光电建筑一体化的微电网系统应用

李保合，李达非，潘 杰，胡长冬，王金玉

(上海太阳能科技有限公司，上海 201108)

光电建筑一体化的微电网系统应用

李保合，李达非，潘 杰，胡长冬，王金玉

(上海太阳能科技有限公司，上海 201108)

在新能源和可再生能源迅速发展的背景下，微电网技术作为重点研究方向，取得了重大了技术突破。光电建筑一体化(BIPV)是光伏技术应用的主要方面，结合新建的光电建筑一体化的微电网示范应用项目，进一步研究BIPV方式与微电网系统的规模化应用。

微网系统；储能系统；光电建筑一体化

光电建筑一体化(BIPV)是光伏技术应用的重要方向。在新能源和可再生能源迅速发展的背景下，多种能源形成的电网需要研究如何有效配置电力和保持电网的可靠性，微电网技术也就成为重点研究方向。本文通过工程对光电建筑一体化与微电网系统结合进行研究与验证。

1 光电建筑一体化(BIPV)的微电网技术

1.1微网系统的直流侧优化BIPV集成技术

结合城市建筑区域式分布的特点以及多能互补的微网发展趋势，解决微网系统在城市大规模推广应用的技术瓶颈。光伏组件与建筑一体化集成技术的研究主要从以下几个方面展开。

(1)评估和研究光伏组件安装方式和环境对微网系统运行的影响，包括光伏组件、安装结构、汇流系统、直流监控等相关内容。

(2)通过对各种构件型组件设计优化和安装对比，得出在发电效率与建筑结合最优化下的最优组合模式。

(3)针对不同的建筑风格，探索出能发挥各种类型构件外观和性能优点的最佳配合使用方式。

1.2微网能源管理控制系统的应用技术

微电网采用能源管理控制系统(EMS)通用平台对底层硬件和操作系统进行封装，获得更好的可靠性、灵活性和可移植性。能源管理控制系统按功能划分为3层结构：第一层是分布式能源(光伏、储能等)控制器[1-2]；第二层是一体化的微网保护控制系统；第三层是微网能量管理系统。能源管理控制系统的结构示意图如图1所示。

图1 能源管理控制系统的功能结构示意图

储能系统(BESS)包含双向逆变器、锂离子蓄电池组、电池保护电路及其他辅助设备，有并网模式和孤岛模式两种工作模式。并网模式中，储能系统并网运行，主要特征是BESS跟随电网频率和电压，作为电网的一个可控电流源(P/Q控制)，按照上级控制系统指令调节功率输出。孤岛模式是BESS与一个或多个发电系统并联形成一个局部的“微网”。

储能逆变系统PCS在这两种工作模式中运行，对于整个微网的稳定、可靠、高效运行具有重要的作用。

(1)削峰填谷。储能逆变器能够稳定发电源引起的功率变化，平抑间歇性电源的功率波动。在孤岛系统中，削峰填谷的目标都是维持微电网内部电源与负荷的能量平衡。

(2)具有应急独立逆变功能(EPS)。在高电能质量要求下，需要满足并网和离网的快速切换，实现重要负荷的不间断供电。

(3)低压穿越(LVRT)：当电网电压跌落至正常值20%甚至为零时，本储能逆变系统仍能保持在网运行。低压穿越(LVRT)示意图见图2。

图2 储能逆变系统的低压穿越

1.3微网系统的发电实时监控

通过微网的实时监控系统实现对负载电信息的监测，以及远程自动控制和故障保护。

(1)并网点信息监测。通过在通信介质之上设计通信自适应层，主控系统与并网点通过中间自适应层交换数据信息，为日后通信方式的扩展提供了可能，解决多并网点数据采集问题。

(2)Web技术构架。B/S构架的访问方式主要是方便用户能随时随地查看电站的运行信息，但当访问量增多时，系统的性能会逐步下降，如何能支持大量客户端的并发响应以及处理海量的电站实时和历史运行信息，将是一个难点。拟通过Web技术构架进行解决。

(3)智能数据分析。拟准备以数据分析为主线，利用模糊集、粗糙集、遗传算法和机器学习等不确定人工智能方法分析数据间的依赖关系、概率因果关系、数据分类与聚类，根据产生的结果进行判断和预测，并开发智能决策分析系统。

2 光伏建筑一体化(BIPV)的微电网关键技术

BIPV技术是将太阳能光伏组件作为建筑构件与建筑结为一体的技术[3]。

(1)BIPV光伏组件与新建建筑集成模式技术。结合各种光伏组件性能和建筑性能要求，建筑与光伏完美融合，以体现建筑美学。为适合不同的BIPV形式，需采用不同的光伏组件类型，以满足建筑效果、结构强度、采光、遮风挡雨等建筑要求，即满足建筑美学、建筑物的采光、建筑的安全性能、安装方便等要求。

(2)复杂既有建筑屋顶条件下的光伏组件安装方式技术。城市中绝大部分建筑为既有建筑，因此既有建筑屋顶的光伏组件安装方式技术是影响我国城市光伏建筑能否大规模推广的关键。

在实施光电建筑一体化时常常碰到以下问题：对于已建建筑，会要求不能破坏屋顶，即不能破坏防水层和保温层；对于不上人屋顶，在满足当地风载和雪载情况下，光伏阵列特别是支架满足强度条件下，重量越轻越好；不管对于平屋顶还是坡屋顶，均要求光伏阵列施工能快捷方便，从而降低安装成本。

3 实体项目案例应用分析

3.1实体项目简介

实体项目为某办公楼光储微电网工程，坐落于福建诏安，采用124.02 kW光伏新能源发电，系统配置储能装置。储能系统最大输出功率100 kW，设计容量约832 kWh。采用光伏发电与建筑一体化有效结合的BIPV安装方式，采用130 W单晶硅双玻透光组件，在不破坏现有办公楼主体结构的前提下减少光污染；光伏系统就地安装，就地发电，就地使用，不需要另外架设输电线路；光伏发电没有噪声，没有排放，有效地保护了环境，减少了污染，实现了建筑节能和减排。

3.2光电建筑一体化设计

新建大楼设计以双玻光伏组件代替幕墙玻璃(见图3)，组件与屋顶一体化设计安装。双玻组件由双层特制钢化玻璃压制而成，强度大，适用于光电建筑一体化设计。

图3 双玻组件

钢结构框架在工字大梁上安装就位，双玻晶硅组件用压块固定于框架上，缝隙用橡胶密封条和耐候硅酮密封胶密封固定，钢结构防腐采用氟碳漆表面防腐工艺。组件固定方式如图4所示。

图4 组件固定方式

采用光电建筑一体化设计的光伏屋顶，保持原有建筑屋顶的功能，同时增加了光伏发电以及遮阳的功能，建筑节能50%以上。BIPV设计结合玻璃幕墙工艺，使得光伏组件与大楼有机融合，保持正常采光条件的同时，通过电池片对阳光进行过滤，在室内获得柔和的可见光。

3.3微电网系统设计

该微网系统中主要由光伏发电系统、储能系统、大楼负载以及大电网组成，其结构布置图如图5所示。

图5 微网结构布置图

微网的运行方式包括离网模式、并网模式以及离网/并网模式之间的切换过程。

(1)离网模式

离网模式采用V/f 控制方法，建立并维持微网系统的电压与频率，储能输出的电压及相位取自系统的预设值，经滤波电容电压环、滤波电感电流环双环控制后产生微网控制器的PWM 信号。

(2)并网模式

大电网提供微网的电压及频率支撑，微网控制器采用P/Q 控制，以使储能单元处于适宜的荷电状态和良好的功率调节能力，或根据系统的需要向大电网吸收或输出一定的有功/无功功率，实现微网与大电网公共连接点PCC 功率潮流的相对稳定[4]。在离网运行模式的滤波电容电压环、滤波电感电流环的基础上，增加功率外环，由给定的Pc、Qc指令依次控制两个内环。

(3)离/并网模式无缝切换

微网离网运行时，当接收到并网调度指令，微网将切换至并网运行模式，快速准确的电网状态检测以及电压同步控制可以减少并网冲击，实现模式的平稳切换[5]。

微网并网运行时，当计划检修或大电网出现故障时，微网将切换至离网运行模式，储能的快速控制可以缩短系统电压及频率的过渡时间，实现模式的灵活切换[5]。

微网运行模式切换时，控制策略相应改变，其建立的V/f 与PQ 控制环节如图6所示。当采用PQ 控制时，微网控制器采用三环控制方式，利用功率控制环(并网电感电流)产生滤波电容电压环的d-q轴分量参考值udref、uqref，并引入电压前馈提高控制系统的抗扰动能力。当采用V/f 控制时，udref、uqref值由微网控制器直接给定。udref、uqref经滤波电容电压环、滤波电感电流环产生微网控制器的PWM信号。

4 结语

随着可再生能源迅速发展，多种新能源发电的结合将成为未来趋势，也带来了系统稳定性和供电可靠性的负面影响。微网系统的研发有效解决了这一问题。现代化城市对光电建筑一体化的应用有大量需求，同时对用电安全性和可靠性有更高的要求。本文以结合微网系统的光电建筑一体化实体项目，探讨新型的可再生能源应用模式。

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PEI Wei, LI Shusen, LI Huiyu, et al. Key technology and testbed for microgrid operation control[J]. Automation of Electric Power Systems,2010,34(1):94-98.

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GAO Junlin, LIU Yushan, JI Ding, et al. Solar energy hot water system and building integrated project[J]．Energy Conservation and Environmental Protection, 2006(11):34-36.

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WANG Xianwei, ZHUO Fang, YANG Meijuan. PCC seamless transfer control strategy research of hybrid-bus microgrid[J]. Power Electronics,2012,46(8):1-3.

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TANG Xisheng, DENG Wei, YI Zhiping. Research on grid-connect/islanded seamless transition of microgrid based on energy storage[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26(1)：279-284．

(本文编辑：赵艳粉)

Application of Microgrid System in Building Integrated Photo-Voltage

LI Baohe, LI Dafei, PAN Jie, HU Changdong, WANG Jinyu

(Shanghai Solar Energy Technology Co., Ltd., Shanghai 201108, China)

In the context of the rapid development of new energy and renewable energy, micro-grid technology has made great technological breakthroughs as a key research direction. BIPV (building integrated photo-voltage) is a main aspect of photovoltaic technology application. This research combines the newly-built BIPV microgrid application demonstration project, conducts the further study on the large-scale application of BIPV mode in microgrid system.

microgrid system; energy storage system; building integrated photo-voltage (BIPV)

10.11973/dlyny201704023

上海市科委项目(16DZ1203302)；上海市闵行区科委项目(2016MH183)

李保合(1967—)，男，工程师，主要从事光伏系统、微电网领域的研究与设计工作。

TU18

：A

：2095-1256(2017)04-0455-04

2017-04-15