城市辦公樓光儲(chǔ)系統(tǒng)控制策略分析及應(yīng)用

摘要：在“雙碳”目標(biāo)提出后，“光儲(chǔ)直柔”技術(shù)逐漸成為建筑領(lǐng)域節(jié)能減碳、靈活用電的研究熱點(diǎn)。為深入探討城市辦公樓能源利用的控制策略，提升可再生能源的利用率，該文以深圳市某辦公樓的光儲(chǔ)系統(tǒng)為研究對(duì)象，首先，對(duì)其微電網(wǎng)的運(yùn)行工況進(jìn)行建模；然后，構(gòu)建光儲(chǔ)系統(tǒng)的3種運(yùn)行模式：簡(jiǎn)單模式、經(jīng)濟(jì)模式和節(jié)能模式，及與這3種運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)的控制策略；最后，進(jìn)行具體案例的分析對(duì)比。對(duì)比分析結(jié)果表明，提高光伏自用率有利于降低用電成本，提升光儲(chǔ)系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性，對(duì)同類建筑的光儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：“光儲(chǔ)直柔”技術(shù)；光儲(chǔ)系統(tǒng)；運(yùn)行模式；控制策略

中圖分類號(hào)：TU18文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-2605（2023）06-0009-08

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2023.06.009

Analysis and Application of Control Strategies for Photovoltaic-storageSystem in Urban Office Buildings

ZHANG Yuansheng1LIN Hai2FENG Jiezhao2

（1.Guangzhou HuiJin Energy Efficiency Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510660， China

2.Schoolof Electric Engineering， South China Universityof Technology， Guangzhou 510641， China）

Abstract：After the proposal of the \"dual carbon\" goal， \"photovoltaic-storage-DC-flexible\" technology has gradually become a research hotspot in the field of energy conservation， carbon reduction， and flexible electricity use in the construction industry. To deeply explore the control strategies for energy utilization in urban office buildings and improve the utilization rate of renewable energy， this paper takes the photovoltaic-storage system of an office building in Shenzhen as the research object. Firstly， the operating conditions of its microgrid are modeled; Then， construct three operating modes of the photovoltaic-storage system： simple mode， economic mode， and energy-saving mode， and corresponding control strategies for these three operating modes; Finally， analyze and compare specific cases. The comparative analysis results show that improving the self use rate of photovoltaics is beneficial for reducing electricity costs， improving the adjustability of photovoltaic-storage systems， and has certain reference value for optimizing the application of photovoltaic-storage systems in similar buildings.

Keywords： photovoltaic-storage-DC-flexible technology; photovoltaic-storage system; operating mode; control strategies

0" 引言

“碳達(dá)峰”“碳中和”理念的提出，使我國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式發(fā)生了轉(zhuǎn)變，光伏發(fā)電技術(shù)也在不斷被突破[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)建筑全過(guò)程碳排放量占全國(guó)碳排放量的比例超過(guò)50%，建筑行業(yè)是我國(guó)低碳發(fā)展的重要領(lǐng)域[2-3]，將“光儲(chǔ)直柔”技術(shù)與建

筑用電結(jié)合是研究熱點(diǎn)?！肮鈨?chǔ)直柔”技術(shù)即光伏發(fā)電、分布式儲(chǔ)能、直流配電、柔性控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)光伏消納、儲(chǔ)能與市電用電之間的負(fù)荷動(dòng)態(tài)匹配[4]。將光伏與建筑一體化，并配置儲(chǔ)能設(shè)備和直流供電配電系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)建建筑光儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷柔性調(diào)節(jié)和智慧能源管控，對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景制定不同的光儲(chǔ)系統(tǒng)

控制策略，可實(shí)現(xiàn)建筑的綠色經(jīng)濟(jì)用電[5-6]。

江億等[7]提出“光儲(chǔ)直柔”新型配電系統(tǒng)的蓄能能力和負(fù)荷側(cè)功率可調(diào)節(jié)能力，將在未來(lái)建筑零碳電力中發(fā)揮重要的作用。榮秀婷等[8]提出調(diào)控電動(dòng)汽車充放電行為是調(diào)節(jié)商務(wù)樓宇負(fù)荷曲線的重要方法。目前，城市辦公樓光儲(chǔ)系統(tǒng)鋪設(shè)的光伏面積有限，且太陽(yáng)能波動(dòng)性較大，需要綜合的能源管理和光儲(chǔ)系統(tǒng)控制策略來(lái)提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，降低系統(tǒng)能耗。

本文分別從經(jīng)濟(jì)和節(jié)能的角度，對(duì)深圳市某辦公樓的光儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化，提出3種運(yùn)行模式和控制策略，可有效降低傳統(tǒng)商業(yè)用電能耗，促進(jìn)建筑靈活用電和節(jié)能減碳。

1" 模型構(gòu)建

1.1" 辦公樓光儲(chǔ)系統(tǒng)

本文以深圳市某辦公樓的光儲(chǔ)系統(tǒng)為研究對(duì)象，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

該辦公樓光儲(chǔ)系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

1）辦公樓總建設(shè)面積為2 500 m2，在樓頂和停車坪共鋪設(shè)面積約500 m2的太陽(yáng)能光伏陣列，裝機(jī)容量為150 kWp，樓宇總負(fù)荷容量為225kW；

2）辦公樓采用中小規(guī)模的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)平抑光伏的不穩(wěn)定[9]；該辦公樓配置150 kW.h的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，放電深度設(shè)置為95%，最低荷電狀態(tài)（state of charge， SOC）設(shè)為5%；

3）辦公樓的用電負(fù)荷分為不可控和可控用電負(fù)荷，其中照明、辦公室設(shè)施、電子設(shè)備、電梯和安防系統(tǒng)等屬于不可控用電負(fù)荷；空調(diào)、電動(dòng)汽車等屬于可控用電負(fù)荷[10-11]。根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB51348—2019》對(duì)辦公建筑內(nèi)不同等級(jí)負(fù)荷的劃分標(biāo)準(zhǔn)，辦公室設(shè)施、樓宇主要通道的照明、電梯和安防系統(tǒng)等一級(jí)負(fù)荷采用市電供電；樓宇外部等場(chǎng)所的照明、部分可適時(shí)中斷的電子設(shè)備等二級(jí)負(fù)荷采用光伏供電；可控用電負(fù)荷結(jié)合實(shí)時(shí)的光伏出力可采取不同的配電供電策略；

4）停車場(chǎng)配置了25個(gè)快充直流充電樁，充電功率依據(jù)當(dāng)天的供電情況設(shè)置為30～60kW，設(shè)定每天充電樁的使用率為80%，平均每個(gè)充電樁輸出電能為40kW.h，電動(dòng)汽車平均每日總能耗為800kW.h。

1.2數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

1.2.1" 光伏模型

光伏發(fā)電的輸出功率受環(huán)境溫度、太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度和配置額定功率的影響，計(jì)算模型為

1.2.2" 儲(chǔ)能模型

儲(chǔ)能設(shè)備有充能、放能和靜置3種工作狀態(tài)。本文采用的儲(chǔ)能材料為鋰電池，主要考慮其充放電功率和當(dāng)前電量。電池實(shí)際的SOC由起始SOC、充放電時(shí)間和電流大小決定，t-1時(shí)刻到t時(shí)刻的電池SOC為

式中：α1為電池的自放電率，由電池的累計(jì)電量及健康狀態(tài)（state of health， SOH）決定；βbat為電池充放電效率；Cbat為電池額定容量；Ibat為電池充放電的電流量。SOH代表電池當(dāng)前的容量狀態(tài)，在計(jì)算中忽略電池的容量衰減。

1.2.3" 技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型

本文以光伏自用率作為光伏發(fā)電的主要技術(shù)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。光伏自用率（Up，%）表示光伏電能自發(fā)自用所占的比例，計(jì)算公式為

式中：ci和ce分別為電網(wǎng)輸入系統(tǒng)電能及光伏并網(wǎng)電能，pi和pe分別為實(shí)時(shí)市電電價(jià)及光伏并網(wǎng)電價(jià)。

1.3運(yùn)行模式及控制策略

根據(jù)該辦公樓的日照條件、光伏鋪設(shè)情況、用能特點(diǎn)等數(shù)據(jù)，通過(guò)Homerpro和MATLAB軟件進(jìn)行模型計(jì)算。根據(jù)辦公樓用電的個(gè)性化需求，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)模式和節(jié)能模式2種光儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行模式。為了與經(jīng)濟(jì)模式、節(jié)能模式進(jìn)行對(duì)照，本文還討論了只有光伏發(fā)電和市電供電的簡(jiǎn)單模式。

1.3.1 簡(jiǎn)單模式及控制策略

簡(jiǎn)單模式無(wú)儲(chǔ)能設(shè)備的參與，不考慮光伏上網(wǎng)、峰谷電價(jià)和節(jié)能管理策略，其控制流程如圖2所示。

不可控用電負(fù)荷中的一級(jí)負(fù)荷由市電供電，其余用電負(fù)荷優(yōu)先考慮光伏供電，當(dāng)光伏供電不足時(shí)，用市電作為補(bǔ)充，簡(jiǎn)單模式控制策略如表1所示。

1.3.2 經(jīng)濟(jì)模式及控制策略

經(jīng)濟(jì)模式的控制策略是優(yōu)先考慮用電成本，在盡可能低的成本下保證用電負(fù)荷的穩(wěn)定供電。儲(chǔ)能設(shè)備結(jié)合峰谷電價(jià)進(jìn)行移峰填谷，即在谷價(jià)段購(gòu)入市電進(jìn)行儲(chǔ)存，在峰價(jià)段由儲(chǔ)能設(shè)備放電。目前廣東省光伏上網(wǎng)電價(jià)為0.453元/kW.h，某些時(shí)段市電電價(jià)比光伏電價(jià)低，此時(shí)優(yōu)先使用市電，光伏發(fā)電量上網(wǎng)，可節(jié)省用電成本。針對(duì)電動(dòng)汽車的充電需求，根據(jù)分時(shí)電價(jià)制定價(jià)格優(yōu)惠政策，引導(dǎo)車主在市電電價(jià)較低時(shí)段或辦公樓用電低谷時(shí)段為電動(dòng)汽車充電。經(jīng)濟(jì)模式控制流程如圖3所示，控制策略如表2所示。

根據(jù)市電電價(jià)與光伏上網(wǎng)電價(jià)的關(guān)系，經(jīng)濟(jì)模式分為以下應(yīng)用場(chǎng)景：

1）當(dāng)市電電價(jià)低于光伏上網(wǎng)電價(jià)時(shí)，盡量讓光伏上網(wǎng)，不可控用電負(fù)荷由光伏供電改為市電供電；可控用電負(fù)荷供電根據(jù)儲(chǔ)能設(shè)備的狀態(tài)調(diào)整，若儲(chǔ)能設(shè)備的SOC未達(dá)到80%，則在市電電價(jià)較低的時(shí)段用市電為儲(chǔ)能設(shè)備充電，市電為可控用電負(fù)荷供電；若儲(chǔ)能設(shè)備電量充足即SOC達(dá)到80%以上，由儲(chǔ)能設(shè)備為可控用電負(fù)荷供電；

2）當(dāng)市電電價(jià)高于光伏上網(wǎng)電價(jià)時(shí)，光伏出力優(yōu)先滿足不可控用電負(fù)荷的二級(jí)負(fù)荷，若還有余力再

為可控用電負(fù)荷供電；若光伏出力不足，由儲(chǔ)能設(shè)備或市電補(bǔ)充供電；儲(chǔ)能設(shè)備主要接受光伏的余電，光伏出力不足時(shí)，在低電價(jià)時(shí)段接受市電。

1.3.3" 節(jié)能模式及控制策略

節(jié)能模式的控制策略是優(yōu)先考慮光伏發(fā)電，提高光伏自用率，并考慮節(jié)能管理策略控制設(shè)備開關(guān)和調(diào)節(jié)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，使該模式下的能耗最??；儲(chǔ)能設(shè)備只存儲(chǔ)光伏剩余出力。節(jié)能模式控制流程如圖4所示，控制策略如表3所示。

當(dāng)市電電價(jià)低于光伏上網(wǎng)電價(jià)時(shí)，優(yōu)先考慮光伏供電，由儲(chǔ)能設(shè)備或市電補(bǔ)充供電。節(jié)能模式在光伏出力不足時(shí)，對(duì)可控用電負(fù)荷以最低需求供電：優(yōu)先降低充電樁的服務(wù)需求，適當(dāng)下調(diào)充電樁的使用率和充電功率，另外由于電動(dòng)汽車電池的SOC有一定范圍，考慮到電池性能和能源調(diào)度的最優(yōu)方案，優(yōu)先對(duì)SOC最小的電動(dòng)汽車進(jìn)行充電[12-13]；降低空調(diào)能耗，如人為調(diào)節(jié)空調(diào)溫度以降低空調(diào)功率或合理停用某些不影響正常工作區(qū)域的空調(diào)。

根據(jù)光伏出力大小和儲(chǔ)能狀態(tài)，節(jié)能模式分為以下應(yīng)用場(chǎng)景：

1）光伏出力大于不可控用電負(fù)荷的二級(jí)負(fù)荷需求：若儲(chǔ)能電量充足，光伏為不可控用電負(fù)荷的二級(jí)負(fù)荷、可控用電負(fù)荷供電的優(yōu)先順序?yàn)楣夥緝?chǔ)能＞市電，若光伏仍有余電則為儲(chǔ)能充電；若儲(chǔ)能電量不足，光伏為不可控用電負(fù)荷的二級(jí)負(fù)荷供電后優(yōu)先為儲(chǔ)能充電，可控用電負(fù)荷供電的優(yōu)先順序與上述一致，當(dāng)光伏出力不足，儲(chǔ)能設(shè)備處于低電量，可控用電負(fù)荷的需求應(yīng)根據(jù)節(jié)能管理策略適當(dāng)調(diào)整，并購(gòu)入市電為其供電；

2）光伏出力小于不可控用電負(fù)荷的二級(jí)負(fù)荷需求：若儲(chǔ)能電量充足，不可控用電負(fù)荷的二級(jí)負(fù)荷供電的優(yōu)先順序?yàn)楣夥緝?chǔ)能，同時(shí)購(gòu)入市電對(duì)可控用電負(fù)荷以最低需求供電；若儲(chǔ)能電量不足，可控用電負(fù)荷供電的優(yōu)先順序與上述一致，而不可控用電負(fù)荷的二級(jí)負(fù)荷供電的優(yōu)先順序?yàn)楣夥臼须?。?chǔ)能設(shè)備應(yīng)結(jié)合峰谷電價(jià)在用電低谷期充入市電。

2" 案例分析

本文選取深圳市2023年7月的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，平均日照時(shí)長(zhǎng)約為7.5h，相關(guān)氣象數(shù)據(jù)如圖5所示。

從圖5中選取某一典型日24h的數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)日光伏每小時(shí)的輸出功率，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，光伏出力時(shí)間為6～19時(shí)，在中午12時(shí)達(dá)到最大出力，1 h內(nèi)最大出力約為118kW，當(dāng)日光伏發(fā)電量為1230kW.h。

由于該辦公樓的光伏鋪設(shè)面積有限，一天的光伏發(fā)電量?jī)H能滿足約2/3的辦公樓總用電負(fù)荷。典型日24h各類用電負(fù)荷逐時(shí)能耗如圖7所示。

由圖7可以看出，光伏出力和總能耗的峰谷時(shí)間點(diǎn)基本一致。電動(dòng)汽車、空調(diào)、辦公室設(shè)施及電子設(shè)備是主要用電負(fù)荷，三者總耗電量分別約占總能耗的40.5%、36.9%和12.4%，其余用電負(fù)荷的耗電量大小順序?yàn)殡娞荩菊彰鳎景卜老到y(tǒng)。空調(diào)的用電高峰在11～14時(shí)；電動(dòng)汽車充電密集時(shí)段在8～16時(shí)；辦公室設(shè)施及電子設(shè)備的用電高峰在8～18時(shí)，18時(shí)后辦公室內(nèi)仍有加班負(fù)荷以及少數(shù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和待機(jī)設(shè)備負(fù)荷用電。

深圳市工商業(yè)市電電價(jià)區(qū)間段如圖8所示。

由圖8可知，在10～12時(shí)、14～19時(shí)為峰價(jià)段，電價(jià)為1.355元/kW.h；在7～10時(shí)、12～14時(shí)、19～24時(shí)為平價(jià)段，電價(jià)為1.0元/kW.h；在24～次日7時(shí)為谷價(jià)期，電價(jià)為0.289元/kW.h。

根據(jù)深圳市峰谷電價(jià)政策，在光伏出力相同的情況下，分別分析簡(jiǎn)單模式、經(jīng)濟(jì)模式、節(jié)能模式下光伏、儲(chǔ)能供電及市電購(gòu)入的情況。由于辦公樓的光伏裝置不變，故分析時(shí)忽略光伏發(fā)電及光伏設(shè)備維護(hù)的成本。

2.1簡(jiǎn)單模式

簡(jiǎn)單模式下各供電源逐時(shí)供電的情況如圖9所示。

由圖9可知，19～次日6時(shí)的所有用電負(fù)荷都由市電供電，14 ～17時(shí)市電供電有明顯下降趨勢(shì)。24h的總能耗為1966kW.h，其中光伏供電量約占60.7%，市電供電量約占39.3%，光伏的棄電量約為87.5kW.h，光伏發(fā)電的自用率為92.66%，市電購(gòu)入的成本約為1011.35元。

2.2經(jīng)濟(jì)模式

經(jīng)濟(jì)模式下各供電源逐時(shí)供電的情況如圖10所示。為了更好地區(qū)分光伏總出力與光伏為辦公樓負(fù)荷的總供電量，圖10中光伏供電不包括光伏為儲(chǔ)能設(shè)備充電的部分，而市電供電包括了市電為儲(chǔ)能設(shè)備充電部分的所有購(gòu)入電量。

由圖10可知，6～7時(shí)為市電谷價(jià)段，此時(shí)光伏發(fā)電量全部上網(wǎng)，由市電對(duì)可控用電負(fù)荷和不可控用電負(fù)荷補(bǔ)充供電，這相較于此1 h內(nèi)的光伏發(fā)電全部自發(fā)自用節(jié)省了16.9元；光伏發(fā)電從7時(shí)開始為辦公樓負(fù)荷供電，剩余出力存儲(chǔ)在儲(chǔ)能設(shè)備，無(wú)棄電情況。由儲(chǔ)能電量曲線可知，儲(chǔ)能設(shè)備經(jīng)過(guò)了4次充電，在7～8時(shí)由光伏余電和平價(jià)段市電充電；13 ～14時(shí)由平價(jià)段市電充電；15～18時(shí)由光伏余電充電；24～次日1時(shí)由谷價(jià)段市電充電。24h的總能耗為1966kW.h，其中光伏供電量約占55.4%，儲(chǔ)能供電量約占20%，市電供電量約占24.6%。光伏與市電為儲(chǔ)能設(shè)備的總充電量分別占39%和61%，光伏發(fā)電的自用率為95.88%，較簡(jiǎn)單模式略有提高。計(jì)入上述節(jié)省的費(fèi)用，市電購(gòu)入成本為642.96元，加上儲(chǔ)能設(shè)備的平均維護(hù)成本，該24h的用電成本為891.54元，較簡(jiǎn)單模式節(jié)省了約120元。

2.3節(jié)能模式

節(jié)能模式下各供電源逐時(shí)供電的情況如圖11所示。圖11中光伏供電與市電供電的曲線與經(jīng)濟(jì)模式中所述內(nèi)容一致。

由圖11可看出，儲(chǔ)能設(shè)備經(jīng)過(guò)了3次充放電過(guò)程，在8～9時(shí)、12～14時(shí)，當(dāng)光伏出力不足時(shí)由儲(chǔ)能設(shè)備補(bǔ)充供電，同時(shí)合理調(diào)低可控用電負(fù)荷的用電需求，減少了市電的使用量。

在節(jié)能模式下，24h的總能耗為1804kW.h，較之前有所下降，其中光伏供電量約占60.1%，儲(chǔ)能供電量約占13.6%，市電供電量約占26.3%，由于光伏的其余出力都通過(guò)儲(chǔ)能進(jìn)行供電，故光伏發(fā)電的自用率達(dá)到100%。市電購(gòu)入總電量約為588.9kW.h，相較于簡(jiǎn)單模式和經(jīng)濟(jì)模式分別減少了約183.7kW.h和134.6kW.h。隨著市電購(gòu)入量的減少，購(gòu)電成本也相應(yīng)降低至551.2元，加上儲(chǔ)能設(shè)備的平均維護(hù)成本（不考慮光伏成本的情況下），該24h的用電成本投入為703.75元，較簡(jiǎn)單模式和經(jīng)濟(jì)模式分別節(jié)省了307.6元和187.8元。

3" 結(jié)論

本文根據(jù)“光儲(chǔ)直柔”技術(shù)在城市辦公樓光儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用情況，構(gòu)建了簡(jiǎn)單模式、經(jīng)濟(jì)模式、節(jié)能模式3種運(yùn)行模式，并制定了對(duì)應(yīng)的控制策略，結(jié)合具體案例進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如下：

1）相比于簡(jiǎn)單模式，經(jīng)濟(jì)模式加入了儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行移峰填谷，并考慮了光伏上網(wǎng)策略，使光伏發(fā)電自用率從92.66%提高至95.88%，且24h的用電成本減少了約11.87%；

2）節(jié)能模式在經(jīng)濟(jì)模式的基礎(chǔ)上加入了節(jié)能管理策略，在不影響辦公樓正常運(yùn)營(yíng)的情況下，靈活調(diào)節(jié)可控用電負(fù)荷的用電需求，光伏發(fā)電自用率可達(dá)100%，且市電購(gòu)入量減少，24h的用電成本較經(jīng)濟(jì)模式和簡(jiǎn)單模式分別減少了187.8元和307.6元；

3）光伏發(fā)電自用率越高，市電的使用越少，則用電成本越少，辦公樓的光儲(chǔ)系統(tǒng)可調(diào)節(jié)性越高。推進(jìn)光伏建筑一體化，在辦公樓進(jìn)行光伏立面鋪設(shè)可有效擴(kuò)大光伏利用面積和提高每日光伏發(fā)電量，更有利于辦公樓的綠色經(jīng)濟(jì)用電。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

張淵晟，男，1984年生，本科，工程師，主要研究方向：能源管理和控制、低碳發(fā)展。E-mail： 17755580@qq.com

林海，男，1987年生，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向：節(jié)能低碳、新能源及多能互補(bǔ)。E-mail：346099979@qq.com

馮杰釗，男，1998年生，在讀碩士研究生，主要研究方向：垃圾焚燒發(fā)電、數(shù)值模擬、風(fēng)光火儲(chǔ)。Email： fengjiezhao98@163.com