基于BIPV的电力区域绿色仓库建设研究分析＊

林 虎，夏树贵，邹晓松，袁旭峰，袁 勇

(1.贵州电网物资有限公司，贵州 贵阳 550000；2.贵州电网有限责任公司铜仁供电局，贵州 铜仁 554300 3.贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550025）

BIPV是将建筑和光伏发电有效结合在一起的一种新能源利用形式，不仅绿色高效还大大的减少的占地面积。目前，电网公司区域仓库是物流、人流、车辆乃至信息流和商务流的集聚点，所处位置开阔，未实现空间的充分利用和可再生能源的利用。区域仓库一般采用交流供电方式，未实现节能供电；仓库内有少量电动叉车和堆垛车用以搬卸物资；物流车辆主要为燃油动力车，未采用纯电动汽车。由于电网公司区域仓库在功能、空间、负荷特性等方面的特殊性，采用光伏建筑一体化（BIPV）具有天然的优势。一方面，仓库屋顶是重要的光伏发电资源，是区域仓库实现节能降耗的重要途径；另一方面，可以推进绿色区域仓库与配送行动计划，优化区域仓库的用能模式，实现光储充用一体化。

1 BIPV光伏组件的原理及优势

1991年，光伏建筑一体化（BIPV）的概念被正式提出。将太阳能组件与建筑有机的相结合，用太阳能电池板组件代替建筑物的一部分，并将建筑，发电技术及建筑美学相互融合。

1.1 光伏组件原理

光可以在半导体材料的不同部分之间产生电势差，造成了载流子由浓度高的一端流向浓度低的一端，这种现象称为“光伏效应”。在1954年，美国的两位科学家Chapin和Pearson，成功开发出第一个单晶硅光伏电池。同年，科学家Wicker也发现CaSa也具有半导体的光伏效应，并在玻璃上沉积了CdS膜，从而开发出了首个单晶硅薄膜光伏电池，该电池实现了太阳能到电能的转换。开启了光伏发电之旅。BIPV系统则是将光伏发电组件替换或者取代一部分建筑部位，减少光伏组件使用的占地面积，有效地利用太阳能电池板将太阳能转化为电能。

1.2 光伏建筑一体化优势

因此，光伏发电系统与建筑物的集成，即光伏建筑一体化应该是太阳能利用的最佳形式。通过光伏的简单使用和安装，现在可以将光伏与建筑物结合起来，从而为太阳能光伏发电提供更广阔的空间。考虑到环境因素，从独立系统到并网发电，使用较少或不使用化学蓄电池，而使用光伏发电系统比使用离网独立光伏系统更为科学和环保[1]。使用太阳能组件替代或取代建筑物的屋顶和墙壁部分可以降低成本，促进绿色环保并提高经济效益。

2 基于BIPV的电力区域绿色仓库的建设

目前，南方电网公司并未采用区域仓库没有采用直流供电模式，也未形成基于BIPV的区域仓库标准化设计和建设。通过本项目的开展，有助于对BIPV区域仓库的直流供电等关键技术进行深入研究，形成基于光储充用一体化的BIPV区域仓库标准化设计，填补南方电网系统光储充用一体化运用的技术空白。

2.1 总体方案

区域仓库的光伏建筑一体化（BIPV）设计，在现有基础上开展基于BIPV的多电压等级直流供电技术研究，并以贵州电网有限责任公司铜仁供电局的区域一级混合储备仓库为对象建设示范工程，如图1所示。

图1 基于BIPV的区域仓库

2.2 系统架构

该系统架构由光伏发电系统、储能系统、充电系统、负载、微网控制系统五部分组成，系统架构如图2所示。

图2 系统架构

3 光伏建筑一体化并网关键技术及影响研究

3.1 光伏建筑一体化并网技术

3.1.1 防孤岛保护及策略

被动检测、主动检测及基于通信的联锁跳闸是检测孤岛的主要几种方法。在电网发生孤岛运行时，光伏系统电源所产生的电力通过逆变器连接到电网，从而发生故障仅提供极小的短路电流，难以激活传统的过电流保护装置。因此，应相应修改保护装置和策略，例如阻抗型，零序电流型，差动型或电压型继电保护装置[2-3]。目前对光伏发电的防孤岛策略标准并不完善，有待于提出完善的解决措施。

3.1.2 光伏发电系统与储能系统控制技术

储能系统作为光伏发电系统的一个重要系统，起着能量的储存与缓冲作用。基于BIPV的电力区域绿色仓库建设的系统架构中配置100kWh储能系统，电池管理系统分成三层 实现整个电池系统的监控与管理，如图3所示。

图3 电池管理系统BMS

双向逆变器是与光伏发电系统耦合的储能系统的核心组件。它的性能决定了储能系统是否可以实时存储或补偿系统的有功或无功功率。其次，光伏发电系统的输出功率受光照和其他因素的影响，并且不稳定。在文献[4]中提出，可以将储能控制电路连接至母线，并且可以通过检测母线的电压来对电池进行充电或放电。保持电源侧和负载侧之间的平衡，以防止电源频率波动。此外，文献[5]提出了一种将超级电容器和电池结合的方案。从电池输出低功率，而高频大功率则由超级电容器负责输出，可以有效地减少电源频率的波动。同时，并网光伏发电还有许多其他关键技术，例如快速负载跟踪，频率调节控制，基于调节的电压调节等。

3.2 光伏建筑一体化并网影响

3.2.1 电能质量影响

电网在稳定运行工况下，随着馈线潮流方向电压逐渐降低，光伏电压接入配电网之后，线路上传输的功率减少，各负荷节点的电压被提高，可能会使一些负荷节点电压超过稳定运行的临界值，所以负荷节点电压与光伏电源的接入位置和容量有着密切的关系。

3.2.2 系统稳定性影响

光伏发电的大部分组件都是半导体器件，接入电网时也需要通过换流器，因此光伏发电的接入会对传统配电网的稳定运行造成一定的影响，如果光伏发电要大量的接入配电网，则需要在半器件和换流技术方面做出更多的研究。除此之外，光伏发电在很大程度上受到各种各样的环境和地理条件等因素影响，限制着光伏发电的发展，也影响着电网的稳定性和经济性。

4 总结与展望

光伏建筑一体化在投资建设和投入使用的过程中，关键技术有待于进一步研究与探索，在光伏发电站建设的浪潮上，光伏建筑一体化有着天然优势并吸引着各光伏企业的投资建设，大功率的光伏电池和装机容量一直在呈上升趋势，随着电力电子装备的发展，光伏建筑一体化能有效的接入电网并减少对电网的冲击，这使得新能源发电有着更广阔的发展前景。