儲(chǔ)能在光伏低壓直流供電建筑中的作用和應(yīng)用

房 建 軍

（1國(guó)家能源集團(tuán)綠色能源與建筑研究中心；2北京低碳清潔能源研究院，北京102211）

在建筑電氣化發(fā)展趨勢(shì)下，建筑的電能消耗持續(xù)增長(zhǎng)。為了降低建筑能耗促進(jìn)節(jié)能減排，需要廣泛應(yīng)用可再生能源。分布式光伏是最適用于建筑的可再生能源之一，光伏系統(tǒng)可以在建筑上就地發(fā)電并且就地消納，還可以降低建筑冷熱負(fù)荷進(jìn)而降低建筑能耗[1]。光伏建筑的光伏系統(tǒng)與供電系統(tǒng)、能源需求等需要統(tǒng)籌規(guī)劃設(shè)計(jì)。光伏建筑采用低壓直流供電，配備一定容量的儲(chǔ)能，通過(guò)能量管理系統(tǒng)調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電輸出最大化，平滑光伏發(fā)電波動(dòng)，提高光伏建筑接入電網(wǎng)的友好性[2-3]。有專(zhuān)家預(yù)測(cè)，基于儲(chǔ)能的低壓直流微電網(wǎng)是未來(lái)配電網(wǎng)的主要形態(tài)[4]。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，采用低壓直流供電技術(shù)、配備儲(chǔ)能系統(tǒng)的光伏建筑將成為能源的生產(chǎn)者，在我國(guó)未來(lái)的能源領(lǐng)域占據(jù)重要的地位。

儲(chǔ)能在光伏建筑低壓直流供電系統(tǒng)中必不可少，有獨(dú)特的作用和優(yōu)勢(shì)。但是建筑儲(chǔ)能在選用原則：安全性、運(yùn)行、維護(hù)等方面與常規(guī)的儲(chǔ)能電站有很大的不同，而且目前尚缺乏針對(duì)建筑儲(chǔ)能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

本文提出儲(chǔ)能在光伏建筑低壓直流供電項(xiàng)目中的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，以及電化學(xué)儲(chǔ)能的選用原則。介紹了北京某低壓直流供電光伏建筑項(xiàng)目的概況、儲(chǔ)能系統(tǒng)及能量管理系統(tǒng)運(yùn)行情況。本項(xiàng)目的研究對(duì)于儲(chǔ)能在光伏建筑中的應(yīng)用和推廣具有重要的指導(dǎo)意義。

1 儲(chǔ)能在光伏建筑直流供電中的作用

推廣光伏建筑和低壓直流供電技術(shù)，可以最大化利用并就地消納可再生能源，合理降低建筑能耗，平抑光伏波動(dòng)和負(fù)荷波動(dòng)，提高接入電網(wǎng)的友好性。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要為建筑配備合理的儲(chǔ)能系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)功率的平衡控制和能量的時(shí)移調(diào)度。具體而言，儲(chǔ)能系統(tǒng)在光伏低壓直流供電建筑中發(fā)揮如下作用。

（1）最大化利用光伏發(fā)電，促進(jìn)就地消納

現(xiàn)有光伏建筑的配電系統(tǒng)不能有效平衡常規(guī)電力負(fù)荷和可再生能源發(fā)電的關(guān)系，據(jù)估算，由于可再生能源發(fā)電和建筑用電不匹配，每年造成的電能損失可達(dá)1000 億千瓦時(shí)以上[5]。為大規(guī)模建設(shè)的光伏建筑合理的配備儲(chǔ)能系統(tǒng)可以節(jié)省大量能源。

（2）平抑光伏波動(dòng)和負(fù)荷波動(dòng)，提高接入電網(wǎng)的友好性

蓄電池配備雙向DC/DC 變流器可以快速控制功率和雙向調(diào)度能量，減少光伏發(fā)電波動(dòng)和負(fù)荷波動(dòng)對(duì)于配電系統(tǒng)的影響；可以轉(zhuǎn)移建筑用能的峰谷負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)削峰填谷；可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)建筑用能按照計(jì)劃出力，或者恒定功率取電，增加接入電網(wǎng)的友好性[6]。

（3）保證重要負(fù)荷供電可靠

光伏建筑配備了儲(chǔ)能以后，可以解決電網(wǎng)暫降等電能質(zhì)量問(wèn)題，還可以在電網(wǎng)計(jì)劃停電或者意外中斷時(shí)短時(shí)供電，有效提高負(fù)荷供電可靠性[7]。

2 光伏建筑電化學(xué)儲(chǔ)能選型原則

2.1 光伏建筑電化學(xué)儲(chǔ)能選型原則

在光伏建筑中，目前最適宜的儲(chǔ)能技術(shù)是電化學(xué)儲(chǔ)能。光伏建筑儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 51368《建筑光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 51048《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。但是目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)尚存在不足之處[8]，建筑電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范更加缺乏。光伏建筑儲(chǔ)能系統(tǒng)還應(yīng)強(qiáng)調(diào)以下原則。

（1）安全可靠性

安全性是儲(chǔ)能技術(shù)在光伏建筑應(yīng)用必須首先考慮的要素。建筑儲(chǔ)能的安全是一個(gè)系統(tǒng)工程，一方面要求儲(chǔ)能系統(tǒng)具有本質(zhì)安全性，失效的風(fēng)險(xiǎn)小，后果輕微；另一方面儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行、管理和維護(hù)應(yīng)有完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，在整個(gè)生命周期內(nèi)保持良好的安全狀態(tài)[9]。

（2）部分荷電狀態(tài)下工作適應(yīng)性

由于光伏發(fā)電出力隨天氣等因素變化的間歇性和不確定性，光伏建筑配置的蓄電池經(jīng)常在部分荷電狀態(tài)(PSOC)模式下運(yùn)行，可能導(dǎo)致電池經(jīng)常處于欠充狀態(tài)，大大降低電池循環(huán)壽命[10]。因此，選用的電池必須能夠適應(yīng)部分荷電狀態(tài)工作模式。

（3）成本

建筑儲(chǔ)能系統(tǒng)必須在安全使用的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化，才能規(guī)模應(yīng)用，促進(jìn)節(jié)能減排[11]。降低成本一方面需要選用適合建筑使用的先進(jìn)、低成本儲(chǔ)能方式，另一方面要根據(jù)能量管理的目標(biāo)合理選用儲(chǔ)能的容量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 光伏建筑項(xiàng)目?jī)?chǔ)能蓄電池的選用

目前在電化學(xué)儲(chǔ)能市場(chǎng)中，鋰電池占有壟斷地位。但是近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能電站發(fā)生了大量安全事故，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017—2019 年間僅韓國(guó)公開(kāi)報(bào)道的安全事故就近30 起。目前廣泛采用的鋰電儲(chǔ)能熱失控預(yù)警和氣體滅火消防技術(shù)，不能完全避免鋰電儲(chǔ)能的安全事故[12]。本項(xiàng)目選用鉛炭電池產(chǎn)品，與其他電池儲(chǔ)能技術(shù)相比，具有安全性好、成本較低和工藝成熟的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，還具有高能量密度、快速充放電、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，適合工作在部分荷電(PSOC)狀態(tài)下，是目前理想的光伏建筑儲(chǔ)能電池[13-14]。

3 項(xiàng)目概況

3.1 項(xiàng)目及光伏系統(tǒng)概況

該建筑是光伏建筑一體化技術(shù)和低壓直流供電技術(shù)的研究、實(shí)驗(yàn)及綜合示范項(xiàng)目，位于北京市昌平區(qū)。立面幕墻和屋面安裝銅銦鎵硒薄膜光伏組件，裝機(jī)容量112.6 kWp，使用PVSyst 軟件預(yù)測(cè)首年發(fā)電量約7.5 萬(wàn)千瓦時(shí)。建筑建成后外觀如圖1所示。

3.2 建筑低壓直流供電

該項(xiàng)目采用配備儲(chǔ)能系統(tǒng)的低壓直流配電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電全部自發(fā)自用就地消納。該項(xiàng)目的低壓直流配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

項(xiàng)目的低壓直流供電系統(tǒng)總負(fù)荷100 kW，采用兩級(jí)配電系統(tǒng)，第一級(jí)配電為750 V 單極母線，市電整流后接入母線，光伏系統(tǒng)通過(guò)光伏MPPT變換器接入，儲(chǔ)能蓄電池經(jīng)雙向變換器接入，該母線同時(shí)為多聯(lián)機(jī)等供電；第二級(jí)配電為單極220 V，為照明、電腦、云平臺(tái)服務(wù)器、家用電器等供電。

圖1 光伏建筑外觀Fig.1 BIPV appearance

圖2 光伏建筑低壓直流配電網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Low voltage DC distribution network of BIPV

3.3 項(xiàng)目?jī)?chǔ)能系統(tǒng)

項(xiàng)目采用20 英尺模塊化集裝箱式集成儲(chǔ)能系統(tǒng)，配備總?cè)萘?78 kW·h的鉛炭電池、熱管理和電池管理系統(tǒng)(BMS)。集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.3 Container type energy storage system

4 光伏建筑電能管理系統(tǒng)

項(xiàng)目配備電能管理系統(tǒng)，對(duì)直流電能和發(fā)用電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制。主要完成監(jiān)測(cè)發(fā)用電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、存儲(chǔ)和分析運(yùn)行數(shù)據(jù)、優(yōu)化調(diào)度電能等功能，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電利用最大化，削峰填谷等目標(biāo)。直流供電能量管理系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖4所示。

圖4 直流供電能量管理系統(tǒng)Fig.4 DC supply energy management system

能量管理系統(tǒng)運(yùn)行模式有并網(wǎng)和獨(dú)立運(yùn)行兩種。

（1）一般情況下，系統(tǒng)主要運(yùn)行在并網(wǎng)模式。由市電經(jīng)整流器穩(wěn)定直流母線電壓，直流負(fù)荷優(yōu)先由光伏發(fā)電供電，光伏發(fā)電不足的部分由電網(wǎng)補(bǔ)充，多余的電能存入蓄電池組。動(dòng)態(tài)雙向控制、調(diào)節(jié)儲(chǔ)能輸入輸出功率和能量，平滑光伏發(fā)電波動(dòng)和負(fù)荷波動(dòng)。

建筑直流供電配備儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過(guò)控制蓄電池的充放電功率，能以恒定功率或者跟隨電網(wǎng)給定功率大小的方式從電網(wǎng)取電。從而減少建筑交流配電容量、降低配電初始投資成本；解決電力負(fù)荷峰谷差等問(wèn)題，提高光伏建筑接入電網(wǎng)友好性，可以最大程度地消納可再生能源，具有巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[15]。

圖5所示為直流供電系統(tǒng)并網(wǎng)模式下某一天的功率運(yùn)行曲線，截取了涵蓋當(dāng)日光伏發(fā)電時(shí)間段的6:00—18:00 數(shù)據(jù)。由圖可見(jiàn)：按照控制策略，在前一天23:00 至當(dāng)日7:00 之間由市電給負(fù)荷供電，當(dāng)6:30左右光伏發(fā)電后，市電功率逐漸下降，7:00之后負(fù)荷功率完全由光伏和儲(chǔ)能提供；此后光伏出力始終大于負(fù)荷功率，多余電能儲(chǔ)存在電池中；16:00 之后，光伏出力小于負(fù)荷功率，光伏不足部分由當(dāng)日儲(chǔ)存的電能提供，儲(chǔ)能持續(xù)供電，直至設(shè)定的SOC 下限；當(dāng)日光伏發(fā)電充足，光伏發(fā)電能量大于負(fù)荷用電，在當(dāng)日7:00—18:00 從電網(wǎng)“0”取電——恒定0 功率；當(dāng)日在11:00 左右，直流負(fù)荷功率有一次較大幅度的變化，儲(chǔ)能快速地進(jìn)行功率平衡，平抑負(fù)荷波動(dòng)?？梢?jiàn)當(dāng)日光伏發(fā)電出力最大化并100%就地消納，平抑了光伏發(fā)電和負(fù)荷的功率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了能量的時(shí)移。

圖5 直流供電系統(tǒng)功率運(yùn)行曲線Fig.5 Power operation curve of DC power supply system

（2）獨(dú)立工作模式：當(dāng)電網(wǎng)計(jì)劃停電或者意外斷電時(shí)，切除非重要負(fù)荷，蓄電池組通過(guò)雙向變流器穩(wěn)定直流母線電壓，由光伏發(fā)電和蓄電池組共同供電給負(fù)荷，提高了供電的可靠性。

5 結(jié) 論

光伏建筑、儲(chǔ)能和直流供電的融合，消除建筑用能的峰谷差，提升可再生能源消納的能力，并顯著提高建筑用能的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，成為光伏等可再生新能源在建筑中應(yīng)用推廣的有效途徑。本文提出目前技術(shù)條件下光伏建筑選用儲(chǔ)能技術(shù)的原則、優(yōu)先選用鉛炭電池的依據(jù)?；谝粋€(gè)光伏低壓直流建筑研究了儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。但目前還存在一些問(wèn)題：

（1）與電化學(xué)儲(chǔ)能電站相比，建筑儲(chǔ)能在安全性等方面有更高的要求，現(xiàn)在缺乏建筑儲(chǔ)能方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)加緊研究、制定；

（2）需要研究更先進(jìn)的、更安全且更適合建筑使用的儲(chǔ)能技術(shù)，推動(dòng)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)在光伏建筑上的大規(guī)模應(yīng)用；

（3）應(yīng)用于建筑的儲(chǔ)能成本需要進(jìn)一步降低，提高建筑儲(chǔ)能的應(yīng)用效益；

（4）光伏建筑儲(chǔ)能的商業(yè)模式和運(yùn)行、維護(hù)模式還要進(jìn)一步探索。