数字化BIPV主动运维技术研究

章文浦，戴一洪，金 莎

（中国电建集团江西省电力建设有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

国家关于“碳中和”已经有了明确的顶层设计，而BIPV项目的优势就是符合国家产业政策，2020年7月，住建部、发改委等7部委局联合发布《绿色建筑创建行动方案》，要求到2022年，当年城镇新建建筑中绿色建筑面积占比要达到70%。BIPV具有众多优势：一方面通过光伏发电，可以有效降低建筑碳排放，满足环保指标，降低建筑供热和室内空调冷负荷，减少能耗，获得的碳排放指标可以增加后续的收入；另一方面，与传统建材相比，BIPV产品在保温散热、防风防水、防火防雷、抗冲击、轻量化、使用寿命等方面均具有明显优势。但BIPV产品是与建筑物结合在一起，运维过程中既要保证发电量的最大化，又要确保使用过程中不能出现安全风险，就需要考虑一系列的问题，像热斑效应、PID效应、直流拉弧、耐候性能、隐裂风险、承重问题、安全问题、消防问题等[1]。建立一套数字化的主动运维控制策略对提高BIPV发电量和提高运维过程中的安全性具有深远的意义。

1 BIPV运维难点分析

建筑一体化BIPV将光伏发电和建筑物结合在一起，兼具发电、建材和美观等功能于一身，同时也具有强度低、离人群距离近、易被遮挡和积尘、不易直接拆除或者更换等特点，导致建成之后运维过程复杂，运维工作难度较大，主要体现在以下方面。

1）考虑到透光性和制造成本，大部分建筑一体化BIPV强度较低，直接在上面行走或作业容易出现电池片隐裂，导致热斑出现，影响发电功率，也容易导致屋顶漏水，运维时处理缺陷不方便，增加了运维的复杂性；

2）建筑一体化BIPV通常建设在城区或工业厂房区，受建筑物外形、风沙和灰尘影响，组件容易被遮挡、积累灰尘，特别是在导雨槽和组件边缘容易积累灰尘，导致发电量损失和功率衰减，需要频繁进行清洗维护，运维工作量大；

3）建筑一体化BIPV的应用场景主要应用于工业厂房、屋顶、建筑物立面，人群与光伏组件板、电力系统接触紧密，如果有高电压将对人类活动和建筑物的安全构成极大的威胁。直流高电压容易拉弧引发火灾，该因素约占屋顶分布式光伏发电火灾因素的45%，直流高电压也容易导致人员的触电风险，在运维过程中安全风险很高。

4）建筑一体化BIPV在实际应用中，由于建筑物各个屋面、墙面朝向的因素，不同安装位置的光伏组件安装角度和方向不可能完全一致，这就决定了其发电效率、发电的瞬时功率无法保证完全一致，当阵列中的某一块组件受到影响时，其发电效率将会大大减小，从而对整个系统的发电量产生显著影响，运维过程中要保发电量困难很大。

2 数字化主动运维控制策略研究

针对建筑一体化BIPV运维特点，在追求发电量最大化的同时，必须要维护好建筑物和人员的安全。在科技不断发展的今天，利用互联网技术，建立数字控制模型，采用数字化手段主动干预其发电的过程将有效地提高发电效率，同时采用低电压组网的方式可以保证建筑物和人员的安全。

1）数字化组件级MPPT（最大功率点追踪）控制

在运行的组件串联电路中，每一块组件里的电流都是相同大小的，整个组串的最大电流是由电流最少的那块组件决定的，只要有一块组件的一部分受到阴影遮挡、局部损坏等原因导致电流减少，这一路组件串都会受到影响，输出电流减小，输出功率减少，组件串的发电效率将会大大减小，从而对整个系统的发电量产生显著影响，这就是“木桶效应”。将每一个组件的输出采用并联方式输出，每块组件都具有独立MPPT控制，组件之间互不干扰，使得阴影、灰尘、树叶等可能造成组件输出功率降低的因素只对本组件有影响，其他组件仍可输出最大功率[2]，整个系统可以实现最大功率输出，有效避免了“木桶效应”，数字化组件级MPPT控制通过调整每一块光电板的电压和电流，直至全部取得平衡，消除了组件的失配问题，可以提高系统20%～25%的发电量。

数字化组件级MPPT控制同时可以使整个系统具有良好的弱光效应，采用并联的方式组建电力系统，单组件启动电压在20 V左右，相比串联方式组网的组件启动电压降低了50%多，整个系统在当天早上5:00左右就可以启动发电，每天的发电时间更长，甚至在阴天也能发电，发电量自然远高于同等条件下的串联型电力系统。

2）直流侧低电压组网策略

直流侧低电压策略有效预防火灾风险。传统光伏组件采用串联方式连接，将同一组串里的光伏组件的直流输出端一个个串联起来，然后接入汇流箱或逆变器的直流侧，在逆变器的直流侧就会形成直流高电压，目前普遍采用的是1 000 V、1 500 V二个电压等级。一般的光伏系统，在光伏组件阵列和逆变器之间有数10 m长的直流高电压电缆线，中间有几十个中间连接头，如果连接头出现接触不良或质量不可靠的情况，在直流高电压的作用下容易拉弧引发火灾，据统计，光伏电站中的火灾事故80%以上是由直流侧故障引起。BIPV的运行周期在25年以上，为了避免由于直流高电压拉弧引发的火灾事故，尤其是在消防安全更加重要的建筑一体化BIPV光伏应用场景中，结合数字化MPPT控制策略，采用在直流侧只有40 V以下的直流电压的组网方式，彻底消除了建筑一体化BIPV光伏系统的直流高电压拉弧现象的发生，而且交流侧也只是常规的220 V的交流电，可消除建筑光伏安全隐患。直流高电压除了容易拉弧引发火灾外，当火灾发生后，灭火也变得更加困难。根据GB/T18 379建筑电气设备的直流电压规范，对于建设一体化光伏系统，倾向于选用直流侧电压不超过120 V的系统方案。

直流侧低电压策略有效预防人身安全风险。与传统的光伏组件产品不同，BIPV产品作为建筑一体化的建筑材料，已经与人类生活紧密相连，人与光伏组件接触紧密，为了避免对人类活动构成极大的安全威胁，BIPV的电气安全性成为重要的考量，任何高于人所能承受的安全电压的BIPV产品都会给人身安全构成威胁，真正的BIPV产品首先要在电气电压安全方面做好彻底的防范保证，无疑选择直流侧低电压的方式是最佳解决方案。

直流低电压策略降低组件PID效应。PID效应又称电势诱导衰减，是电池组件的封装材料和其上表面及下表面的材料之间、电池片与其接地金属边框之间在高电压作用下出现离子迁移，而造成组件性能衰减的现象。PID效应是长期导致组件衰减甚至严重退化的主要原因，由此引起的组件功率衰减有时甚至超过50%[3]，导致这一危害的根本原因之一就是现有的光伏组件在组建发电系统时采用串联方式，形成20～30余倍的单个组件电压，如1 000 V或1 500 V的直流高电压。直流电压越高，组件电池片的离子迁移现象越严重，PID效应越明显。采用在直流侧只有40 V以下的直流电压的方式策略，可以有效抑制组件电池片的离子迁移现象，削弱PID效应，延缓组件功率的衰减，提高发电效率，从而提升发电量，获得更高的发电收益。

3）数字化联动控制策略

故障处理准确快捷。数字化组件级MPPT控制联动监控系统，使得每一块组件都做到被监控，MLPE（组件级电力电子）技术使得系统的运维变得更加方便、快捷。系统一旦发生故障，运维人员无需爬上屋顶一块块掀开组件板来定位问题组件，只需要通过组件级的监控界面就可以实现快速定位故障组件，甚至可以进行远程操作解决问题，使故障可以第一时间处理完成，恢复发电，降低了系统的维护成本，操作更加稳定、可靠、便捷，减少了由于故障引起的发电量损失。

清洗联动优化成本。对于安装在屋顶的建筑一体化BIPV系统，为了避免对组件造成隐裂和对人身造成安全风险，应避免在组件上作业和行走，但建筑一体化BIPV系统通常都是建设在城区里，风沙、灰尘、鸟粪、遮挡等影响组件表面清洁度的因素不可避免，因此需要不定期对组件进行清洗，采用智能清洗机器人进行组件的清洗作业是最佳的选择。为了控制清洗成本，制定基于监控系统和清洗机器人联动的清洗策略模型，利用数字化手段科学分析组件由于表面清洁度降低而引起的发电量降低指标，结合清洗机器人每次作业产生的费用成本，自动计算清洗作业频次和时间段，控制清洗机器人进行作业，使整体收益最大化。

降温装置数字联动。众所周知光伏组件的发电功率有负的温度系统，数值通常在-0.38%/℃至-0.43%/℃之间，以某厂温度系数为-0.40%/℃的组件为例，温度每升高1℃，功率下降0.4%，温度每降低1℃，功率提升0.4%，而光伏组件的运行温度通常比安装地点环境温度高25℃左右，那么降低安装地点环境温度就可以有效提高光伏组件的发电功率，但同时又必须结合安装地点的气象温度统筹考虑，以保证降温装置使用的经济性。利用温度传感器采集光伏组件背板温度，将数据的数字信号导入监控系统的降温装置温度控制模型，当光伏组件背板温度达到预设的启动阀值时，启动降温装置信号发出，降温装置开始工作，组件背板温度开始降低，当光伏组件背板温度降低到停止阀值时，关闭降温装置信号发出，使降温装置停止工作。降温装置的数字联动在考虑气象条件的情况下有效降低了光伏组件的背板温度，使发电功率最大化，提升了发电量。

3 结语

文中通过对BIPV运维过程中存在的普遍问题进行分析，找出了BIPV运维过程中存在的关键问题和不足，针对这些问题和不足，研究制定了依托监控系统强大的数据分析能力，通过数字化的手段实现了对BIPV组件级的监视和控制，使得系统效率达到90%，发电量可提升20%至25%，同时可以及时发现故障或异常的组件并报警，准确定位异常组件，使故障组件可以及时处理、修复，恢复发电；采用组件直流输出端并联的方式组网，每块组件并联接入系统，直流端电压小于40 V，如此低的直流电压有效避免了由于直流高电压引起的PID效应（电势诱导衰减）而导致的系统效率降低，同时避免了高压直流电弧火花引起的火灾风险和对人员的触电风险；通过智能清洗机器人与运维平台的数据联动，分析发电量指标，优化清洗频次，节约清洗成本的同时提高总体发电量；通过数字化手段与降温装置进行联动，提高组件的发电功率，提升系统发电量。在“双碳”目标的大环境下，本方法助推了BIPV建筑成为建筑行业碳减排的重要选择和手段，无论从经济性、安全性、舒适性和运维便捷性来说，都具有广阔的实用价值和推广价值。