建筑集成光伏系統(tǒng)的能量變換與控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著人們對能源危機與環(huán)境問題的日益關(guān)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(yīng)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(guān)鍵策略之一。本文從電力電子學(xué)角度對BIPV的能量變換與控制系統(tǒng)的基本分析理論和設(shè)計方法進行了研究，包括BIPV系統(tǒng)的能量變換結(jié)構(gòu)、變換拓撲、控制技術(shù)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(jié)構(gòu)的系統(tǒng)存在能量轉(zhuǎn)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(gòu)成的直流模塊式BIPV系統(tǒng)，建立了具有不同能量變換結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(gòu)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(shè)計和分析方法，針對光伏直流建筑模塊在建筑環(huán)境

4、應(yīng)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(shù)，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(dǎo)納增量法關(guān)鍵參數(shù)的工程化設(shè)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(diào)控制三個關(guān)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(diào)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(shè)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(shè)計方法；揭示了直流模塊式BIPV系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的本質(zhì)，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(diào)控制策略。 為了滿足部分建筑負荷對供電質(zhì)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(fēng)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(fù)合型BIPV系統(tǒng)，提出了三種能滿足高質(zhì)量可靠供電要求的多能源復(fù)合型BIPV系統(tǒng)的能量變換結(jié)構(gòu)，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(fù)合型BIPV系統(tǒng)能量管理的定義、系統(tǒng)構(gòu)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(fù)合型BIPV系統(tǒng)能量管理建模方法，分析了系統(tǒng)的時域