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關鍵策略之一。本文從電力電子學角度對BIPV的能量變換與控制系統(tǒng)的基本分析理論和設計方法進行了研究，包括BIPV系統(tǒng)的能量變換結構、變換拓撲、控制技術和能

2、量管理。 在BIPV系統(tǒng)中，光伏組件作為具有發(fā)電能力的表面建筑材料，通常有不同的安裝方向和角度，且易受到周圍建筑物等形成的局部陰影的影響，基于常規(guī)的集中式、串式和多串式等能量變換結構的系統(tǒng)存在能量轉換效率低、抗陰影和光伏組件電氣參數(shù)失配能力差等問題難于滿足高性能BIPV的需求。為了解決上述問題，本文提出了一種由光伏直流建筑模塊和集中逆變模塊構成的直流模塊式BIPV系統(tǒng)，建立了具有不同能量變換結構的BIPV系統(tǒng)的能效計算與評估模型

3、，定量評估了直流模塊式BIPV系統(tǒng)與已有的系統(tǒng)在局部陰影和光伏組件電氣參數(shù)失配條件下的能量轉換效率，比較了各種系統(tǒng)的綜合性能。 光伏直流建筑模塊是將光伏組件、表面建筑材料和具有最大功率點跟蹤（MPPT）及電力線載波通信功能的高增益DC-DC 變換器集成為一體構成的新型光伏建筑材料，是直流模塊式BIPV系統(tǒng)的核心。本文深入研究了滿足光伏直流建筑模塊集成需求的DC-DC 變換拓撲的選擇、設計和分析方法，針對光伏直流建筑模塊在建筑環(huán)境

4、應用中面臨的局部陰影問題，提出了一種基于光伏組件有源P-V 特性校正（APVC）的主動最大功率點跟蹤（AMPPT）技術，將多極值點條件下光伏組件P-V 特性校正為單極值點特性，利用常規(guī)的MPPT 算法即可獲得優(yōu)異的跟蹤性能，并給出了導納增量法關鍵參數(shù)的工程化設計方法。 在直流模塊式BIPV系統(tǒng)的集中逆變模塊中存在對地漏電流、低頻紋波電流以及光伏直流建筑模塊與集中逆變模塊的協(xié)調控制三個關鍵問題。本文提出了一種能有效抑制漏電流的單相

5、混合橋式三電平逆變拓撲及其調制策略，給出了能滿足并網(wǎng)/獨立雙模式運行要求的輸出濾波器的設計方法；建立了低頻紋波電流在直流模塊式BIPV系統(tǒng)中的傳輸模型，定量分析了其對光伏組件利用率的影響，并從抑制低頻紋波電流，提高MPPT 效率角度給出了集中逆變模塊輸入濾波電容的設計方法；揭示了直流模塊式BIPV系統(tǒng)協(xié)調控制的本質，建立了直流母線電壓控制的精確模型，研究了系統(tǒng)的協(xié)調控制策略。 為了滿足部分建筑負荷對供電質量和可靠性的要求，將直流模

6、塊式BIPV系統(tǒng)的概念擴展為可高效整合風力機、燃料電池和蓄電池等其它發(fā)電和儲能單元的多能源復合型BIPV系統(tǒng)，提出了三種能滿足高質量可靠供電要求的多能源復合型BIPV系統(tǒng)的能量變換結構，分析了系統(tǒng)的能量流及獨立運行模式下的供需能量平衡問題，討論了多能源復合型BIPV系統(tǒng)能量管理的定義、系統(tǒng)構成及目標，分析了系統(tǒng)能量平衡控制的基本原理及并網(wǎng)和獨立運行模式下能量管理的基本策略，研究了多能源復合型BIPV系統(tǒng)能量管理建模方法，分析了系統(tǒng)的時域