建筑集成光伏系统的能量变换与控制技术研究

摘要

随着人们对能源危机与环境问题的日益关注，以清洁、可再生的太阳能为能源的建筑集成光伏（BIPV）系统的开发和应用吸引了世界各国广泛的兴趣。BIPV 将光伏发电系统与建筑物有机集成为一体，能有效降低光伏发电系统成本，缩短能量回收期，提高建筑物能效，是解决世界能源与环境问题，实现可持续发展的关键策略之一。本文从电力电子学角度对BIPV的能量变换与控制系统的基本分析理论和设计方法进行了研究，包括BIPV系统的能量变换结构、变换拓扑、控制技术和能量管理。 在BIPV系统中，光伏组件作为具有发电能力的表面建筑材料，通常有不同的安装方向和角度，且易受到周围建筑物等形成的局部阴影的影响，基于常规的集中式、串式和多串式等能量变换结构的系统存在能量转换效率低、抗阴影和光伏组件电气参数失配能力差等问题难于满足高性能BIPV的需求。为了解决上述问题，本文提出了一种由光伏直流建筑模块和集中逆变模块构成的直流模块式BIPV系统，建立了具有不同能量变换结构的BIPV系统的能效计算与评估模型，定量评估了直流模块式BIPV系统与已有的系统在局部阴影和光伏组件电气参数失配条件下的能量转换效率，比较了各种系统的综合性能。 光伏直流建筑模块是将光伏组件、表面建筑材料和具有最大功率点跟踪（MPPT）及电力线载波通信功能的高增益DC-DC 变换器集成为一体构成的新型光伏建筑材料，是直流模块式BIPV系统的核心。本文深入研究了满足光伏直流建筑模块集成需求的DC-DC 变换拓扑的选择、设计和分析方法，针对光伏直流建筑模块在建筑环境应用中面临的局部阴影问题，提出了一种基于光伏组件有源P-V 特性校正（APVC）的主动最大功率点跟踪（AMPPT）技术，将多极值点条件下光伏组件P-V 特性校正为单极值点特性，利用常规的MPPT 算法即可获得优异的跟踪性能，并给出了导纳增量法关键参数的工程化设计方法。 在直流模块式BIPV系统的集中逆变模块中存在对地漏电流、低频纹波电流以及光伏直流建筑模块与集中逆变模块的协调控制三个关键问题。本文提出了一种能有效抑制漏电流的单相混合桥式三电平逆变拓扑及其调制策略，给出了能满足并网/独立双模式运行要求的输出滤波器的设计方法；建立了低频纹波电流在直流模块式BIPV系统中的传输模型，定量分析了其对光伏组件利用率的影响，并从抑制低频纹波电流，提高MPPT 效率角度给出了集中逆变模块输入滤波电容的设计方法；揭示了直流模块式BIPV系统协调控制的本质，建立了直流母线电压控制的精确模型，研究了系统的协调控制策略。 为了满足部分建筑负荷对供电质量和可靠性的要求，将直流模块式BIPV系统的概念扩展为可高效整合风力机、燃料电池和蓄电池等其它发电和储能单元的多能源复合型BIPV系统，提出了三种能满足高质量可靠供电要求的多能源复合型BIPV系统的能量变换结构，分析了系统的能量流及独立运行模式下的供需能量平衡问题，讨论了多能源复合型BIPV系统能量管理的定义、系统构成及目标，分析了系统能量平衡控制的基本原理及并网和独立运行模式下能量管理的基本策略，研究了多能源复合型BIPV系统能量管理建模方法，分析了系统的时域稳定性。