智能微電網(wǎng)在近零能耗公共建筑中的應(yīng)用

胡魁琦，勞大實(shí)，張谷成

(1. 中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京 100089； 2. 北京京能熱力發(fā)展有限公司，北京 100013)

0 引言

2020年，我國(guó)為應(yīng)對(duì)氣候變化和極端天氣、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，積極制定了“30.60雙碳”發(fā)展目標(biāo)。作為二氧化碳主要排放行業(yè)之一，為迎接全面低碳時(shí)代，建筑行業(yè)建立了適合本國(guó)特點(diǎn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)體系，主要有超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑及被動(dòng)房。

1 國(guó)內(nèi)近零能耗建筑

2019年，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)建筑綜合節(jié)能率、可再生能源利用率和建筑本體性能指標(biāo)三部分對(duì)建筑等級(jí)進(jìn)行考核，量化指標(biāo)采用絕對(duì)能耗數(shù)值和相對(duì)節(jié)能率兩種方式。建筑綜合節(jié)能率是其中的核心指標(biāo)，首先需要對(duì)建筑一次能源消耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并剔除可再生能源發(fā)電所抵消的化石能源，得出建筑能耗綜合值，再由建筑能耗綜合值和基準(zhǔn)建筑的能耗綜合值的差值比基準(zhǔn)建筑的建筑能耗綜合值，方可得出。表 1為近零能耗公共建筑要求的能效指標(biāo)。

近零能耗公共建筑能效指標(biāo)表 表1

2 實(shí)現(xiàn)建筑近零能耗的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)可以看出，我國(guó)近零能耗建筑技術(shù)和評(píng)價(jià)體系已實(shí)現(xiàn)了建筑類型全覆蓋和氣候區(qū)全覆蓋，提出了中國(guó)解決方案。根據(jù)《近零能耗建筑測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)》提出的各項(xiàng)約束指標(biāo)，結(jié)合我國(guó)近零能耗建筑的發(fā)展現(xiàn)狀，評(píng)價(jià)體系可劃分為四大指標(biāo)：室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)、能效指標(biāo)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能和建筑能源系統(tǒng)。當(dāng)前近零能耗建筑采用的技術(shù)應(yīng)用主要包括：高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)、高建筑氣密性、其他被動(dòng)式技術(shù)、主動(dòng)式技術(shù)、可再生能源利用等。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用上述技術(shù)后，建筑平均一次能源消耗可降至77kW·h(m2·a)，降幅53%，在設(shè)置一定量的可再生能源發(fā)電后，可有效實(shí)現(xiàn)建筑綜合節(jié)能率≥60%的目標(biāo)，達(dá)成近零能耗建筑的目標(biāo)。

這也從側(cè)面反應(yīng)了，在當(dāng)前技術(shù)水平、建設(shè)成本條件下，建設(shè)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，能有效提升建筑綜合節(jié)能率，對(duì)于近零能耗公共建筑來說，是十分關(guān)鍵的一環(huán)。但當(dāng)光伏、風(fēng)電、市政電源等多種形式的能源存在時(shí)，運(yùn)行控制存在諸多要點(diǎn)：(1)分布式能源網(wǎng)絡(luò)間的耦合聯(lián)系強(qiáng)，不同能源形式間的互補(bǔ)替代特性明顯，但缺乏有效的協(xié)同調(diào)度機(jī)制；(2)分布式電源接入，改變了配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由傳統(tǒng)的輻射狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)；(3)分布式電源的波動(dòng)性和隨機(jī)性導(dǎo)致配電網(wǎng)供電的電能質(zhì)量下降，帶來電壓閃變、諧波注入等問題，對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來不利影響。

為解決上述要點(diǎn)、難點(diǎn)，建設(shè)可多源協(xié)同優(yōu)化控制的智能電網(wǎng)系統(tǒng)成為必不可少的重要環(huán)節(jié)。

3 實(shí)際項(xiàng)目案例

以北京某辦公樓為例，具體闡述智能微電網(wǎng)在近零能耗公共建筑中的應(yīng)用。

本項(xiàng)目建筑面積為5 208.3m2，地下建筑面積2 571.0m2，地上建筑面積2 637.3m2，總占地面積1 990.4m2。地上三層，地下兩層，建筑高度為14.05m。原有方案為全幕墻建筑方案，且未采用熱回收、無熱橋、氣密、可再生能源發(fā)電等技術(shù)，無法達(dá)到近零耗要求，建筑綜合節(jié)能率僅為16.91%。

為實(shí)現(xiàn)近零耗建筑，全面進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，即便采用諸多被動(dòng)式技術(shù)，仍無法滿足近零能耗要求，項(xiàng)目至少需建設(shè)150kW可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，方可滿足建筑綜合節(jié)能率≥60%的要求。由于項(xiàng)目不具備建設(shè)風(fēng)力發(fā)電的條件，智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的整體方案，全部圍繞150kW光伏的建設(shè)及消納展開。

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)

根據(jù)項(xiàng)目情況，本辦公樓屋頂條件較差，無法設(shè)置光伏組件，僅可在建筑南側(cè)立面裝設(shè)4.68kWp光伏，為解決光伏裝機(jī)不足的問題，選擇辦公樓西側(cè)停車棚頂建設(shè)54.45kWp光伏、北側(cè)廠房屋頂建設(shè)100.80kWp光伏，光伏系統(tǒng)裝機(jī)共計(jì)159.93kWp。其中辦公樓南側(cè)立面光伏采用65Wp BIPV薄膜光伏組件，共計(jì)安裝72塊，作為外立面幕墻裝設(shè)與建筑結(jié)合為一體，同時(shí)對(duì)其安裝做法進(jìn)行優(yōu)化，避免對(duì)建筑保溫、氣密性產(chǎn)生影響；停車棚頂采用450Wp單晶硅光伏組件，15°固定傾角安裝，共計(jì)安裝121塊。廠房屋頂采用450Wp單晶硅光伏組件，在彩鋼板屋面平鋪安裝，共計(jì)安裝224塊。光伏逆變器采用組串式逆變器，分別選擇4kW、50kW、100kW逆變器，接入智能微電網(wǎng)系統(tǒng)。

光伏系統(tǒng)裝機(jī)規(guī)模較大，對(duì)辦公樓用、發(fā)電負(fù)荷平衡進(jìn)行分析，對(duì)比夏季、冬季和過渡季工作日、休息日的光伏發(fā)電功率與用電負(fù)荷需求功率如圖 1所示。

圖1 典型日用發(fā)電功率對(duì)比圖

冬季工作日內(nèi)，大部分時(shí)段用電負(fù)荷需求量大于光伏發(fā)電量，需要市電給予供電支持；夏季、過渡季工作日內(nèi)，部分時(shí)段光伏發(fā)電量明顯超出負(fù)荷需求量，需要配置儲(chǔ)能系統(tǒng)；冬季、夏季和過渡季的休息日，光伏發(fā)電量大于建筑的用電負(fù)荷需求。工作日夏季、冬季、過度季的日間未利用光伏發(fā)電量分別為174kWh、40kWh、182kWh。

5 電儲(chǔ)能系統(tǒng)

為充分利用光伏發(fā)電、滿足用電需求，配置磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)給予移峰用電，考慮到儲(chǔ)能系統(tǒng)損耗、衰減等原因，儲(chǔ)能電池總?cè)萘颗渲脼?40kWh，可覆蓋全年各典型日光伏超發(fā)的電量。日間光伏發(fā)電功率與負(fù)荷用電功率差最大為85kW，考慮光伏電力的充分存儲(chǔ)以及放電是滿足功率需求，因此儲(chǔ)能系統(tǒng)配置PCS功率為100kW。儲(chǔ)能系統(tǒng)接入智能微電網(wǎng)，由微網(wǎng)控制器根據(jù)光伏發(fā)電量、用電負(fù)荷情況、電價(jià)政策變化等邊界條件，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行策略按下述方案進(jìn)行設(shè)置：(1)工作日期間，在白天光伏發(fā)電量超過用電量時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電，吸收未被消納的光伏發(fā)電量，在其余時(shí)間進(jìn)行使用，不足部分由市電補(bǔ)充。夜間谷電時(shí)段靜置，也可根據(jù)第二天的負(fù)荷預(yù)測(cè)情況，適量充電，滿足清晨光伏發(fā)電量不足時(shí)段的用電需求。(2)休息日，周六全天將光伏所發(fā)電能儲(chǔ)存，在下午至周日上午9時(shí)前使用，周日將多余光伏發(fā)電量?jī)?chǔ)存，周日夜間至周一上午進(jìn)行使用。具體充放電策略見表 2。

電儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電策略 表2

6 智能微電網(wǎng)

基于大樓的能源系統(tǒng)，建立智能微電網(wǎng)，作為智慧能源在近零能耗建筑中應(yīng)用的基礎(chǔ)。通過設(shè)置光伏發(fā)電、電儲(chǔ)能系統(tǒng)、用電負(fù)荷等，將能源設(shè)備靠近需求側(cè)，充分利用新能源和可再生能源發(fā)電，實(shí)現(xiàn)本地用電、發(fā)電需求匹配的小型化系統(tǒng)，具有清潔環(huán)保、靈活性高、效率高等特點(diǎn)，在合理控制時(shí)，可以顯著提高用能經(jīng)濟(jì)性、可靠性，降低輸配電網(wǎng)絡(luò)投資。智能微電網(wǎng)系統(tǒng)主接線如圖2所示。

圖2 智能微電網(wǎng)系統(tǒng)主接線圖

由廠區(qū)10kV變電所內(nèi)0.4kV系統(tǒng)引接電纜，將電源引至本次新建的0.4kV交流微電網(wǎng)母線，微電網(wǎng)的0.4kV母線接入的負(fù)荷包括：各分布式光伏系統(tǒng)、磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電樁、部分照明、空調(diào)負(fù)荷等。

微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)包括三個(gè)部分：過程層、間隔層和監(jiān)控層。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)按分層分布式開放系統(tǒng)配置。監(jiān)控與能量管理控制系統(tǒng)組態(tài)靈活，具有可維修性和可擴(kuò)充性。

(1) 站控層

站控層配置工作站，供運(yùn)行監(jiān)視及操作控制用，并且完成對(duì)系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫的在線維護(hù)和修改，完成功率預(yù)測(cè)等功能；站控層通過以太網(wǎng)將這些設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元互連，實(shí)現(xiàn)信息交換。

(2)間隔層

間隔層包括微電網(wǎng)集中控制器、工業(yè)交換機(jī)、本地配置設(shè)備等。接受過程層的遙測(cè)信息，并且向站控層進(jìn)行信息交換，接受站控層的遙控信息。

(3)過程層

過程層中，微電網(wǎng)控制器下行通過屏蔽雙絞線或工業(yè)以太網(wǎng)與智能斷路器、逆變器、儲(chǔ)能變流器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、各類模擬設(shè)備等通訊接口相聯(lián)，采集交流電流、電壓、開關(guān)設(shè)備位置、工作狀態(tài)、逆變器狀態(tài)等設(shè)備狀態(tài)量和關(guān)鍵參數(shù)，并完成對(duì)其的控制。

系統(tǒng)依靠微電網(wǎng)集中控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，其核心在于實(shí)時(shí)穩(wěn)定微電網(wǎng)能量流動(dòng)、電壓、頻率，同時(shí)聯(lián)合樓控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)自主運(yùn)行，構(gòu)建建筑能源互聯(lián)網(wǎng)。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電、儲(chǔ)能、負(fù)荷等的監(jiān)測(cè)、調(diào)控功能，并可聯(lián)動(dòng)空調(diào)、電動(dòng)遮陽簾、照明等調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)恒定潮流控制及自平衡控制。系統(tǒng)具備微電網(wǎng)啟?？刂?、運(yùn)行模式切換、上網(wǎng)功率控制、穩(wěn)定控制、儲(chǔ)能系統(tǒng)控制等功能?？勺畲笙薅认{可再生能源發(fā)電，提高運(yùn)行效率，降低整體用能成本，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)和供需互動(dòng)，并提高整體供電的可靠性。

正常運(yùn)行時(shí)，光伏逆變器處于MPPT模式，儲(chǔ)能PCS處于P/Q模式，依靠?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的充放控制及部分負(fù)荷的調(diào)控，微網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處可根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)定功率、限功率等運(yùn)行策略，匹配負(fù)荷需求，可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)處功率自平衡運(yùn)行策略。

如果上級(jí)電源突發(fā)故障，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)運(yùn)行，此時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)接口測(cè)控保護(hù)裝置檢測(cè)到電網(wǎng)側(cè)失電，斷開進(jìn)線開關(guān)，由微網(wǎng)運(yùn)行控制器實(shí)施黑啟動(dòng)運(yùn)行策略：先無載啟動(dòng)儲(chǔ)能PCS，工作于V/F模式，再相應(yīng)啟動(dòng)光伏、投入一定容量的重要負(fù)荷，整個(gè)微網(wǎng)經(jīng)歷停運(yùn)-黑啟動(dòng)-離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

7 成果及經(jīng)驗(yàn)

項(xiàng)目經(jīng)近零能耗優(yōu)化后，建筑綜合節(jié)能率為61.12%，其中建筑本體節(jié)能率49.34%，其余綜合節(jié)能率均由光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)支撐。具體評(píng)價(jià)結(jié)果見表 3。

本項(xiàng)目建筑能效指標(biāo)表 表3

通過微電網(wǎng)技術(shù)的集成運(yùn)用，本項(xiàng)目在建筑近零能耗設(shè)計(jì)方面收獲如下經(jīng)驗(yàn)：(1)近零能耗建筑應(yīng)充分利用周邊可再生資源，可采用BIPV、半片疊瓦技術(shù)高效光伏、追蹤光伏等技術(shù)，在提升建筑可再生能源利用率、建筑綜合節(jié)能率的同時(shí)，向產(chǎn)能建筑靠攏；(2)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置、運(yùn)行策略需根據(jù)建筑用電負(fù)荷、使用業(yè)態(tài)、可再生能源發(fā)電量等條件進(jìn)行綜合對(duì)比分析，在滿足智能微電網(wǎng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，控制投資及運(yùn)維成本；(3)設(shè)置可再生能源發(fā)電的建筑，建設(shè)智能微電網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)潮流優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)可再生能源發(fā)電功率波動(dòng)的平抑，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功電壓，在網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行，在配電網(wǎng)故障狀態(tài)下優(yōu)先保障重要負(fù)荷的供電，提高系統(tǒng)的可靠性。

8 結(jié)束語