微逆變器在建筑集成光伏系統中的應用

能源危機和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴重，促使各國紛紛開(kāi)發(fā)新型可再生能源。太陽(yáng)能具有取之不盡用之不竭、清潔無(wú)污染、不受地域限制等優(yōu)點(diǎn)，大力發(fā)展和推進(jìn)太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)是解決當前能源和環(huán)境危機的有效手段。
建筑集成光伏（BIPV）系統通過(guò)將光伏組件安裝在建筑表面，實(shí)現太陽(yáng)能光伏發(fā)電與建筑的完美結合，被認為是最先進(jìn)、最具發(fā)展潛力的高科技綠色節能建筑。BIPV系統中光伏組件與建筑相結合，光伏組件不額外占用地面空間，特別適合于土地資源緊張的城市建筑；全球建筑物自身耗能約占世界總能耗的三分之一以上，采用BIPV技術(shù)，可以將建筑物從耗能型轉變?yōu)楣δ苄?，將有效緩解城市反戰與能源供應的巨大矛盾，創(chuàng )造低能耗、高舒適度的健康居住環(huán)境，實(shí)現城市建筑的可持續發(fā)展；另一方面，目前光伏組件的生產(chǎn)成本較高，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的成本遠遠高于常規能源，大大限制了光伏發(fā)電系統的發(fā)展和應用，采用BIPV系統，將光伏組件與建筑表面材料有機結合，可以大大降低光伏發(fā)電的成本，縮短投資回報周期。
BIPV系統中，光伏組件的安裝首先涉及到光伏組件的安裝角度和安裝方向問(wèn)題，安裝角度就是光伏組件的傾角問(wèn)題，傾角的選擇直接關(guān)系到光伏組件的發(fā)電效率。同一塊電池板，選擇不同的安裝角度接收到的輻射量是不一樣的，由于各個(gè)墻面朝向的問(wèn)題，不同安裝位置的光伏組件其安裝角度和方向不可能完全一致，這就決定了其發(fā)電效率、發(fā)電的瞬時(shí)功率無(wú)法保證完全一致。
BIPV系統中需要解決的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是陰影遮擋問(wèn)題。產(chǎn)生陰影的原因是多種多樣的，陰影的產(chǎn)生有隨機的，也有系統的。陰影主要來(lái)自于周?chē)ㄖ?、?shù)木的遮擋、各個(gè)光伏組件之間的相互遮擋、云層等。光伏組件的輸出特性決定了受到局部遮擋或陰影后，其發(fā)電效率將會(huì )大大減小，從而對整個(gè)系統的發(fā)電量產(chǎn)生顯著(zhù)影響。
為了使BIPV系統的發(fā)電效率最大化，除了在安裝時(shí)盡量做好規劃設計外，還需要采用合適的光伏發(fā)電系統結構。
圖1為目前BIPV系統中常用的電氣結構示意圖。圖1中，集中式系統首先根據設計的電壓和功率等級，把大量光伏組件通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)等方式連接起來(lái)，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)集中式逆變器將光伏陣列輸出的直流電能轉換為交流電能；串式和多串式系統將多個(gè)光伏組件串聯(lián)形成光伏組件串，每個(gè)串經(jīng)過(guò)一個(gè)DC-DC變換器升壓后，再經(jīng)逆變器輸出交流電能。上述三種系統中，均存在光伏組件的串聯(lián)或并聯(lián)，系統的最大功率點(diǎn)跟蹤時(shí)針對整個(gè)串進(jìn)行的，因此無(wú)法保證每個(gè)組件均運行在最大功率點(diǎn)，也無(wú)法獲得每個(gè)光伏組件的狀態(tài)信息；另一方面，由于建筑表面各個(gè)組件的安裝方向和角度不同，各個(gè)組件的發(fā)電效率彼此各不相同，采用集中式的最大功率點(diǎn)跟蹤，將大大降低系統的發(fā)電效率；當部分組件受到遮擋時(shí)，整個(gè)系統的發(fā)電效率更會(huì )嚴重降低，大大降低了系統的能量轉換效率，甚至可能形成熱斑，導致系統損壞。

圖1 建筑集成光伏系統常用電氣結構連接圖
微逆變器技術(shù)提出將逆變器直接與單個(gè)光伏組件集成，為每個(gè)光伏組件單獨配備一個(gè)具備交直流轉換功能和最大功率點(diǎn)跟蹤功能的逆變器模塊，將光伏組件發(fā)出的電能直接轉換成交流電能供交流負載使用或傳輸到電網(wǎng)。采用微逆變器取代傳統的集中式逆變器具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)保證每個(gè)組件均運行在最大功率點(diǎn)，具有很強的抗局部陰影能力；(2)將逆變器與光伏組件集成，可以實(shí)現模塊化設計、實(shí)現即插即用和熱插拔，系統擴展簡(jiǎn)單方便；(3)并網(wǎng)逆變器基本不獨立占用安裝空間，分布式安裝便于配置，能夠充分利用空間和適應不同安裝方向和角度的應用；(4)系統冗余度高、可靠性高，單個(gè)模塊失效不會(huì )對整個(gè)系統造成影響。因此，將微逆變器應用于BIPV系統可以完全適應建筑集成光伏發(fā)電系統的應用需求，適應不同光伏組件安裝角度和方位，避免局部陰影對系統發(fā)電效率產(chǎn)生的影響，實(shí)現BIPV系統發(fā)電效率的最大化。采用微逆變器的建筑光伏發(fā)電系統的結構如圖2所示。

圖2 應用微逆變器的建筑集成光伏發(fā)電系統結構
如圖2所示，微逆變器直接與光伏組件相連，將光伏組件發(fā)出的電能直接傳輸到電網(wǎng)或供本地負載使用，多個(gè)微逆變器直接并聯(lián)接入電網(wǎng)，各個(gè)微逆變器和光伏組件之間相互沒(méi)有任何影響，單個(gè)模塊失效也不會(huì )對整個(gè)系統產(chǎn)生影響。
將微逆變器技術(shù)與電力線(xiàn)載波通信技術(shù)相結合，通過(guò)電網(wǎng)交流母線(xiàn)就可以采集各個(gè)微逆變器和光伏組件的輸出功率和狀態(tài)信息，很方便的實(shí)現整個(gè)系統的監控，同時(shí)不需要額外的通信線(xiàn)路，對系統連線(xiàn)沒(méi)有任何負擔，極大的簡(jiǎn)化了系統結構。
通過(guò)上述分析，可以得出如下結論：建筑集成光伏發(fā)電系統是光伏發(fā)電應用極具發(fā)展潛力的應用方向，而傳統的集中式光伏發(fā)電系統結構無(wú)法適應建筑集成光伏發(fā)電系統的應用需求，采用微逆變器技術(shù)可以完全適應建筑集成光伏發(fā)電系統的應用需求，實(shí)現發(fā)電效率的最大化。