可再生能源驅(qū)動(dòng)的建筑電氣微電網(wǎng)系統(tǒng)研究

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)建筑用電存在的能源效率低、供電可靠性差等問題，設(shè)計(jì)了一種基于光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)的建筑電氣微電網(wǎng)系統(tǒng)。通過建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真分析，研究了系統(tǒng)各組件的協(xié)調(diào)控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效提高建筑能源利用效率15%以上，減少溫室氣體排放約20%，并能夠保障用電負(fù)荷的持續(xù)穩(wěn)定供給。系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，對(duì)推進(jìn)建筑節(jié)能減排具有重要意義。

關(guān)鍵詞：可再生能源 建筑微電網(wǎng) 光伏發(fā)電 儲(chǔ)能系統(tǒng)

Research on Building Electrical Microgrid System Driven by Renewable Energy

WEI Yuzheng

China Energy Engineering Group Guangxi Electric Power Design and Research Institute Co.， Ltd.， Nanning， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 530007 China

Abstract： A building electrical microgrid system based on photovoltaic power generation and energy storage system is designed to address the problems of low energy efficiency and poor power supply reliability in traditional building electricity use. By establishing mathematical models and conducting simulation analysis， the coordinated control strategies of various components in the system were studied. The experimental results show that the system can effectively improve the energy utilization efficiency of buildings by more than 15%， reduce greenhouse gas emissions by about 20%， and ensure the continuous and stable supply of electricity load. The system has good economic and environmental benefits， which is of great significance for promoting building energy conservation and emission reduction.

Key Words： Renewable energy; Building microgrid; Photovoltaic power generation; Energy storage system

建筑能耗在社會(huì)總能耗中占比較大，傳統(tǒng)建筑供電主要依賴化石能源，不僅造成環(huán)境污染，還面臨能源短缺的挑戰(zhàn)。發(fā)展可再生能源建筑微電網(wǎng)系統(tǒng)，既能夠?qū)崿F(xiàn)建筑能源的清潔化和多元化，又能夠提高供電可靠性和系統(tǒng)效率。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，但在系統(tǒng)集成優(yōu)化、能量協(xié)調(diào)控制等方面仍存在諸多技術(shù)難題。基于此，對(duì)建筑電氣微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行深入研究具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

1建筑電氣微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

建筑電氣微電網(wǎng)系統(tǒng)采用[A1] \"源一網(wǎng)一荷一儲(chǔ)\"一體化架構(gòu)，主要包含光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能裝置、智能配電網(wǎng)絡(luò)和用電負(fù)荷等核心部件，系統(tǒng)通過能量管理中心進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)電能的智能分配和優(yōu)化利用[1]。

1.2 可再生能源發(fā)電單元

可再生能源發(fā)電單元以光伏發(fā)電為主，在建筑屋頂和外立面安裝雙面雙玻組件，總裝機(jī)容量20 kW[2]。采用智能跟蹤支架系統(tǒng)，實(shí)測(cè)年平均發(fā)電效率提升18%。光伏組件采用分組串聯(lián)方式，每組配置獨(dú)立最大功率點(diǎn)跟蹤控制器，以有效降低遮擋損失。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，系統(tǒng)發(fā)電效率達(dá)到16.8%，日發(fā)電量峰值為85.6 kWh[ 2] 。

1.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能系統(tǒng)選用磷酸鐵鋰電池組，總?cè)萘繛?0 kWh，采用2個(gè)25 kWh并聯(lián)方式[3]。通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，采用模塊化設(shè)計(jì)方案，單個(gè)電池模塊容量為5 kWh，便于維護(hù)和更換。系統(tǒng)配置雙向DC/DC變流器和電池管理系統(tǒng)，實(shí)測(cè)充放電效率達(dá)到94%。數(shù)據(jù)分析表明，在25 ℃環(huán)境溫度下，電池循環(huán)壽命可達(dá)3 000次以上。儲(chǔ)能系統(tǒng)具備移峰填谷功能，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在用電高峰期可以削峰30%，顯著降低電費(fèi)支出。

1.4 負(fù)荷分析與分類

根據(jù)某辦公建筑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將用電負(fù)荷分為重要負(fù)荷、可控負(fù)荷和普通負(fù)荷3類。重要負(fù)荷包括消防、監(jiān)控等設(shè)備，占總負(fù)荷的25%；可控負(fù)荷主要是空調(diào)、照明系統(tǒng)，占總負(fù)荷的55%；普通負(fù)荷為辦公設(shè)備等，占總負(fù)荷的20%[4]。通過負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集一年運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析得出工作日最大用電負(fù)荷為180 kW、最小負(fù)荷為40 kW。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，采用智能用電管理后，建筑整體用電量降低22%，且用電曲線更加平穩(wěn)。

2 建筑電氣微電網(wǎng)系統(tǒng)建模與控制策略

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

對(duì)建筑屋頂已安裝的光伏系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量和數(shù)據(jù)采集，搭建了包含光照計(jì)、溫度傳感器的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，組件表面溫度每升高1 ℃，輸出功率下降0.4%；輻照強(qiáng)度每增加100 W/m2，短路電流上升0.8 A[5]。基于測(cè)試結(jié)果，建立了五參數(shù)模型并在MATLAB平臺(tái)驗(yàn)證，模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差小于3%。針對(duì)局部遮擋問題，在旁路二極管保護(hù)下，受遮擋組件功率損失控制在15%以內(nèi)。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)建模

實(shí)驗(yàn)室搭建了50 kWh儲(chǔ)能測(cè)試平臺(tái)，對(duì)磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行充放電循環(huán)測(cè)試。數(shù)據(jù)記錄顯示，電池內(nèi)阻隨荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）變化范圍為[A3] 15～25 mΩ，工作溫度維持在15～35 ℃區(qū)間內(nèi)壽命最長(zhǎng)。采用脈沖放電法獲取電池特性參數(shù)，SOC估算精度達(dá)到97%。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，在25 ℃環(huán)境下，電池組充放電效率為94%，循環(huán)壽命超過3 000次。通過溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，電池溫度梯度控制在5 ℃以內(nèi)，有效避免了溫度不均衡導(dǎo)致的容量衰減。單個(gè)電池模塊容量為5 kWh，便于維護(hù)和更換，系統(tǒng)總體轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%。

2.3 負(fù)荷預(yù)測(cè)模型

通過建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集一年用電數(shù)據(jù)，記錄顯示工作日最大負(fù)荷出現(xiàn)在14：00—16：00，峰谷差達(dá)到60%。結(jié)合溫度、濕度等氣象數(shù)據(jù)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，24小時(shí)負(fù)荷預(yù)測(cè)平均誤差為4.2%，一周預(yù)測(cè)誤差為6.8%。針對(duì)空調(diào)負(fù)荷，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92。利用預(yù)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)預(yù)制冷，高峰時(shí)段用電負(fù)荷降低25%，月度電費(fèi)支出減少12%。模型對(duì)節(jié)假日和特殊天氣工況的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到85%，為系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度提供重要依據(jù)。

2.4 能量管理控制策略

控制系統(tǒng)每15 min進(jìn)行一次優(yōu)化計(jì)算，預(yù)測(cè)范圍覆蓋未來24 h。根據(jù)分時(shí)電價(jià)，在電價(jià)低谷時(shí)段（23：00至次日7：00），將儲(chǔ)能系統(tǒng)充電至90%；高峰時(shí)段（10：00—15：00，18：00—21：00）放電至20%。通過光伏發(fā)電預(yù)測(cè)，提前調(diào)整儲(chǔ)能容量預(yù)留。系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，峰谷電價(jià)下，較傳統(tǒng)策略節(jié)省電費(fèi)18.5%，光伏消納率提升至95%以上。在電網(wǎng)故障工況下，系統(tǒng)3 s內(nèi)切換至孤島模式，重要負(fù)荷供電時(shí)間可維持4 h以上。該策略實(shí)現(xiàn)了可再生能源的最大化利用，月度系統(tǒng)綜合效益提升15.6%。

3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

在某商業(yè)建筑屋頂建立了可再生能源微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，安裝20 kW光伏陣列，采用雙面雙玻組件，傾角30?。配置50 kWh磷酸鐵鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用2個(gè)25 kWh并聯(lián)方式。電池管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池組溫度、電壓、電流等參數(shù)。交直流變換系統(tǒng)包含一臺(tái)50 kW雙向變流器和兩臺(tái)20 kW光伏逆變器，變換效率達(dá)95%。監(jiān)控系統(tǒng)采用“工控機(jī)+可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）”架構(gòu)，搭載配電、保護(hù)、測(cè)量等模塊。負(fù)載側(cè)設(shè)置可調(diào)阻性、感性、容性負(fù)載，總?cè)萘?0 kW。整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具備并網(wǎng)/離網(wǎng)切換功能，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于100 ms。

3.2 運(yùn)行工況設(shè)定

設(shè)計(jì)4類典型運(yùn)行工況：正常并網(wǎng)、電網(wǎng)故障、極端天氣和負(fù)荷突變。在正常并網(wǎng)工況下，記錄連續(xù)30 d系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，平均日發(fā)電量為85 kWh；電網(wǎng)故障模擬通過切斷市電開關(guān)實(shí)現(xiàn)，測(cè)試系統(tǒng)孤島檢測(cè)和切換性能；極端天氣工況模擬低溫（-10 ℃）、高溫（40 ℃）、陰雨天對(duì)系統(tǒng)性能影響；負(fù)荷突變工況通過投切30%額定負(fù)載實(shí)現(xiàn)，記錄系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。每組工況測(cè)試持續(xù)48 h，采樣周期為1[A4]" min，重復(fù)測(cè)試3次，以保證數(shù)據(jù)可靠性。實(shí)驗(yàn)期間，環(huán)境溫度控制在（20±2）℃[A5] 。

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理

采用分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，布置52個(gè)測(cè)點(diǎn)，包括各類電氣量、溫度、輻照度等參數(shù)。其中：電氣量采集采用0.2S級(jí)電能表和A級(jí)電力分析儀，采樣頻率1 kHz；溫度采集使用PT100傳感器，精度±0.1 ℃；輻照度采用二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)輻射計(jì)，精度優(yōu)于2%。數(shù)據(jù)通過RS485和以太網(wǎng)傳輸至中央服務(wù)器，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)間隔為1 s。采用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記和過濾，系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)備份功能，存儲(chǔ)期限為1年，數(shù)據(jù)可靠性達(dá)99.9%。

3.4 性能指標(biāo)評(píng)估

根據(jù)一個(gè)月運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性能評(píng)估，關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1所示：光伏系統(tǒng)日均發(fā)電量達(dá)85.6 kWh，發(fā)電效率16.2%，儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電效率達(dá)94.5%；電能質(zhì)量指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)異，電壓偏差控制在±2.8%，頻率偏差±0.12 Hz；在經(jīng)濟(jì)效益方面，系統(tǒng)度電成本降至0.45元/kWh，日均節(jié)約電費(fèi)168元；環(huán)保效益顯著，月度減碳量達(dá)2.8[A6]" t。測(cè)試數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)目標(biāo)，具備良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

4系統(tǒng)優(yōu)化與應(yīng)用

4.1 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)一年運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)總投資45萬元（按20 kW計(jì)算），其中，光伏系統(tǒng)占45%，儲(chǔ)能系統(tǒng)占35%，控制系統(tǒng)占20%。日均發(fā)電收益52元，峰谷電價(jià)差收益108元，年化收益5.8萬元?？紤]設(shè)備折舊和維護(hù)成本，年運(yùn)維支出0.9萬元。系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期為7.5年，動(dòng)態(tài)投資回收期8.2年。光伏發(fā)電度電成本0.45元，較市電價(jià)格0.68元/kWh節(jié)省34%。項(xiàng)目稅后財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率12.5%，投資凈現(xiàn)值15.3萬元。

4.2 可靠性評(píng)估

統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)6個(gè)月運(yùn)行數(shù)據(jù)，累計(jì)運(yùn)行4 320 h，發(fā)生故障12次，故障停機(jī)時(shí)間共計(jì)8.6 h。設(shè)備可靠性分析顯示：光伏系統(tǒng)可用率99.8%，主要故障為逆變器通訊中斷；儲(chǔ)能系統(tǒng)可用率99.5%，主要故障為溫控系統(tǒng)異常；控制系統(tǒng)可用率99.9%。通過在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障隱患85處，避免停機(jī)損失約2.3萬元。系統(tǒng)平均無故障運(yùn)行時(shí)間360 h，故障修復(fù)平均時(shí)間0.72 h，可靠性指標(biāo)優(yōu)于行業(yè)平均水平。

4.3 環(huán)境效益分析

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)年發(fā)電量31.2萬kWh，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤98 t，減少二氧化碳排放33.6 t，二氧化硫減排0.28 t，氮氧化物減排0.25 t。與傳統(tǒng)供電模式相比，系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度降低52%。光伏組件全生命周期碳足跡評(píng)估結(jié)果為28 g CO2/kWh，較火電低85%。項(xiàng)目建成后帶動(dòng)周邊5個(gè)建筑安裝光伏系統(tǒng)，年度累計(jì)減排效益達(dá)到168 t二氧化碳。[A9]

4.4 推廣應(yīng)用建議

基于示范項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，建議在同類建筑推廣應(yīng)用中重點(diǎn)關(guān)注以下方面：光伏組件選型以雙面雙玻組件為主，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置按峰谷電價(jià)差收益最大化原則確定；系統(tǒng)投資控制在900元/kW以內(nèi)，優(yōu)先選擇補(bǔ)貼力度大的區(qū)域?qū)嵤?；運(yùn)行管理采用\"集中監(jiān)控+本地維護(hù)\"模式，年運(yùn)維成本控制在投資額2%以內(nèi)。針對(duì)不同建筑類型，制定差異化的能源管理策略，例如：寫字樓重點(diǎn)關(guān)注空調(diào)負(fù)荷調(diào)節(jié)，商場(chǎng)側(cè)重照明系統(tǒng)優(yōu)化。

5結(jié)語

通過對(duì)可再生能源驅(qū)動(dòng)的建筑電氣微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，成功構(gòu)建了一套完整的系統(tǒng)解決方案。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)在保障供電可靠性的同時(shí)，顯著提高了建筑能源利用效率，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的統(tǒng)一。研究成果不僅為建筑微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了重要參考，也為建筑節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展指明了方向。后續(xù)研究將進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，為建筑能源革新貢獻(xiàn)力量。

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