“光儲直柔”建筑案例特征分析及系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)問題探討*

孫冬梅 康 靖 郝 斌 李雨桐 于海超 孫 林

(深圳市建筑科學(xué)研究院股份有限公司,深圳)

0 引言

實現(xiàn)2030碳達峰、2060碳中和的發(fā)展目標是黨中央作出的重大戰(zhàn)略決策。2021年10月24日,中共中央和國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》指出:到2060年我國的非化石能源比重達80%以上,并著重指出大力發(fā)展低碳建筑,深化可再生能源建筑的應(yīng)用。然而可再生能源發(fā)電的隨機性、波動性將對城市電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行帶來極大的挑戰(zhàn),制約了可再生能源大規(guī)模的應(yīng)用[1]。大規(guī)模可再生能源的發(fā)展必然要求電網(wǎng)系統(tǒng)“源、網(wǎng)、荷、儲”協(xié)調(diào)運行,否則將導(dǎo)致可再生能源出力與終端負荷時空錯配等問題[2]。

“光儲直柔”(photovoltaic,energy storage,direct current and flexibility,PEDF)是集建筑光伏、分布式儲能、直流配電、柔性用電于一體的新型建筑配電系統(tǒng)[2]。“光儲直柔”建筑可以充分利用建筑光伏、儲能電池及電動汽車蓄電池、柔性用電設(shè)備等靈活性(energy flexibility,EF)資源,使建筑從剛性負載轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝载撦d,并能根據(jù)電力供需關(guān)系調(diào)節(jié)建筑用電功率或光伏發(fā)電功率,實現(xiàn)“荷隨源動”,從而有效解決太陽能光伏發(fā)電功率與建筑終端用電功率時空錯配難題,促進建筑光伏發(fā)電本地消納,提高電網(wǎng)供電安全性、穩(wěn)定性和可靠性,對于實現(xiàn)零碳建筑和零碳電力都具有重要作用[1-6]。

2021年10月26日,國務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達峰行動方案》提出:要建設(shè)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,為“光儲直柔”建筑的發(fā)展目標指明了方向。2021年12月31日,工業(yè)和信息化部等五部門聯(lián)合發(fā)布的《智能光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃(2021—2025年)》提出:積極開展光伏發(fā)電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的“光儲直柔”建筑建設(shè)示范,進一步細化了“光儲直柔”建筑發(fā)展的技術(shù)路徑。2022年3月1日,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》提出:建設(shè)以“光儲直柔”為特征的新型建筑電力系統(tǒng),發(fā)展柔性用電建筑。國家各部委出臺的相關(guān)政策對發(fā)展建筑“光儲直柔”、建筑需求響應(yīng)、建筑儲能、建筑光伏等均提供了有利條件,也對合理構(gòu)建“光儲直柔”系統(tǒng)、開發(fā)“光儲直柔”關(guān)鍵設(shè)備、開展“光儲直柔”工程應(yīng)用等提出了迫切需求[7-9]。

建筑“光儲直柔”的應(yīng)用涉及建筑、電氣、暖通、電力電子、自動控制及能源經(jīng)濟等多專業(yè)、多學(xué)科、多領(lǐng)域,需要各行各業(yè)密切配合、融合發(fā)展才能實現(xiàn)。目前,建筑“光儲直柔”技術(shù)研究仍處于小規(guī)模示范應(yīng)用與探索階段[7,10],其規(guī)?；茝V應(yīng)用的場景還不明晰,“光儲直柔”系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)標準還不健全[11],不同類型建筑應(yīng)用場景下的“光儲直柔”系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)路徑如何確定[12]、系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)和電壓等級如何選擇、“光”“儲”“直”“柔”四者容量如何配置[13-15]、建筑與電網(wǎng)如何協(xié)調(diào)優(yōu)化運行調(diào)度[16-17]等仍然是困擾行業(yè)人員的關(guān)鍵問題。為此,中國建筑節(jié)能協(xié)會“光儲直柔”專業(yè)委員會組織開展了“光儲直柔”建筑示范工程案例調(diào)研,主要目的是了解我國“光儲直柔”建筑示范項目的實施情況,分析“光儲直柔”建筑示范工程的建筑分布特征和技術(shù)應(yīng)用特征,提出“光儲直柔”建筑的適宜應(yīng)用場景、系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)及電壓等級選擇建議和系統(tǒng)容量配置方法,探討“雙碳”背景下“光儲直柔”系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)路徑,為規(guī)?；苿印肮鈨χ比帷苯ㄖl(fā)展提供實踐經(jīng)驗參考。本次調(diào)研共收集了已建成、在建的“光儲直柔”建筑示范項目27個,并對其中已建成的17個典型示范項目進行建筑特征和技術(shù)應(yīng)用特征分析,建筑類型涵蓋了城市和農(nóng)村、居住建筑和公共建筑、建筑單體和園區(qū)等不同應(yīng)用場景。

1 “光儲直柔”建筑特征分析

1.1 建筑分布特征

1) 項目位置分布。

表1顯示了調(diào)研的“光儲直柔”建筑案例基本信息。從表1可知:從太陽能資源分布情況來看,17個案例中位于太陽能資源很豐富地區(qū)的建筑占23.5%,位于太陽能資源豐富地區(qū)的建筑占76.5%;從氣候區(qū)域分布來看,寒冷地區(qū)的建筑占47.0%,夏熱冬冷地區(qū)的建筑占29.5%,夏熱冬暖地區(qū)的建筑占23.5%?？梢?建筑“光儲直柔”適用于我國大部分地區(qū),從調(diào)查數(shù)據(jù)來看,太陽能資源豐富的寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)(除四川盆地)及夏熱冬暖地區(qū)應(yīng)用案例較為集中。

表1 “光儲直柔”建筑案例基本信息

2) 建筑類型分布。

從建設(shè)類型來看,新建“光儲直柔”建筑占47.0%,既有建筑直流化改造的“光儲直柔”建筑占53.0%。從建筑功能來看:辦公建筑數(shù)量最多,占52.9%;其次是農(nóng)村住宅,占23.5%;再次是產(chǎn)業(yè)園區(qū)(廠房+辦公),占11.8%;校園建筑和商業(yè)建筑各占5.9%?？梢?建筑“光儲直柔”系統(tǒng)正在逐步從新建建筑擴展到既有建筑,從城市辦公建筑推廣至商業(yè)建筑、校園、產(chǎn)業(yè)園區(qū)及農(nóng)村住宅。

3) 項目規(guī)模分布。

建筑面積≤500 m2的建筑數(shù)量占23.5%,500～3 000 m2的占35.3%,3 000～5 000 m2的占11.8%,5 000～10 000 m2的占17.6%,>10 000 m2的占11.8%?？梢?雖然目前“光儲直柔”建筑項目以中小型示范建筑為主,但已有部分產(chǎn)業(yè)園區(qū)、大型商業(yè)綜合體建筑開始應(yīng)用“光儲直柔”系統(tǒng),建筑規(guī)模達幾十萬m2數(shù)量級,說明“光儲直柔”建筑應(yīng)用規(guī)模正在從中小型單體建筑向校園、產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)?；瘧?yīng)用發(fā)展。

綜上所述:從太陽能資源利用角度來看,“光儲直柔”系統(tǒng)對我國大部分區(qū)域都適用,尤其是太陽能資源很豐富的寒冷地區(qū)和太陽能資源豐富的夏熱冬冷(除四川盆地)及夏熱冬暖地區(qū)。從建筑類型和建筑規(guī)模來看,建筑“光儲直柔”系統(tǒng)正在逐步從新建建筑擴展到既有建筑,從城市辦公建筑推廣至商業(yè)建筑、校園、產(chǎn)業(yè)園區(qū)及農(nóng)村住宅,從中小型的單體建筑向校園、產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)模化應(yīng)用發(fā)展。

1.2 “光儲直柔”技術(shù)應(yīng)用特征

1.2.1光伏技術(shù)應(yīng)用特征

光伏系統(tǒng)形式、安裝位置、組件類型及與電網(wǎng)連接方式的選擇是建筑光伏系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的主要內(nèi)容。圖1顯示了調(diào)研的“光儲直柔”建筑案例的光伏技術(shù)應(yīng)用特征分布。

圖1 光伏技術(shù)應(yīng)用特征分布

從圖1可知:

1) 調(diào)研的建筑全部采用了太陽能光伏技術(shù),并采用了與市政電網(wǎng)并網(wǎng)的連接方式。

2) 從光伏系統(tǒng)形式來看,71%的建筑采用了BAPV(光伏附著在建筑上)形式,53%的建筑采用了BIPV(光伏建筑一體化)形式。

3) 從光伏組件安裝位置來看,平面安裝(建筑屋頂或地面停車棚)的比例為100%,同時在建筑屋頂和立面安裝(玻璃幕墻或外墻)的僅12%。

4) 從光伏組件類型來看,82%的建筑采用了單晶硅雙面高效組件,18%的建筑采用了多晶硅組件,12%的建筑采用了碲化鎘薄膜組件。

可見,由于屋面接收到的太陽輻射量大、單晶硅組件效率高且成本低、單位面積的光伏發(fā)電量大、投資收益高,在建筑屋頂安裝高效單晶硅組件的BAPV形式仍是當(dāng)前建筑光伏利用的主要方式。但由于城市建筑屋頂空間有限,建筑外立面的面積是屋頂面積的數(shù)倍,隨著光伏技術(shù)的發(fā)展進步,光伏組件的效率逐步提高且成本逐漸下降,光伏組件的色彩、形狀及透光性能也將適應(yīng)建筑美觀的要求,BIPV光伏將是建筑屋頂BAPV光伏的重要補充。

1.2.2儲能技術(shù)應(yīng)用特征

儲能系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容之一是要根據(jù)儲能系統(tǒng)配置的目的、建筑光伏發(fā)電量與建筑用電量的匹配關(guān)系合理確定儲能系統(tǒng)類型和系統(tǒng)容量。

圖2顯示了儲能系統(tǒng)應(yīng)用類型分布。從圖2可知:案例中,有88.2%的建筑采用了電池儲能系統(tǒng),5.9%的建筑采用了冰蓄冷系統(tǒng),5.9%的建筑未采用儲能系統(tǒng);在采用電池儲能的建筑中,52.9%的建筑采用磷酸鐵鋰電池,23.5%的建筑采用鈦酸鋰電池,5.9%的建筑采用鉛酸電池,5.9%的建筑采用鉛碳電池和鈦酸鋰電池?？梢?電化學(xué)儲能已成為建筑儲能的主要形式,磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等鋰離子電池是建筑中應(yīng)用較廣泛的電化學(xué)儲能類型。

圖2 儲能系統(tǒng)應(yīng)用類型分布

圖3顯示了不同類型儲能電池的額定容量、功率及充放電小時率分布。從圖3可知:磷酸鐵鋰電池的額定容量在20～717 kW·h之間,額定功率在8～400 kW之間,額定充放電小時率在0.5～5 h 之間;鈦酸鋰電池的額定容量在6.6～1 600 kW·h之間,額定功率在3.3～560 kW之間,額定充放電小時率在0.1～3 h之間;鉛碳電池的20 h充放電小時率額定容量為140 kW·h,最大放電功率為120 kW,額定充放電小時率在1～20 h之間;鉛酸電池的10 h充放電小時率額定容量為150 kW·h,最大放電功率為120 kW,額定充放電小時率在4～10 h之間。因此,儲能系統(tǒng)設(shè)計時宜根據(jù)不同的儲能系統(tǒng)配置目的,綜合考慮儲能電池的技術(shù)性能及經(jīng)濟性來合理選擇電池類型:對于消納光伏、削峰填谷等能量型儲能系統(tǒng),宜選擇能量密度高、放電時間較長的電池;對于參與調(diào)峰調(diào)頻電力輔助服務(wù)等功率型儲能系統(tǒng),宜選擇功率密度大、放電時間較短的電池。

圖3 不同類型儲能電池的額定容量、功率及充放電小時率

1.2.3直流配電系統(tǒng)技術(shù)特征

直流配電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)和電壓等級的選擇是直流配電系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容,合理的系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)和電壓等級是保障供電安全性和可靠性、提高系統(tǒng)經(jīng)濟性和運行靈活性、降低系統(tǒng)輸配損耗的基礎(chǔ)[18]。

中壓直流配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)按照電源數(shù)量及線路連接方式的不同分為單端單路輻射狀、單端雙路輻射狀、單端環(huán)狀、雙端、多端樹枝狀、多端環(huán)狀,不同配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點及適用場景見表2[18]。低壓直流配電系統(tǒng)按照直流母線接線型式分為單極和雙極[19]:單極拓撲結(jié)構(gòu)簡單、建設(shè)成本低、運行控制簡單,適合用電負荷功率差異不大的場景;雙極拓撲結(jié)構(gòu)能夠以1個電壓等級提供2個供電電壓層級,有利于簡化電壓層級、提高輸配效率和供電靈活性,但雙極拓撲結(jié)構(gòu)存在正負極之間負載不平衡問題,需要安裝電壓平衡器,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建設(shè)成本高、運行控制難度大,適合供電范圍較大、用電負荷功率差異大的場景[20]。

表2 不同中壓直流配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點及適用場景[18]

直流配電系統(tǒng)按照電源與負載之間的電壓變換層級分為單級和多級,單級結(jié)構(gòu)適用于電源與負載距離較近、負載較小的場合,多級結(jié)構(gòu)適用于電源與負載距離較遠、負載較大的場合,電壓層級需要與電壓等級相適應(yīng)。GB/T 35727—2017《中低壓直流配電電壓導(dǎo)則》明確直流配電系統(tǒng)電壓等級的確定總體原則是簡化電壓等級、減少變壓層次、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并推薦中壓直流配電系統(tǒng)優(yōu)先選擇3 kV(±1.5 kV)、±3 kV、±10 kV、±35 kV,低壓直流配電系統(tǒng)優(yōu)先選擇1 500 V(±750 V)、750 V(±375 V)、220 V(±110 V)[21]。T/CABEE 030—2022《民用建筑直流配電設(shè)計標準》從民用建筑用電負荷容量、供電半徑、用電設(shè)備發(fā)展趨勢及系統(tǒng)安全性等因素綜合比較確定,推薦采用DC750 V、DC 375 V和DC 48 V 3個電壓等級[19-20]。

表3顯示了建筑直流配電系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù),圖4顯示了調(diào)研的建筑案例的直流配電系統(tǒng)電壓等級分布。

圖4 建筑直流配電系統(tǒng)電壓等級分布

表3 建筑直流配電系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

從表3和圖4可知:

1) 從中壓配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看:調(diào)研的建筑案例大部分采用了單端單路輻射狀結(jié)構(gòu),主要為中小型民用建筑(辦公建筑1～5、產(chǎn)業(yè)園2和3、農(nóng)村住宅1～3),用電負荷為3級負荷,用電負荷集中且負荷容量較小,對供電可靠性要求不高,采用單端單路輻射狀結(jié)構(gòu)是最經(jīng)濟合理的。產(chǎn)業(yè)園1是包含工業(yè)生產(chǎn)、辦公及員工宿舍的大型產(chǎn)業(yè)園區(qū),供電范圍大且負荷容量大,對供電可靠性要求較高,采用雙端結(jié)構(gòu)是合理的。農(nóng)村住宅4是包含131戶農(nóng)戶的村莊,建筑屋頂及場地均鋪滿光伏,具有供電范圍大、多點高密度分布式電源接入特點,采用多端樹枝狀結(jié)構(gòu)是符合應(yīng)用場景需求的。商業(yè)建筑供電范圍包含2棟商業(yè)建筑及地下車庫充電樁,負荷分布廣且充電樁瞬時負荷大,采用多端環(huán)狀結(jié)構(gòu)有利于提高供電可靠性,減少停電造成的經(jīng)濟損失。典型建筑直流配電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)見圖5～8。

圖6 雙端結(jié)構(gòu)(產(chǎn)業(yè)園1)

圖7 多端環(huán)狀結(jié)構(gòu)(商業(yè)建筑)

圖8 多端樹枝狀結(jié)構(gòu)(農(nóng)村住宅4)

2) 從低壓直流配電系統(tǒng)接線型式來看:調(diào)研的建筑案例中有80%采用了單極接線型式,分別為中小型民用辦公建筑2～5及7、商業(yè)建筑、農(nóng)村住宅1～4、產(chǎn)業(yè)園2和3,主要是因為建筑規(guī)模小、用電設(shè)備額定功率差異不大,所以低壓直流配電系統(tǒng)供電半徑較小、電壓層級少,采用單極接線型式即可滿足不同用電設(shè)備使用要求。大型產(chǎn)業(yè)園1因為包含工業(yè)生產(chǎn)、辦公及員工宿舍等不同類型負荷,所以供電范圍大且負荷功率差異較大,采用雙極接線型式有利于簡化電壓層級和降低輸配損耗,同時可適應(yīng)多種應(yīng)用場景的供電靈活性要求。

3) 從低壓直流配電系統(tǒng)電壓等級來看:調(diào)研的建筑案例的電壓等級以2級為主(占調(diào)研案例數(shù)量的73%),不超過3級,且電壓等級均采用了標準中的優(yōu)先推薦值DC 750 V、DC 375 V、DC 48 V。其中DC 750 V主要為光伏、儲能、充電樁、空調(diào)室外機及工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備等大功率設(shè)備供電,注重傳輸效率;DC 375 V主要為監(jiān)測展示設(shè)備(大功率展示屏、服務(wù)器等)及其他中等功率設(shè)備(微波爐、電磁爐、燒水壺等)供電;DC 48 V主要為直流空調(diào)室內(nèi)機、直流照明及其他小功率設(shè)備(IT類辦公設(shè)備、充電器、飲水機、電風(fēng)扇等)供電,側(cè)重于供電安全性;個別建筑采用了DC 220 V,主要是為了兼容原有的交流220 V變頻用電設(shè)備,避免更換終端用電設(shè)備帶來增量投資。

綜上所述,“光儲直柔”建筑的拓撲結(jié)構(gòu)和電壓等級與具體應(yīng)用場景下的用電負荷特性、分布式電源特性、供電容量、供電半徑及供電安全性、可靠性和經(jīng)濟性等因素有關(guān),需要綜合考慮多種因素合理確定。結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)標準及案例應(yīng)用情況,對于直流配電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)和電壓等級的基本規(guī)律總結(jié)如下:

1) 關(guān)于拓撲結(jié)構(gòu)選擇,單體民用建筑的中壓直流配電系統(tǒng)優(yōu)先采用單端單路輻射狀結(jié)構(gòu),多棟民用建筑的中壓直流配電系統(tǒng)可采用多端環(huán)狀結(jié)構(gòu),整村多戶并網(wǎng)的農(nóng)村住宅的中壓直流配電系統(tǒng)采用多端樹枝狀結(jié)構(gòu),民用建筑低壓直流配電系統(tǒng)優(yōu)先采用單極接線型式[20,22];大型工業(yè)園區(qū)中壓直流配電系統(tǒng)采用雙端或多端環(huán)狀結(jié)構(gòu),低壓直流配電系統(tǒng)優(yōu)先采用單極接線型式,用電設(shè)備額定功率差異較大時可采用雙極接線型式。

2) 關(guān)于電壓等級選擇,民用建筑中壓直流供配電系統(tǒng)的電壓等級不多于2級,低壓直流配電系統(tǒng)的電壓等級不多于3級,并優(yōu)先采用標準中推薦的標準電壓值。當(dāng)用電設(shè)備的額定功率在250 kW及以上時,多采用中壓直流供電;當(dāng)用電設(shè)備的額定功率在250 kW以下時,建議采用低壓直流供電[13,23]。其中:對于額定功率大于15 kW的大功率設(shè)備,宜采用DC 750 V供電,以提高供電效率;對于額定功率在500 W～15 kW之間的中等功率設(shè)備,宜采用DC 375 V供電,兼顧效率和經(jīng)濟性;對于人員頻繁使用的額定功率小于或等于500 W的小功率設(shè)備,宜采用DC 48 V供電,保障供電安全性[19-20]。

1.2.4建筑直流配電應(yīng)用場景

直流配電系統(tǒng)在建筑中發(fā)展應(yīng)用的重要內(nèi)因是建筑用電負載逐漸趨于直流化[6]。圖9顯示了調(diào)研的建筑案例的直流用電設(shè)備類型分布。從圖9可知,案例中,88%的建筑采用了直流空調(diào)、直流照明,71%的建筑采用了直流監(jiān)測展示設(shè)備(展示屏、服務(wù)器等)及其他小功率直流設(shè)備(直流辦公設(shè)備、飲水機、電風(fēng)扇、無線充電器等),65%的建筑采用了其他中等功率直流設(shè)備(微波爐、電磁爐、燒水壺等),59%的建筑采用了直流充電樁,12%的建筑采用了直流工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備?？梢?建筑中的照明、空調(diào)、IT類辦公設(shè)備及監(jiān)測展示設(shè)備、家用電器及充電樁采用直流供電已比較成熟,主要是由于這些用電設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)本身是直流驅(qū)動的或者變頻器是直流驅(qū)動的,具備直流化的良好基礎(chǔ)條件。

圖9 建筑直流用電設(shè)備類型分布

2 建筑“光儲直柔”系統(tǒng)容量配置方法

2.1 “光儲直柔”系統(tǒng)容量配置的總體原則

當(dāng)建筑采用“光儲直柔”系統(tǒng)時,建筑與電網(wǎng)的關(guān)系變成了建筑光伏、儲能、用能負荷和電網(wǎng)四者之間的關(guān)系[19-20]。因此,建筑“光儲直柔”系統(tǒng)設(shè)計方法比傳統(tǒng)的交流配電系統(tǒng)更復(fù)雜,需要根據(jù)逐時建筑光伏發(fā)電功率、建筑電網(wǎng)交互功率、儲能充放電功率和建筑用電負荷功率四者的動態(tài)能量平衡關(guān)系來確定四者的容量配置,見式(1)。

Epv,ij+Eg,ij=El,ij+Eb,ij

(1)

式中Epv,ij、Eg,ij、El,ij、Eb,ij分別為第i天j時刻的光伏發(fā)電功率、建筑電網(wǎng)交互功率、建筑用電負荷功率、儲能電池充放電功率,kW。

建筑“光儲直柔”系統(tǒng)容量配置的總體方法流程如下:

1) 根據(jù)建筑基本信息和建筑用電設(shè)備參數(shù),采用能耗模擬軟件計算全年8 760 h逐時建筑用電負荷功率;

2) 根據(jù)建筑屋頂、立面及場地可用于鋪設(shè)光伏的面積確定光伏系統(tǒng)的最大安裝面積及安裝容量,并采用光伏系統(tǒng)設(shè)計軟件模擬計算全年8 760 h逐時光伏發(fā)電功率;

3) 根據(jù)逐時建筑用電負荷功率與逐時光伏發(fā)電量的匹配關(guān)系,進行光伏消納方式分析,并結(jié)合“光儲直柔”系統(tǒng)設(shè)計目標,確定適宜的光伏安裝容量及“光儲直柔”系統(tǒng)總體技術(shù)路線;

4) 按照日能量平衡原則,確定每天的建筑電網(wǎng)交互電量,并結(jié)合“光儲直柔”系統(tǒng)優(yōu)化目標計算逐時建筑與電網(wǎng)交互功率,根據(jù)最大逐時交互功率確定建筑與電網(wǎng)交互入口AC/DC變換器的容量;

5) 根據(jù)四者能量平衡關(guān)系(見式(1))計算逐時儲能充放電功率,并根據(jù)儲能日充放電量平衡原則,確定日儲能充電量和放電量,按照最大日充電量或放電量確定儲能系統(tǒng)額定能量,再按照“儲能額定功率=儲能額定能量÷額定放電小時率”的關(guān)系確定儲能額定功率。

2.2 建筑光伏系統(tǒng)容量配置方法

由于建筑光伏發(fā)電與建筑用電在時間尺度上不同步,建筑光伏消納方式分析時不僅要分析全年建筑光伏發(fā)電量與建筑用電量的匹配關(guān)系,更重要的是要分析典型日逐時光伏發(fā)電功率與建筑用電功率的匹配關(guān)系[4-5,24],如圖10所示。光伏自消納率Rsc(self-consumption rate)和光伏自給率Rss(self-sufficiency rate)是反映建筑光伏利用技術(shù)性能的2項重要指標。Rsc是指建筑本地消納的光伏電量占光伏年總發(fā)電量的比例,Rss是指建筑本地消納的光伏電量占建筑年總用電量的比例[25],計算式見式(2)～(6)。Rsc和Rss均在0～1之間變化。Rsc越大,棄光量或需要上網(wǎng)的電量越少,光伏系統(tǒng)的能源利用效率越高。Rss越大,從電網(wǎng)購買的電量越少,光伏系統(tǒng)保障建筑用電需求的能力越強。對于具體建筑而言,可采用如圖11所示的Rsc與Rss分布圖來進行光伏消納方式分析。當(dāng)Rss等于Rsc時,建筑光伏年總發(fā)電量可以完全抵消建筑年總用電量,為凈零能耗建筑(圖11中斜線所示);當(dāng)Rss大于Rsc時,建筑光伏年總發(fā)電量大于建筑年總用電量,為光伏“上網(wǎng)輸出型”建筑(圖11中斜線上方區(qū)域);當(dāng)Rss小于Rsc時,建筑光伏年總發(fā)電量小于建筑年總用電量,為光伏“自消納型”建筑(圖11中斜線下方區(qū)域)。

圖10 典型建筑逐時用電負荷與光伏發(fā)電功率匹配關(guān)系

圖11 光伏自消納率(Rsc)與光伏自給率(Rss)分布

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(2)～(6)中Epv,u為建筑本地消納的光伏電量,kW·h;Epv為光伏年總發(fā)電量,kW·h;El為建筑年總用電量,kW·h;El,i、Epv,i、Epv,u,i分別為第i天的建筑用電量、光伏發(fā)電量、建筑本地消納的光伏電量,kW·h。

2.3 AC/DC變換器容量配置方法

建筑與電網(wǎng)交互入口AC/DC變換器的容量按照如下方法計算:

首先,按照日能量平衡原則,根據(jù)每天的建筑用電量與光伏發(fā)電量的差異確定每天的建筑電網(wǎng)交互電量(見式(7)),正值表示建筑從電網(wǎng)取電,負值表示建筑向電網(wǎng)返送電力。

然后,結(jié)合“光儲直柔”系統(tǒng)優(yōu)化目標(如經(jīng)濟運行、低碳運行、柔性調(diào)節(jié)等),計算逐時建筑電網(wǎng)交互功率。經(jīng)濟運行目標情景下,需要結(jié)合峰谷電價使系統(tǒng)年運行成本最低或年化總成本最低(見式(8));低碳運行目標情景下,需要充分利用建筑本地光伏發(fā)電抵消建筑用電使建筑從電網(wǎng)取電量最少(見式(9));柔性調(diào)節(jié)目標情景下,要求建筑電網(wǎng)交互功率與電網(wǎng)下達的目標功率的方差最小(見式(10))。

最后,根據(jù)逐時建筑電網(wǎng)交互功率的最大值確定建筑與電網(wǎng)交互入口AC/DC變換器容量(見式(11))。

Eg,i=El,i-Epv,i

(7)

minCAT=Cpv,IKpv+Cb,IKb+CAC/DC,IKAC/DC+CDC/DC,IKDC/DC+Cpv,OM+Cb,OM+CAC/DC,OM+CDC/DC,OM+12Stfptf+

(8)

(9)

(10)

(11)

式(7)～(11)中Eg,i為第i天建筑與電網(wǎng)交互電量,kW·h;CAT為系統(tǒng)年化總成本,包括初投資、運行維護成本和運行電費,元;Cpv,I、Cb,I、CAC/DC,I、CDC/DC,I分別為光伏、儲能、AC/DC變換器、DC/DC變換器的初投資,元;Kpv、Kb、KAC/DC、KDC/DC分別為光伏、儲能、AC/DC變換器、DC/DC變換器的初投資折算年金系數(shù);Cpv,OM、Cb,OM、CAC/DC,OM、CDC/DC,OM分別為光伏、儲能、AC/DC變換器、DC/DC變換器的年運行維護成本,元;Stf為變壓器容量,kV·A;ptf為變壓器容量電價,元/(kV·A·月);Eg,p,ij、Eg,m,ij、Eg,op,ij分別為峰、平、谷時段建筑與電網(wǎng)交互功率,kW;pp,ij、pm,ij、pop,ij分別為峰、平、谷時段的電量電價,元/(kW·h);Eg為年建筑與電網(wǎng)交互電量,kW·h;F(Eg,ij)為建筑電網(wǎng)交互功率與電網(wǎng)下達的目標功率的方差;Eg,o,ij為第i天j時刻電網(wǎng)下達的目標功率,kW;PAC/DC為建筑與電網(wǎng)交互入口AC/DC變換器容量,kW;ηAC/DC為AC/DC變換器的能量轉(zhuǎn)換效率。

2.4 建筑儲能系統(tǒng)容量配置方法

建筑儲能系統(tǒng)主要是為了解決一天之內(nèi)的建筑用電負荷功率與光伏發(fā)電功率不平衡、不匹配的問題[5,26]。建筑儲能系統(tǒng)容量配置方法如下:

首先,按照四者能量平衡(見式(1))計算逐時儲能充放電功率(見式(12)),正值表示儲能放電,負值表示儲能充電;

然后,計算每天的儲能放電量(見式(13))和充電量(見式(14)),按照儲能充放電量日平衡原則,取日儲能充電量和日儲能放電量中的較小值作為日儲能放電能量(見式(15));

最后,根據(jù)全年最大日儲能放電量確定儲能系統(tǒng)額定能量(見式(16)),再按照儲能電池的額定放電能量、額定放電功率與額定放電小時率的關(guān)系確定儲能額定功率(見式(17))。

Eb,ij=El,ij-Epv,ij-Eg,ij

(12)

(13)

(14)

E′b,i=min(Eb,d,i,-Eb,c,i)

(15)

(16)

(17)

式(12)～(17)中E′b,i、Eb,d,i、Eb,c,i分別為第i天儲能電池的實際放電量、計算放電量、計算充電量,kW·h;Eb,d,ij、Eb,c,ij分別為第i天j時刻儲能電池的放電功率、充電功率,kW;Eb為儲能電池的額定放電能量,kW·h;ηb為儲能電池的充放電效率;ηd為儲能電池的充放電深度;Pb為儲能電池的額定放電功率,kW;n′b為儲能電池的額定放電小時率,h。

圖12顯示了調(diào)研的建筑案例的建筑與電網(wǎng)交互入口AC/DC、光伏DC/DC、儲能DC/DC、直流負載的容量配比關(guān)系。

圖12 市電AC/DC、光伏DC/DC、儲能DC/DC、直流負載容量配比關(guān)系

從圖12可知:

1) 對于光伏“自消納型”的城市辦公建筑、商業(yè)建筑和大型產(chǎn)業(yè)園區(qū)建筑,儲能系統(tǒng)配置的目的是充分利用建筑本地光伏發(fā)電以減少從市政電網(wǎng)取電量,其AC/DC變換器容量需根據(jù)典型日從電網(wǎng)取電功率來配置。調(diào)研的辦公建筑(1～3、5、6)、商業(yè)建筑和大型產(chǎn)業(yè)園1的AC/DC變換器容量比直流負載容量降低了0～65%,符合“自消納型”“光儲直柔”建筑的容量配比關(guān)系。

2) 對于光伏“上網(wǎng)輸出型”的農(nóng)村住宅,儲能系統(tǒng)配置的目的是充分利用本地光伏發(fā)電以減少光伏上網(wǎng)電量,其AC/DC變換器容量需根據(jù)典型日光伏發(fā)電上網(wǎng)功率來配置。農(nóng)村住宅4的AC/DC變換器容量比光伏DC/DC變換器容量降低了10%,符合“上網(wǎng)輸出型”“光儲直柔”建筑的容量配比關(guān)系。農(nóng)村住宅1～3為太陽能競賽項目,不僅要實現(xiàn)并網(wǎng)運行時的產(chǎn)能建筑目標,還要實現(xiàn)離網(wǎng)運行48 h期間的建筑能源自給自足,在太陽能光伏極端不利天氣條件下,儲能系統(tǒng)需要能夠儲存2 d的建筑用電量需求,并在離網(wǎng)前一天把電充滿,此時AC/DC變換器容量根據(jù)儲能充電功率與負載用電功率之和確定,與“上網(wǎng)輸出型”的住宅有所不同。

3 “光儲直柔”建筑技術(shù)發(fā)展路徑探討

在“雙碳”背景下,“光儲直柔”建筑一方面需要充分利用建筑自身光伏發(fā)電可再生能源,減少建筑的化石能源消耗;另一方面需要減少與電網(wǎng)的雙向交互頻次,以減少對電網(wǎng)的影響,降低電力運行調(diào)度難度。因此,需要開展建筑光伏消納方式分析,明確不同類型建筑作為建筑光伏發(fā)電消納者或生產(chǎn)者的定位[4-5],確保建筑與電網(wǎng)之間是單向交互。

1) 城市辦公、商業(yè)建筑的Rsc大于Rss,為光伏“自消納型”建筑,主要是由于城市建筑用電負荷需求大,且建筑屋頂空間資源有限,建筑光伏年發(fā)電量小于建筑年用電量。因此,城市建筑“光儲直柔”系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)重點關(guān)注“儲”和“柔”,充分利用建筑分布式儲能、電動車及柔性負荷等靈活性資源,最大化利用建筑光伏發(fā)電量,實現(xiàn)光伏發(fā)電全部本地消納,不足用電量從電網(wǎng)取電補充。

2) 農(nóng)村建筑的Rsc小于Rss,為光伏“上網(wǎng)輸出型”建筑,主要是由于農(nóng)村建筑用電負荷需求較小,且有大量的建筑屋頂及庭院空間鋪設(shè)太陽能光伏板,建筑光伏年發(fā)電量大于建筑年用電量。因此,農(nóng)村建筑“光儲直柔”系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)重點關(guān)注“光伏自消納”和“上網(wǎng)輸出”兩方面問題。針對光伏自消納問題,可通過推動農(nóng)村用能電氣化增加用電需求,同時發(fā)展光伏+電動車、光伏+電動農(nóng)用機具等“光伏+”系統(tǒng),將多余的光伏發(fā)電量儲存起來供需要時使用,實現(xiàn)建筑及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電量全部由本地光伏發(fā)電量供應(yīng);本地?zé)o法消納的光伏發(fā)電量的上網(wǎng)輸出問題,可通過優(yōu)化村級直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)(如采用多端樹枝狀或環(huán)狀結(jié)構(gòu))實現(xiàn)光伏發(fā)電量跨臺區(qū)消納,進一步減少光伏上網(wǎng)電量;仍有多余的光伏發(fā)電量可通過建設(shè)村級儲能設(shè)施,在電網(wǎng)需要時上網(wǎng),從而保障電網(wǎng)供電安全性和可靠性,同時用戶也能從中獲得一定的電力需求響應(yīng)經(jīng)濟激勵。

3) 產(chǎn)業(yè)園區(qū)建筑的Rsc與Rss受建筑規(guī)模、用電負荷需求量及可用于鋪設(shè)光伏的屋頂和場地空間等影響差異較大。中小型產(chǎn)業(yè)園的Rsc小于Rss,為光伏“上網(wǎng)輸出型”建筑;大型產(chǎn)業(yè)園的Rsc大于Rss,為光伏“自消納型”建筑。因此,對于中小型產(chǎn)業(yè)園區(qū),可結(jié)合園區(qū)員工通勤需求設(shè)置電動汽車雙向充電樁,以提高建筑光伏自消納率,同時利用電動車蓄電池儲存多余的光伏發(fā)電量供建筑需要時使用,仍有多余的光伏發(fā)電量再上網(wǎng)。對于大型產(chǎn)業(yè)園區(qū),可結(jié)合員工通勤需求設(shè)置電動汽車或電動大巴車雙向充電樁,并設(shè)置一定規(guī)模的集中式儲能系統(tǒng),利用電動車蓄電池和儲能系統(tǒng)儲存白天多余的光伏發(fā)電量供晚上工業(yè)生產(chǎn)使用,最大化利用建筑光伏發(fā)電量,實現(xiàn)光伏發(fā)電全部本地消納,不足用電量從電網(wǎng)取電補充。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

1) “光儲直柔”系統(tǒng)的適宜應(yīng)用場景:“光儲直柔”適用于我國大部分地區(qū),尤其是太陽能資源很豐富的北方嚴寒、寒冷地區(qū)和太陽能資源豐富的夏熱冬冷(除四川盆地)和夏熱冬暖地區(qū),建筑類型和建筑規(guī)模正在逐步從新建建筑擴展到既有建筑,從城市辦公建筑推廣至商業(yè)建筑、校園、產(chǎn)業(yè)園區(qū)及農(nóng)村住宅,從中小型的單體建筑向校園、產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)?；瘧?yīng)用發(fā)展,建筑中的照明、空調(diào)、IT類辦公設(shè)備及監(jiān)測展示設(shè)備、家用電器和充電樁是直流化的成熟應(yīng)用場景。

2) 光伏技術(shù)應(yīng)用特征:在建筑屋頂安裝高效單晶硅組件的BAPV形式仍是當(dāng)前建筑光伏利用的主要方式,隨著光伏技術(shù)的發(fā)展進步,光伏組件的色彩、形狀及透光性能將適應(yīng)建筑美觀的要求,光伏組件的效率逐步提高且成本逐漸下降,建筑外立面BIPV光伏形式將是建筑屋頂光伏的重要補充。

3) 儲能技術(shù)應(yīng)用特征:電化學(xué)儲能是建筑儲能的主要形式,磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等鋰離子電池是建筑中應(yīng)用較廣泛的電化學(xué)儲能類型。儲能系統(tǒng)設(shè)計時宜根據(jù)儲能系統(tǒng)設(shè)計目的和應(yīng)用場景,綜合考慮儲能電池的技術(shù)性及經(jīng)濟性來合理選擇電池類型,對于消納光伏、削峰填谷等能量型儲能系統(tǒng),宜選擇能量密度高、放電時間較長的電池,對于參與調(diào)峰調(diào)頻電力輔助服務(wù)等功率型儲能系統(tǒng),宜選擇功率密度大、放電時間較短的電池。

4) 直流配電系統(tǒng)技術(shù)特征:“光儲直柔”建筑應(yīng)結(jié)合應(yīng)用場景,綜合用電負荷特性、分布式電源特性、應(yīng)用范圍、供電容量、供電半徑、供電安全性、可靠性和經(jīng)濟性等因素,合理確定直流配電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)和電壓等級。建議單體民用建筑的中壓直流配電系統(tǒng)采用單端單路輻射狀結(jié)構(gòu),多棟民用建筑可采用多端環(huán)狀結(jié)構(gòu),整村多戶并網(wǎng)的農(nóng)村住宅采用多端樹枝狀結(jié)構(gòu),大型工業(yè)園區(qū)中壓直流配電系統(tǒng)采用雙端或多端環(huán)狀結(jié)構(gòu),民用建筑低壓直流配電系統(tǒng)優(yōu)先采用單極接線型式。民用建筑中壓直流供配電系統(tǒng)的電壓等級不多于2級,低壓直流配電系統(tǒng)的電壓等級不多于3級,并優(yōu)先采用標準中推薦的標準電壓值。

5) 建筑“光儲直柔”系統(tǒng)容量配置:建筑“光儲直柔”系統(tǒng)設(shè)計時需要根據(jù)逐時建筑光伏發(fā)電功率、建筑電網(wǎng)交互功率、儲能充放電功率和建筑用電負荷功率四者的動態(tài)能量平衡關(guān)系來確定四者的容量配置。建筑光伏系統(tǒng)按照“應(yīng)裝盡裝”的總原則,并根據(jù)逐時建筑用電負荷功率與逐時光伏發(fā)電量的匹配關(guān)系確定適宜的光伏消納方式和安裝容量。建筑與電網(wǎng)交互入口AC/DC變換器容量按照日能量平衡原則,并根據(jù)建筑與電網(wǎng)最大逐時交互功率確定,光伏“自消納型”的城市辦公、商業(yè)建筑根據(jù)典型日從電網(wǎng)取電功率來配置,光伏“上網(wǎng)輸出型”的農(nóng)村建筑根據(jù)典型日光伏發(fā)電上網(wǎng)功率來配置。儲能系統(tǒng)按照日充放電量平衡原則,根據(jù)最大日充電量或放電量確定儲能系統(tǒng)容量,再按照“儲能額定功率=儲能額定容量÷充放電小時率”的關(guān)系確定儲能功率。

6) 建筑“光儲直柔”系統(tǒng)技術(shù)路徑:城市和農(nóng)村建筑的用電負荷需求和可再生能源資源條件的差異決定了其“光儲直柔”系統(tǒng)設(shè)計時的關(guān)注點應(yīng)有所不同。城市建筑“光儲直柔”系統(tǒng)設(shè)計時需重點關(guān)注“儲”和“柔”,充分利用建筑分布式儲能、電動車及柔性負荷等靈活性資源,實現(xiàn)“荷隨源動”,提高建筑光伏本地消納比例,并通過參與電力市場交易獲得額外經(jīng)濟收益。農(nóng)村建筑“光儲直柔”系統(tǒng)設(shè)計時需重點關(guān)注建筑光伏本地消納和上網(wǎng)輸出問題,通過推動農(nóng)村用能電氣化,發(fā)展光伏+電動車、農(nóng)用電機具等“光伏+”系統(tǒng),促進建筑本地光伏消納,同時通過村級直流配電網(wǎng)臺區(qū)互聯(lián)及蓄電蓄熱設(shè)施等措施實現(xiàn)不同農(nóng)戶的用電需求與光伏發(fā)電的優(yōu)化匹配,解決光伏上網(wǎng)輸出問題。

4.2 展望

建筑“光儲直柔”系統(tǒng)的規(guī)?；茝V應(yīng)用需要政策、標準、產(chǎn)品的多方面協(xié)同推進和示范工程的應(yīng)用驗證,需要進一步完善“光儲直柔”系統(tǒng)應(yīng)用的市場化激勵機制和政策,建立并完善“光儲直柔”系統(tǒng)設(shè)計、施工、檢測、評價及關(guān)鍵設(shè)備與接口標準,推動相關(guān)跨行業(yè)標準協(xié)同,加快推進建筑直流配電設(shè)備及用電設(shè)備研發(fā)及產(chǎn)品化,并將相關(guān)政策、標準、產(chǎn)品在示范工程中應(yīng)用驗證,形成針對不同應(yīng)用場景的成套技術(shù)方案、成熟產(chǎn)品及運營模式,實現(xiàn)建筑“光儲直柔”技術(shù)的商業(yè)價值。