基于“光儲直柔”技術的智慧園區(qū)設計應用

江宇萌1，張玉婷2

（1.中交機電工程局有限公司，北京 100027；2.亞當森大學，菲律賓馬尼拉 1000）

0 引言

隨著國家戰(zhàn)略上提出“雙碳”發(fā)展目標，如何減少碳排放，助力國家早日實現(xiàn)碳中和，已成為各行各業(yè)發(fā)展的首要任務。建筑行業(yè)是電力能源消費的大戶，截止2018年，建筑運行消耗的商品能源已到達10億t標準煤，其中建筑運行消耗的電量已達到1.7萬億kW·h，占社會總用電量的26%［1］。這意味著，在綠色低碳發(fā)展的趨勢下，提高可再生能源的利用比例，加大分布式光伏新能源的投資建設迫在眉睫，建筑電氣化已成為必然趨勢。江億院士［2］提出的直流建筑概念能更好的做到“源網(wǎng)荷儲”協(xié)同應用，“光儲直柔”的建筑配電理念可就地高效消納光伏，實現(xiàn)零碳建筑。國內首個全直流建筑深圳市未來大廈已于2019年完工，目前已投入使用，利用“光儲直柔”技術實現(xiàn)綠色建筑的建設可行性進一步得到證實［3］。目前將“光儲直柔”技術有機融合的示范項目依然很少，但未來綠色低碳建筑的發(fā)展趨勢實屬必然［4］。隨著光伏發(fā)電的普及，建筑光伏一體化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）各種新型發(fā)電技術的興起，儲能與低壓直流配電技術的進一步成熟，柔性負荷的用電能動性逐步靈活可靠，通過供給側削峰可減少約15%的碳排放，“光儲直柔”新型技術應用于建筑領域實為實現(xiàn)碳中和的一個有效路徑。本文在智慧園區(qū)的方案設計中應用最新的“光儲直柔”技術，可實現(xiàn)園區(qū)可再生能源100%本地全消納，分布式資源接入類型全覆蓋，用戶友好雙向互動。

1 “光儲直柔”的優(yōu)勢與特點

1.1 技術簡介

在未來新型智慧園區(qū)的可再生用能比例持續(xù)提高下，“光儲直柔”技術可分解為光、儲、直、柔4項新技術［5］。“光儲直柔”的系統(tǒng)整體如圖1所示。

圖1 “光儲直柔”系統(tǒng)整體示意圖

“光”指的是發(fā)電端電源側采用分布式光伏發(fā)電技術，采用屋頂分布式光伏或建筑光伏一體化技術。其中BIPV技術將光伏與建筑完美融合為一體，既能高效吸收太陽能轉換電能，也能將透光、遮陽與光伏有機結合，增加整體展示度，是未來建筑和能源系統(tǒng)的融合發(fā)展趨勢［6］。受益于光伏行業(yè)的蓬勃發(fā)展，光伏組件的成本在逐年降低，但BIPV技術還處于初期發(fā)展階段，隨著未來技術更加成熟，更為大眾所接受后，投資收益會有顯著改善。

“儲”指的是新型中低壓配電系統(tǒng)中的儲能部分，通過多種儲能形式進行可循環(huán)電能存儲、電能變換以及電能釋放。儲能不僅僅承擔著削峰填谷的角色，更重要的作為智慧園區(qū)能源靈活調度的中轉站，優(yōu)化負荷曲線，提升電能質量，提高供電可靠性。隨著分布式光伏與新能源汽車的融合發(fā)展，光儲充一體站的應用被逐步推廣，未來儲能技術的多維度發(fā)展更加迅猛。我國2050年的電化學儲能容量有關預測能達到3.2億kW［7］。

“直”指的直流配電技術，也是“光儲直柔”技術的核心與動因。隨著電源側與負荷側直流化程度越來越高，越來越多的建筑采用全直流配電或交直流混合配電系統(tǒng)。從新能源光伏的利用角度來看，采用分布式光伏技術的建筑電源側為直流電，宜采用直流配電；從負載角度來看，傳統(tǒng)燈具逐步被LED燈具所替代，各種電器與數(shù)字化設備也都是直流負載；從儲能來看，大部分儲能電池也都是輸出直流電［8］。

“柔”指的負荷用電的靈活性，并且與電網(wǎng)實時交互，既能實現(xiàn)柔性用電，也是電網(wǎng)的實時備用靈活電源。特別是目前電動汽車的光伏使用，光儲沖一體站的大量推廣，電動車猶如小型充電寶一樣，既是直流負載，也是小型直流電源，隨時可對電網(wǎng)進行能量回饋。

1.2 技術優(yōu)勢

“光儲直柔”技術利用“源網(wǎng)荷儲”理念從建筑供能側、傳輸側、儲能側和用能側進行全面優(yōu)化。其中供能側可提高可再生能源用能比例，全面就地消納光伏能源，做到低碳、零碳供給；傳輸側采用直流配電，系統(tǒng)效率得到很大提升，可省去較多整流AC/DC與逆變DC/AC等電力電子變換設備［9］，用戶的安全性與使用便捷性也能得到很大提升，電氣系統(tǒng)控制也會更加簡單，母線電壓允許更大范圍的波動，實現(xiàn)供電可靠性的解耦；儲能側更容易在未來助力電動車實現(xiàn)能量的雙向流動，不僅滿足充電的需求，更能實現(xiàn)放電短暫供給；用能側通過負荷與光伏、儲能的動態(tài)匹配更容易實現(xiàn)與電網(wǎng)的柔性交互。

2 “光儲直柔”系統(tǒng)設計

2.1 可行性分析

雄安新區(qū)在“綠色建筑發(fā)展的指導意見”與“上層規(guī)劃綱要”的要求中，提到大力發(fā)展BIPV技術在建筑中的一體化應用，構建光伏薄膜發(fā)電系統(tǒng)與直流建筑，創(chuàng)建以太陽能與燃料電池耦合的智慧能源系統(tǒng)。這為“光儲直柔”系統(tǒng)在雄安的應用試點奠定了良好的政策基礎。

雄安光照資源具備開發(fā)潛力，國家氣象局資料顯示雄安年總輻射量為1450～1500（kW·h）/m2，屬太陽能資源“豐富區(qū)”，可開發(fā)量約9000萬kW。考慮屋頂分布式光伏作為可再生能源發(fā)電，采用BIPV、風光路燈等技術，作為示范項目進行建設。

并且隨著分布式電源、BIPV、用戶側儲能的大量接入以及對電能質量和系統(tǒng)整體效率要求的提升，直流系統(tǒng)具有更少的傳輸損耗，便于光伏、儲能和充電樁裝置的接入，對于絕大多數(shù)負荷，能夠減少電能變換次數(shù)，提高用電效率［10］。光儲直柔系統(tǒng)中增加了低壓直流母線，通過AC/DC雙向變流器構建出直流微電網(wǎng)，將直流負荷接入直流微電網(wǎng)中，從而減少電能變換環(huán)節(jié)，在結構上更加穩(wěn)定，安全性更強。因此，考慮在雄安智慧園區(qū)中進行光儲直柔配電方案的建設。

2.2 關鍵技術

2.2.1 BIPV技術

園區(qū)建面約11 339 m2，用能端主要在于冷水機組、空調、照明與充電樁上，根據(jù)建筑尺寸及設計組件串聯(lián)數(shù)合理選擇組件尺寸，理論上應選擇大板組件減少安裝工作量，同時考慮建筑的隔熱供暖和成本因素，本項目采用100 Wp發(fā)電窗隔熱光伏組件。相關參數(shù)如表1所示。

表1 100 Wp發(fā)電窗隔熱光伏組件技術參數(shù)表

BIPV預估建設面積約2 680.3 m2，考慮安裝面積損失及光伏幕墻間隔，預計可安裝發(fā)電窗隔熱光幕墻2400片，每片100 W，裝機容量約240 kW，每8塊100 W組件組成1個光伏組件串，每60串接至能源路由器一個DC/DC輸入端口，再通過能源路由器輸出端匯總5個光伏DC/DC輸出口。光伏運行策略采用“本地消納，余電上網(wǎng)”的思路，同時配置相應容量的儲能系統(tǒng)對多余光伏電能進行存儲，配合充電樁、儲能進行源網(wǎng)荷儲本地內循環(huán)。

2.2.2 儲能系統(tǒng)

根據(jù)各種電芯安全性對比，磷酸鐵鋰材料熱失控概率?。崾Э販囟仍?00℃以上），安全性能好，其釋放熱量溫升較慢保證了系統(tǒng)安全。因此大型儲能電站應該選擇磷酸鐵鋰材料的儲能電池，本項目選用的磷酸鐵鋰電池，其電芯規(guī)格為3.2 V/280 A·h，參數(shù)如表2所示。

表2 儲能電池參數(shù)表

儲能系統(tǒng)的設計原則為“光伏消納、緊急備電、多能互補”，本項目展廳電負荷密度與一般商業(yè)樓宇比較低，電負荷密度暫取80 W/m2。建筑面積為11 339 m2，考慮最高充電同時率70%，預計最高負荷為1.327 MW，雄安地區(qū)平均每天光照時間為4.32 h，綜合考慮光伏光照強度、時長、基本負荷、充電樁負荷情況以及地下停車廠的安裝空間等，預計儲能系統(tǒng)的配置容量為750 kW·h，分為5個150 kW·h的儲能集裝箱分布式安裝在地下停車場，分別與光伏、能源路由器、充電樁組成分布式光儲充一體化能源艙，并同時將5臺能源路由器直流輸出側并聯(lián)，組成光儲直柔系統(tǒng)。

2.2.3 能源路由器

能源路由器是一種具有多端口柔性互動、敏感負荷電能質量管理、直流組網(wǎng)等功能的交直流配電網(wǎng)關鍵設備。多端口柔性互動可以實現(xiàn)所連接的多條交直流饋線之間的能量功率互動互濟，靈活地支撐交流母線、直流母線上接入的發(fā)電設備和用電負荷，融合上層管理，實現(xiàn)交直流配電網(wǎng)內電能的動態(tài)管理。針對敏感負荷的電能質量保障需要，從電壓、電流等多個方面對電能質量進行全方位的管理，實現(xiàn)高品質供電，降低分布式發(fā)電、突發(fā)負載的影響。同時，能源路由器可以實現(xiàn)直流組網(wǎng)，為光伏、儲能等直流發(fā)電單元和直流負載提供穩(wěn)定可靠的接入點，是光儲直柔系統(tǒng)中的關鍵能量流設備。

考慮光儲直柔系統(tǒng)的能量互聯(lián)互濟，本設計中須采用一臺能源路由器，能源路由器裝置在物理上能實現(xiàn)交流電網(wǎng)和直流用電網(wǎng)的連接，具有10個DC/DC功能模塊、一個DC/AC功能模塊，分別具備10個直流端口和一個交流端口，直流端口用于儲能系統(tǒng)以及光伏系統(tǒng)的接入，交流接口用于并網(wǎng)。能源路由器信息采集如表3所示。

表3 能源路由器信息采集表

柔性調控策略的關鍵在于電力電子變換器的控制策略［11］及換流器的控制算法?？刹捎脗鹘y(tǒng)PI控制，也可采用新型無源控制算法及電壓外環(huán)PI、電流內環(huán)無源控制結合的算法［12］。利用魯棒性好、動靜態(tài)性能優(yōu)秀的控制策略來進行柔性調控，確保電壓的穩(wěn)定輸出和抗干擾能力。

3 社會經濟效益評估

3.1 經濟效益

采用光儲直柔方案后，配電網(wǎng)的經濟性得到顯著提高。以雄安新區(qū)智慧園區(qū)光儲直柔建設為例，BIPV總裝機容量240 kW，儲能750 kW·h，年均發(fā)電量預計為120萬kW·h，年累計節(jié)省電費約23萬元，亦可收到政府的光伏補貼。

“光儲直柔”技術通過源網(wǎng)荷儲協(xié)調互動系統(tǒng)，實現(xiàn)園區(qū)內新型主體統(tǒng)一控制、靈活互補，充分發(fā)揮新型主體在電網(wǎng)移峰填谷的調節(jié)性能，在夜間用電低谷取能，降低運行費用，在用電高峰期亦可售電產生收益。

3.2 社會效益

“光儲直柔”技術的使用使得配電網(wǎng)的安全性進一步提高，園區(qū)能源系統(tǒng)的韌性高（可獨立于大電網(wǎng)運行數(shù)小時或數(shù)天），可自治、可自愈，具備自啟動自恢復能力。因地制宜地建設分布式光伏，結合儲能、蓄能配置定制化智能微電網(wǎng)，可實現(xiàn)園區(qū)零碳綠電自發(fā)自用，同時減少碳排放，年節(jié)約480 t標準煤，少產生1196.4 t二氧化碳，實現(xiàn)綠色低碳節(jié)能目標。

4 結束語

目前國內外“光儲直柔”的應用案例依然較少，仍處于全新的探索階段。本文在雄安智慧園區(qū)設計中融入新興技術，預期能取得良好的社會經濟效益。但受目前技術人員的研發(fā)能力、投資成本等條件制約，其應用價值與范圍還有極大的提升空間。在未來隨著技術的逐步成熟，社會認可度的進一步提升，可創(chuàng)新落地更多示范項目。相信隨著成功應用的案例逐步增加，社會的普及度持續(xù)提升，“光儲直柔”技術必將在智慧能源領域引起重大的影響，推動建筑綠色低碳產業(yè)鏈循環(huán)發(fā)展，助力國家早日實現(xiàn)“雙碳”發(fā)展目標。