“雙碳”背景下電氣新產品新技術的應用實施

曹承屬， 曹方瑩

(華東建筑設計研究院有限公司，上海 200002)

0 引言

在全球化石能源緊缺以及生態環境日益嚴峻的形勢下，中國提出“雙碳”戰略，推進能源結構調整，推動綠色技術創新，倡導綠色、節能、環保、低碳的生活方式。 可再生能源、新能源汽車、智慧能源管理等技術廣受關注并取得了長足的發展。

當“綠色建筑”撞上“智慧建筑”，以綠色能源應用為基礎、以節能減排為目標、以能源監管為手段的綠色發展才是可持續發展之路。

1 微電網系統

微網系統，是指由分布式電源、能量轉換裝置、儲能裝置、監控和保護裝置、負荷等組成的小型發配電系統。 隨著光伏建筑一體化技術的發展，光伏發電系統在民用建筑中大量應用。 光伏發電系統作為分布式新能源系統，在一定形式上即為直流微電網系統。 它可以作為可控單元與電網并網運行，也可離網獨立運行，如圖1 所示。

圖1 含光伏發電和儲能裝置的直流微電網系統

巨大的用電峰谷差是民用建筑的用電特點，而龐大的用電高峰又迫使電網及電廠裝機容量大、投資增加，而用電低谷期時，電網及電廠的低負載運行又使能源利用率低。 基于建筑內的大量直流用電設備的使用、儲能技術的飛速發展、信息通信技術的不斷突破，可考慮建筑直流供電系統和儲能裝置的電力系統建立，能夠使民用建筑設備用電就地充分消納可再生能源電力，對電網取電實現移峰填谷，降低峰谷差，為城市、社會和環境的可持續發展作出貢獻。

微電網系統的關鍵參數為儲能電池的容量，如果容量選型過小，無法實現移峰填谷消除峰谷差及對可再生能源充分利用，同時過充電和過放電也將對系統造成巨大損失；如果容量選型過大，則會增加初始投資成本，影響系統的經濟性[1]。

微電網的運行策略主要有以下幾類。

(1)市政電網恒功率取電模式，即建筑以恒定不變的功率從市政電網取電，當負荷用電功率大于取電功率時，儲能電池放電；反之儲能電池蓄電[1]。雖然系統簡單易行，但靈活性不夠，若負荷用電增加，系統擴容不易。

(2)需求響應模式，即建筑微電網系統響應市政電網用電指令，當建筑負荷用電功率大于市政電網用電限值時，儲能電池放電補充電網供電不足部分。 當負荷用電較小時，儲能電池蓄電[1]。 該系統較為簡易，市政電網供電的波動性對微電網的影響較大，對儲能電池容量的選型有較大難度。

(3)自調度模式，即建筑微電網系統根據儲能電池容量和當地電網分時電價靈活從市政電網取電。 低谷電價時，儲能電池蓄電；波峰電價時，以儲能電池最大功率放電，可以實現電費最低、最經濟的運行模式。 系統較復雜，需要解決儲能容量與電費最低相結合的優化問題，動態規劃實現最優運行方式。

2 直流電能路由器

微電網系統要想實現最優運行方式，需借助電能管理系統及可靠穩定的控制設備。 電能管理以通訊方式監測微電網需要測量且可測量部件的電氣、溫度等參數，進而對微網狀態進行判斷，然后根據判斷進行發生報警、停機、啟動、潮流調節、柔性聯動控制等信息或指令；并且可以與外界上一級能量管理系統交互信息，也可以接受上一級指令條件運行狀態(如與市政電網交換功率大小、方向)。 微電網電能管理通訊/監控系統架構圖如圖2 所示。

圖2 微電網電能管理通訊/監控系統架構圖

電能路由器是將微電網系統電控部分集合成一體的配電裝備，是帶有智能能量管理的多端口變流器。 它借鑒了信息路由器的理念和功能，可以將新能源發電、儲能、負荷便捷接入，并控制電能分配和保護的中樞，利用微電網運行控制器進行潮流控制和算法保護，達到可再生能源利用最大化，實現新能源發電的控制、并網控制、微網功率控制、系統監控、配電保護，同時實現后備電源(EPS)等功能。

直流電能路由器組網型交直流微網與光儲一體機及傳統逆變器組網型交流微網的優勢比較[2]，詳見表1。

表1 直流電能路由器組網型交直流微網與光儲一體機及傳統逆變器組網型交流微網優勢比較

3 智慧物聯充電系統

在政策的推動下，目前新能源汽車在我國呈井噴式發展。 其配套設施充電站(樁)的規劃建設也在政策規定下不斷興建。 同時，為滿足人們高速的生活節奏，快充的比例也在不斷的提高，導致建筑申請的用電容量巨幅提升，但常出現一段時間內，大量充電樁資源閑置浪費，同時造成變壓器容量設置浪費的現象。 另一方面，由于充電樁位置較分散、單一建筑內充電樁數量有限以及缺乏整體調度等問題，充電汽車充電的便捷性受到嚴重影響。

基于智能充電樁的電動充電系統集合5G、人工智能、物聯網、云計算等信息化技術，通過運用智能充電樁進行數據參數采集，運用信息通信技術完成信息交互并上傳管理平臺，再由平臺對數據進行實時處理分析。 它能實現主要功能有:(1)集合多區域建筑充電信息，實施可視化，精準定位；(2)利用智能充電樁的功率調節功能，為建筑配電提供靈活性；(3)結合微電網以及建筑柔性用電技術，促進建筑光伏的就地高效利用，采取削峰填谷，改變建筑負荷運行規律；(4)通過有序充電技術，避開用電高峰，在保障電力安全的同時還可以讓用戶享受低電價[3]；(5)當有大型用電設備或大功率用電時，采用有計劃地報備工作制等技術或管理，使之能滿足建筑自身的用電使用需求，又能提高供電的可靠性和經濟性；(6)通過雙向充放電技術，電動汽車還可以在用車需求之余，利用富余的電池容量為微電網存儲剩余電力或反向輸出電力，充當可移動的蓄電池設備[3]。

4 結束語

直流微電網的建立，可降低建筑對市政電網的用電需求，是一種綜合能源系統，提供多能源供需互動技術的同時，還能促進分布式新能源、儲能電池和直流負載間的連接更為直接、便捷、節能。 直流電能路由器與智慧物聯系統的結合，能夠有助于配電系統電能的高效分配，實現綠色能源管理，加速推動綠色建筑、綠色城市的建立。