光儲直柔技術的特點與應用探討

楊將鐸, 張改景, 王利珍

(上海市建筑科學研究院, 上海 201108)

0 引 言

我國計劃2030年實現(xiàn)碳達峰,《國務院關于印發(fā)2030年前碳達峰行動方案的通知》中“城鄉(xiāng)建設碳達峰行動”部分明確指出:“提高建筑終端電氣化水平,建設集光伏發(fā)電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的‘光儲直柔’建筑”[1]。

柔性用電的主要功用并非節(jié)能降耗,而是以時間換空間,降低與電網(wǎng)的交互強度,實現(xiàn)較高水平的電力自治,達到撫平用電峰谷,最大限度消納可再生能源,響應電網(wǎng)需求的功用,進而促進系統(tǒng)性的減碳降耗。本文探究了光儲直柔技術的減碳技術優(yōu)勢、合理應用場景及未來發(fā)展形態(tài)。

1 交直流配電應用對比

民用級市場需求中的交直流系統(tǒng)優(yōu)勢對比如表1所示。分析項目對各項需求的關切水平,可以判斷該項目是否適合采用直流系統(tǒng)。

在樓宇配電中,直流系統(tǒng)的關鍵優(yōu)勢可以歸結為:電力自治能力、系統(tǒng)效率、可靠性和安全性。隨著分布式能源的比重上升,減少與電網(wǎng)交互能明顯提升區(qū)域電力效率。當組件耦合在母線周圍時,直流可以很好地應對無功功率流、電能質量和能源消納等問題,使得控制系統(tǒng)復雜性明顯降低。

2 直流系統(tǒng)組成及報價

常規(guī)的光儲直柔系統(tǒng)通常以直流配電柜(也稱能量路由器)為核心,銜接直流母線、變換器、整流器、保護裝置等,外接儲能、光伏和負載。若項目直流配電功率較低(通常低于60 kW),可采用標準化的一體式直流配電柜,內置電力電子器件,另外預留儲能柜和管線空間即可。某直流配電柜組成示意圖如圖1所示。

表1 民用級市場需求中的交直流系統(tǒng)優(yōu)勢對比

若項目直流配電功率較高(通常大于60 kW),部分模塊體積大幅增加,直流配電柜無法容納,會單獨將光伏變換器、市電整流器、直流保護裝置等單獨做成柜體。通過系統(tǒng)拆分,可以對直流系統(tǒng)的造價進行估計,大功率直流配電系統(tǒng)組成及硬件價格區(qū)間如圖2所示(實際價格依據(jù)項目直流配電功率、線路長度、工程實施難度、特殊要求而有所不同)。此外,直流配電系統(tǒng)的投入還包括直流配電電路設計、直流電器采購或改造溢價、每戶進線配電箱、專項驗收費用等。

圖1 某直流配電柜組成示意圖

圖2 大功率直流配電系統(tǒng)組成及硬件價格區(qū)間

3 直流技術發(fā)展階段

國內具有代表性的低壓直流配電標準包括GB/T 35727—2017《中低壓直流配電電壓導則》,TCECS 705—2020《直流照明系統(tǒng)技術規(guī)程》,T/CABEE 030—2022《民用建筑低壓直流配電設計標準》,標準內容范疇的擴大體現(xiàn)了國內市場直流系統(tǒng)應用深度的變化。江億院士認為,可預期的光儲直柔系統(tǒng)在現(xiàn)有實踐基礎上,還將發(fā)展出網(wǎng)內變功率設備、動力電池/暖通設備儲能、多直流微網(wǎng)互聯(lián)互通、電力需求側響應等特征[1]。低壓直流系統(tǒng)分階段發(fā)展如表2所示,可描述為單一負載、綜合負載、小型組網(wǎng)等階段,本文預期還包括柔性用能、動力電池儲能、直兼交、批量組網(wǎng)、交直融合等重要節(jié)點。

4 兼容交流的低壓直流配電

建筑中空調負載能耗占比高,以上海為例,公共建筑全年能耗中空調動力用電分項占比達到40%以上[5],且實際電力設計功率分配上,空調動力配電功率遠大于照明插座和其他配電功率?？紤]到未來新能源汽車的快速普及,充電樁配電將成為建筑配電的重要組成部分。

期望的建筑能量體系如圖3所示,該體系能夠高質量納入分布式能源,為大功率負載提供穩(wěn)定電力,提升系統(tǒng)轉換效率,且不影響民用交流末端負載客觀壟斷條件下的用戶體驗。

母線側和用戶末端柔性的不同實現(xiàn)方式如圖4所示。在該體系中,空調動力、儲能、充電樁等用能設備可以依據(jù)直流母線電壓變化的物理特性實時調整用電工況,實現(xiàn)分布式能源的有效管理;而包括空調末端在內的照明插座用電,通過物聯(lián)網(wǎng)和云計算方式,在不影響用戶體驗的前提下主動調控,實現(xiàn)節(jié)能降耗。

5 展 望

分布式能源及新能源充電樁的快速發(fā)展推動了建筑配電邏輯的改變,在交流配電處于絕對壟斷優(yōu)勢的客觀條件下,直流配電以其符合未來能源需求的特性被人們廣泛關注。在光儲直柔系統(tǒng)區(qū)域性普及的基礎設施背景下,可能存在產(chǎn)生幾種新的應用場景,促進能源更高效的利用。

(1) 建筑儲能(及動力電池)同標準換電。

在配電系統(tǒng)實現(xiàn)高度柔性和電力自治能力時,間歇性的余電上網(wǎng)需求目前只能通過微網(wǎng)體系進行能量交換,但是當中等距離區(qū)域組網(wǎng)存在布線阻力時,可換電的微網(wǎng)系統(tǒng)將提升區(qū)域能源利用效率。特別地,未來電池能量密度還將大幅提升,且氫能及其燃料電池很有可能成為標準更加統(tǒng)一的移動能源,如果建筑儲能能夠與動力電池同標準換電,將有效促進(建筑和區(qū)域)充電柔性、電池使用效率和出行效率。

(2) 可批量組網(wǎng)的直流配電系統(tǒng)。

受限于高度定制的現(xiàn)狀,當前直流系統(tǒng)落地后難以在用電容量上拓展。另外,若光伏及儲能功率較大,大功率電力電子變換器促進系統(tǒng)體積上升。若依托直流母線電壓變化的物理特性,完全可以利用多個具有無線通信功能的小功率變換器將光伏和儲能分流并聯(lián)到直流母線上。這樣可大幅降低空間要求,方便分布式能源并網(wǎng)和微網(wǎng)容量變更。

(3) 交直流通用的負載設計。

受限于交流220 V的壟斷地位,即便直流電壓統(tǒng)一標準,民用直流末端負載也難以獨樹一幟。目前較好的策略是在特定直流電壓水平下實現(xiàn)負載交直流通用。只有明顯降低用戶對于直流系統(tǒng)學習的成本,直流配電的市場化應用才能暢通無阻。

6 結 語

隨著分布式能源和大功率直流負載的發(fā)展,行業(yè)對低壓直流配電優(yōu)勢的理解逐漸清晰。為更好地順應時代需求,在早期探索階段,光儲直柔系統(tǒng)還將呈現(xiàn)多樣化的電網(wǎng)結構或組織形式。無論是技術、標準還是應用,這個新興行業(yè)都在快速發(fā)展,并期望為清潔、低碳、柔性用能的社會貢獻關鍵力量。