基于“光儲(chǔ)直柔”技術(shù)的建筑大廈低碳設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要： 隨著全球?qū)?jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的不斷追求，含多能源配電的新型建筑成為現(xiàn)代城市發(fā)展的新趨勢?！肮鈨?chǔ)直柔”技術(shù)作為推動(dòng)建筑能源系統(tǒng)革新升級(jí)的關(guān)鍵，通過集成光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)、直流配電和柔性控制于一體，為建筑大廈電氣設(shè)計(jì)提供了全新的解決方案。探討了“光儲(chǔ)直柔”技術(shù)在某建筑大廈設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，分析了其技術(shù)原理、系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)計(jì)要點(diǎn)、控制策略，為“光儲(chǔ)直柔”建筑大廈的低碳設(shè)計(jì)及實(shí)踐提供思路。關(guān)鍵詞： 光儲(chǔ)直柔; 綠色低碳; 分布式能源; 能源管理; 柔性控制

中圖分類號(hào)： TU852文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 1674-8417（2024）10-0031-06

DOI： 10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.10.006

0引言

隨著能源危機(jī)與環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，建筑領(lǐng)域的能源轉(zhuǎn)型迫在眉睫。2021年10月24日，《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》中明確要求：提高建筑終端電氣化水平，建設(shè)集光伏發(fā)電、儲(chǔ)能、直流配電、柔性用電于一體的“光儲(chǔ)直柔”建筑。在建筑中采用直流供電系統(tǒng)，便于光伏、儲(chǔ)能等分布式電源靈活、高效地接入和調(diào)控，實(shí)現(xiàn)可再生能源的大規(guī)模建筑應(yīng)用。促進(jìn)建筑能源系統(tǒng)向低碳、智能、自給自足的方向發(fā)展［1-5］。

本文以某建筑大廈為例，基于“光儲(chǔ)直柔”技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)、容量配置、系統(tǒng)保護(hù)、控制策略設(shè)計(jì)，為“光儲(chǔ)直柔”建筑大廈設(shè)計(jì)及實(shí)踐提供思路和參考。

1光儲(chǔ)直柔技術(shù)

基于“光儲(chǔ)直柔”技術(shù)的建筑大廈電氣系統(tǒng)是充分利用可再生綠色能源“光能”來驅(qū)動(dòng)建筑內(nèi)的用電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)光伏、儲(chǔ)能、用電負(fù)荷之間的動(dòng)態(tài)匹配，并與市電網(wǎng)絡(luò)友好對接，實(shí)現(xiàn)柔性用電以及供電等［6-8］。

建筑光儲(chǔ)直柔配電系統(tǒng)原理如圖1所示［9-12］。“光”是指分布式太陽能光伏，“儲(chǔ)”是指分布式儲(chǔ)能（包括電化學(xué)儲(chǔ)能、蓄冷、蓄熱等）及利用鄰近停車場電動(dòng)汽車儲(chǔ)能電池資源，“直”指建筑內(nèi)部采用直流供電，“柔”則是建筑“光儲(chǔ)直柔”的目標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)柔性用電，使其成為電網(wǎng)的柔性負(fù)載或虛擬靈活電源［13-17］。

柔性的實(shí)現(xiàn)主要通過自動(dòng)改變各用電設(shè)備的瞬時(shí)用電功率，從而改變從外電網(wǎng)供給直流系統(tǒng)的電功率。因此建筑“光儲(chǔ)直柔”的最終目標(biāo)是使得建筑用電可以根據(jù)電力系統(tǒng)的供需關(guān)系和電價(jià)波動(dòng)隨時(shí)調(diào)整用電功率。

其主要優(yōu)勢如下：

（1） 光伏發(fā)電直接消納，因光伏及儲(chǔ)能都是直流形式，減少能量變換層級(jí)、降低線路損耗，實(shí)現(xiàn)高效消納。

（2） 交流電網(wǎng)、光伏、儲(chǔ)能多能源接入，為負(fù)荷的供電可靠性提供保障。

（3） 配置儲(chǔ)能電池，可平抑建筑用電峰谷波動(dòng)、提高供電可靠性，同時(shí)具備電網(wǎng)側(cè)需求響應(yīng)能力。

（4） 儲(chǔ)能的便捷接入優(yōu)先實(shí)現(xiàn)峰谷套利提高收益，并解決電網(wǎng)暫降和中斷時(shí)的問題，保證了負(fù)荷可靠供電。

（5） 具備離網(wǎng)運(yùn)行功能，大電網(wǎng)因能耗雙控進(jìn)行限電時(shí)，光儲(chǔ)直柔系統(tǒng)自己形成獨(dú)立直流微網(wǎng)，由儲(chǔ)能和光伏承擔(dān)所有負(fù)荷，可按照負(fù)荷等級(jí)和設(shè)定用電策略，對負(fù)荷進(jìn)行調(diào)度切除，供電優(yōu)先順序：優(yōu)先利用光伏，其次再利用儲(chǔ)能對負(fù)荷進(jìn)行供電，同時(shí)也會(huì)增加光伏的發(fā)電小時(shí)數(shù)。

（6） 光儲(chǔ)直柔系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)可觀、可測、可控，同時(shí)支持虛擬電廠調(diào)度功能，可接受電網(wǎng)的調(diào)度，后期可根據(jù)自身的需求和電網(wǎng)的需求做需求響應(yīng)，獲取利益。

（7） 光儲(chǔ)直柔系統(tǒng)運(yùn)行控制簡單，通過光伏、儲(chǔ)能、負(fù)荷（照明、空調(diào)、充電樁等）的綜合調(diào)控，實(shí)現(xiàn)建筑用能系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)和柔性響應(yīng)，對外電網(wǎng)發(fā)電（或用電）功率波動(dòng)小、可預(yù)測，大大減少了電網(wǎng)調(diào)度的難度。

（8） 采用直流配電系統(tǒng)提高用電安全性，同交流相比，人體耐受直流漏電電流的能力高2～4倍，而且通過系統(tǒng)接地方式的調(diào)整，理論上通過觸電人體的電流可完全控制在安全水平內(nèi)，徹底消除觸電現(xiàn)象。

總而言之，建筑“光儲(chǔ)直柔”使得建筑從傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中剛性消費(fèi)者的角色轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥碚麄€(gè)能源系統(tǒng)中具有可再生能源生產(chǎn)、消費(fèi)、能量調(diào)度功能“三位一體”的復(fù)合體，這也是建筑面向構(gòu)建未來低碳能源系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)發(fā)揮的重要功能。

2光儲(chǔ)直柔系統(tǒng)應(yīng)用

某建筑大廈位于深圳市，包含兩棟樓，大樓供電采用380 V進(jìn)線。大廈負(fù)荷需求清單如表1所示。

由表1可知，系統(tǒng)電壓等級(jí)分為750 V、600 V、220 V?？偟挠秒姽β始s為350 kW。

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)大廈的負(fù)荷組成，整個(gè)大廈的“光儲(chǔ)直柔”構(gòu)建的微電網(wǎng)，在考慮極端情況下的場景，市電與直流配電系統(tǒng)之間的變換器的功率設(shè)置為400 kW。

2.2光伏系統(tǒng)

本文針對兩棟建筑，進(jìn)行光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過對樓頂實(shí)地測量結(jié)合建筑圖紙，計(jì)算確定兩座樓的樓頂光伏可安裝面積。光伏可裝面積如表2所示。

本項(xiàng)目在樓頂安裝的光伏采用單晶硅組件。光伏組件主要參數(shù)如表3所示。

根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：光伏組件安裝要保證全年9∶00～15∶00（當(dāng)?shù)卣嫣枙r(shí)）時(shí)段內(nèi)前、后、左、右互不遮擋，即冬至日當(dāng)天9∶00～15∶00時(shí)段內(nèi)前、后互不遮擋。

陣列前后間距計(jì)算方法如下：

太陽高度角： sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω;

太陽方位角：cosγ=（sinαsinφ-sinδ）/（cosαcosφ）;

陣列間距： D=Hcosγ/tanα

其中，H為陣列高度;φ為緯度;δ為赤緯角;ω為時(shí)角。

由于陣列高度為1.4 m，該大廈經(jīng)緯度為東經(jīng)114°，北緯22°35′，則D約為1.89 m。

根據(jù)全國各省市光伏電站最佳安裝傾角、峰值日照小時(shí)數(shù)、每瓦首年發(fā)電量、年有效利用小時(shí)數(shù)速查表可知，深圳最佳傾角為17°。

結(jié)合光伏組件尺寸參數(shù)，屋頂情況排布，1號(hào)樓頂共計(jì)安裝1 152塊光伏組件;2號(hào)樓頂共計(jì)安裝622塊光伏組件。兩棟樓樓頂光伏裝機(jī)容量如表4所示。

由表4可知，預(yù)計(jì)兩棟大樓光伏總裝機(jī)容量為443.5 kW。根據(jù)全國各省市光伏電站最佳安裝傾角、峰值日照小時(shí)數(shù)、每瓦首年發(fā)電量、年有效利用小時(shí)數(shù)速查表可知，深圳年有效利用小時(shí)數(shù)為1 089.96 h，由此可得該大廈的光伏年發(fā)電量為483 419.06 kWh。

2.3儲(chǔ)能系統(tǒng)

目前新型電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中適用最為廣泛的是磷酸鐵鋰電池，其熱安全性強(qiáng)、循環(huán)壽命長且成本低，是用戶側(cè)儲(chǔ)能的首選。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要作用是對光伏發(fā)的電進(jìn)行存儲(chǔ)，在需要的時(shí)候釋放，以滿足建筑大廈的用電需求。因此大廈儲(chǔ)能的配置主要考慮光伏消納、保障重要負(fù)荷的用電需求及電池充放電特性。

（1） 直流負(fù)荷供電。根據(jù)前期設(shè)計(jì)，該大廈的空調(diào)、地源熱泵、新風(fēng)系統(tǒng)為重要負(fù)荷。因此為防止由突發(fā)情況導(dǎo)致重要負(fù)荷功率缺失，儲(chǔ)能系統(tǒng)必須提供快速功率支撐，即儲(chǔ)能系統(tǒng)放電功率Pbatd不小于重要負(fù)荷最大功率Pload。經(jīng)計(jì)算，Pload約為100 kW，因此，Pbatd至少為100 kW。

（2） 光伏消納。為提高儲(chǔ)能利用效率，考慮儲(chǔ)能與基礎(chǔ)負(fù)荷共同消納光伏發(fā)電，通過儲(chǔ)能消納負(fù)荷未消納的電量。大廈除常規(guī)負(fù)荷外，還有240 kW直流充電樁，對于深圳來說新能源汽車在全國范圍內(nèi)占有率較高，其利用系數(shù)較高，按照0.7取值計(jì)算，則充電樁用電功率約170 kW;結(jié)合光伏發(fā)電時(shí)段建筑直流負(fù)荷需求，按照總負(fù)荷的70%利用率，則建筑直流負(fù)荷約為80 kW，整體建筑直流負(fù)荷需求約250 kW。443.5 kW光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率按照0.8計(jì)算，光伏發(fā)電峰值功率約為350 kW，則在光伏高發(fā)時(shí)段就會(huì)存在100 kW的功率剩余，即需要充電功率Pbatc為100 kW儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行消納，參照深圳的光伏有效利用小時(shí)數(shù)，每天需要消納時(shí)長約3 h，需要消納電量約300 kWh。

考慮到運(yùn)行安全等因素，接入直流配電系統(tǒng)配電母線的儲(chǔ)能系統(tǒng)（布置于樓宇配電室）功率原則上不超過總配電功率的50%，考慮總直流負(fù)荷功率為350 kW，則儲(chǔ)能充放電功率小于175 kW。

另外，按照電力儲(chǔ)能電池的充放電特性，取容量與功率比為2設(shè)計(jì)，確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置為150 kW/300 kWh。

2.4直流配電系統(tǒng)

直流配電技術(shù)是光儲(chǔ)直柔技術(shù)的核心，將建筑內(nèi)空調(diào)、新風(fēng)機(jī)組與照明設(shè)備等替換為直流負(fù)載，直接接入直流母排可以提高用電效率，避免了交直流電轉(zhuǎn)換造成的能量損耗［18-19］。針對電壓等級(jí)，T/CABEE 303—2022《民用建筑直流配電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：建議電壓等級(jí)不多于3級(jí)，并推薦采用DC 750 V、DC 375 V和DC 48 V，并根據(jù)設(shè)備接入功率需求選取適宜的電壓等級(jí)。

由于大廈內(nèi)已經(jīng)確定的新風(fēng)機(jī)組、地源熱泵的電壓需求為DC 600 V，照明和其他負(fù)載為220 V，雖然不是常規(guī)的電壓等級(jí)，但為了適應(yīng)設(shè)備電壓等級(jí)的需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同功率和電壓等級(jí)的DC/DC變換器接入建筑直流配電系統(tǒng)，并通過直流母線與外部交流電網(wǎng)之間的AC/DC變換器連接，滿足各類負(fù)載設(shè)備的需求。系統(tǒng)變換器模塊參數(shù)如表5所示。直流配電系統(tǒng)如圖2所示。

其中，光伏分布在兩棟的樓頂，光伏變換器分別安裝在各自樓頂。按照組件布局，1號(hào)樓通過5臺(tái)50 kW的光伏變換器匯流后接入750 V直流母線;2號(hào)樓通過3臺(tái)50 kW的光伏變換器匯流后接入750 V直流母線。

2.5保護(hù)與控制

隨著分布式能源的快速發(fā)展以及電力負(fù)荷的結(jié)構(gòu)變化，電源、負(fù)荷及儲(chǔ)能等設(shè)備的直流屬性日益突出，低壓直流繼電保護(hù)被認(rèn)為是直流配

電網(wǎng)發(fā)展的“最后一千米”，按照被保護(hù)對象劃分，主要為線路保護(hù)、絕緣監(jiān)測保護(hù)、接地保護(hù)等［20-21］。為保證本系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，配置的保護(hù)設(shè)備如下：

（1） 直流絕緣監(jiān)測。為防止系統(tǒng)發(fā)生絕緣下降造成人身安全事故，在直流母線側(cè)加裝直流主動(dòng)安全監(jiān)測裝置。通過對整個(gè)系統(tǒng)的絕緣阻抗監(jiān)視和測量，判斷系統(tǒng)絕緣狀況，并在絕緣阻抗低于設(shè)定值時(shí)實(shí)現(xiàn)和接地選線斷路器的聯(lián)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對故障支路的選擇（告警和跳閘）。

（2） 直流剩余電流監(jiān)測保護(hù)。由于本直流系統(tǒng)電壓等級(jí)與回路較多，為更好地判斷各支路的對地絕緣狀態(tài)，在各直流回路加裝剩余電流監(jiān)測裝置，實(shí)時(shí)檢測各線路（或支路）的漏電流，判斷各支路的對地絕緣狀態(tài)。同時(shí)與絕緣監(jiān)測裝置相互配合，完成故障支路的選線（告警和跳閘）功能。

（3） 直流線路保護(hù)。針對系統(tǒng)在運(yùn)行過程中存在的低壓過流、過電壓、低（欠）電壓等情況，在直流配電系統(tǒng)中加裝直流線路保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)多條低壓直流線路（或重要支路）的電流、電壓、功率等測量及故障保護(hù)。

（4） 防逆流保護(hù)。本“光儲(chǔ)直柔”系統(tǒng)的運(yùn)行模式為自發(fā)自用、余電不上網(wǎng)。因此，為避免系統(tǒng)出現(xiàn)逆流，在現(xiàn)場變壓器低壓側(cè)加裝防逆流裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測電源及電壓、電流數(shù)據(jù)，進(jìn)行判斷系統(tǒng)逆流情況進(jìn)行邏輯控制。

（5） 協(xié)調(diào)控制器。協(xié)調(diào)控制器獲取“光儲(chǔ)直柔”系統(tǒng)內(nèi)市電的功率約束、分布式電源的出力、儲(chǔ)能狀態(tài)、負(fù)荷需求，通過智能算法制定最優(yōu)控制策略，優(yōu)化控制儲(chǔ)能、分布式光伏出力、負(fù)荷投退、電網(wǎng)互動(dòng)及充電樁的有序充電等，實(shí)現(xiàn)對負(fù)荷多種能源形式的高可靠供給，滿足甚至提高用戶對電能質(zhì)量、電能可靠性和安全性等要求，實(shí)現(xiàn)用能經(jīng)濟(jì)友好。

2.6管理系統(tǒng)

“光儲(chǔ)直柔”監(jiān)控系統(tǒng)對整個(gè)直流系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測、運(yùn)行模式和潮流控制，實(shí)現(xiàn)柔性用電，同時(shí)對并網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和展示。光儲(chǔ)直柔系統(tǒng)組網(wǎng)圖如圖3所示。

光儲(chǔ)直柔監(jiān)控系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電、用電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析、遠(yuǎn)方通信、儲(chǔ)能/負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控與展示外，還具有針對建筑大廈的能量優(yōu)化管理的功能，系統(tǒng)綜合考慮光儲(chǔ)直柔的優(yōu)先級(jí)、舒適度和功率相似度，并基于光伏優(yōu)先、互補(bǔ)調(diào)配原則，同時(shí)控制儲(chǔ)能削峰填谷，提供應(yīng)急模式實(shí)現(xiàn)備用容量管理和負(fù)荷主動(dòng)減載。幫助建筑大廈實(shí)現(xiàn)綠色、低碳、經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。針對該建筑大廈存在的情況，其優(yōu)化控制策略描述如下。

并網(wǎng)時(shí)，光伏優(yōu)先滿足建筑直流負(fù)荷需求，若建筑直流負(fù)荷消納不掉，再由儲(chǔ)能進(jìn)行充電消納;若光伏不足以支撐建筑直流負(fù)荷需求，此時(shí)若處于尖峰（高峰）電價(jià)時(shí)段，優(yōu)先利用儲(chǔ)能進(jìn)行放電補(bǔ)充，不足再由市電經(jīng)PCS自動(dòng)補(bǔ)充，以降低尖峰（高峰）時(shí)段的用電成本;此時(shí)若處于低谷電價(jià)，則優(yōu)先利用市電進(jìn)行補(bǔ)充，儲(chǔ)能處于充電或待機(jī)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)峰谷套利，優(yōu)化建筑用電成本。

離網(wǎng)時(shí)，光伏優(yōu)先滿足建筑直流負(fù)荷需求，若建筑直流負(fù)荷消納不掉，再由儲(chǔ)能進(jìn)行充電消納;若光伏不足以支撐建筑直流負(fù)荷需求，此時(shí)儲(chǔ)能進(jìn)行放電補(bǔ)充，同時(shí)為了滿足離網(wǎng)模式下重要負(fù)荷的供電時(shí)長，系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)減少非關(guān)鍵負(fù)荷（如空調(diào)、照明等）或者降低充電樁充電需求。

此外，“光儲(chǔ)直柔”管理系統(tǒng)可根據(jù)歷史的光伏發(fā)電與建筑用電數(shù)據(jù)、未來天氣數(shù)據(jù)及儲(chǔ)能使用頻次，結(jié)合AI智能模型預(yù)測日前建筑直流負(fù)荷的需求、光伏發(fā)電和儲(chǔ)能的狀態(tài)，結(jié)合節(jié)假日、電價(jià)浮動(dòng)等各種因素提前調(diào)整光伏和儲(chǔ)能設(shè)備的充放電計(jì)劃，以制定經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的調(diào)度策略。

3結(jié)語

“光儲(chǔ)直柔”是我國達(dá)成“雙碳”目標(biāo)的一條路徑和實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的突破口。本文通過在建筑大廈中引入“光儲(chǔ)直柔”技術(shù)，從系統(tǒng)組成、電壓等級(jí)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、容量設(shè)計(jì)、安全保護(hù)以及監(jiān)控管理方面進(jìn)行了探討，并結(jié)合建筑大廈的柔性調(diào)節(jié)分析了其運(yùn)行策略，旨在為“光儲(chǔ)直柔”系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域的普及與深化設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考，為推動(dòng)建筑直流配電系統(tǒng)與綠色建筑、國家“雙碳”目標(biāo)進(jìn)行助力。

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收稿日期： 20240819

Low-Carbon Design and Application of Buildings Based on

“Photovoltaic-Storage-Direct-Flexible” Technology

SI Wenxu SHAO Ting

（1.Acrel Electric Co.， Ltd.， Shanghai 201801， China;

2.East China Construction Group Shanghai Branch of Science and

Technology Development， Shanghai 200041， China）

Abstract： As the global pursuit of energy conservation，emission reduction，and sustainable development goals continues，new buildings incorporating multi-energy distribution are emerging as a trend in modern urban development.Serving as a linchpin in driving the innovation and advancement of building energy systems，“photovoltaic-storage-direct-flexible” technology offers a novel solution for building electrical design by integrating photovoltaic power generation，energy storage systems，DC distribution，and flexible control.This paper explores the application of “photovoltaic-storage-direct-flexible” technology in the design of a specific building，analyzes its technical principles，system architecture，design considerations，and control strategies，and offers insights for the low-carbon design and implementation of “photovoltaic-storage-direct-flexible” buildings.

Key words： photovoltaic-storage-direct-flexible; green and low-carbon; distributed energy; energy management; flexible control