“光儲直柔”建筑案例特征分析及系統設計相關問題探討*

孫冬梅 康 靖 郝 斌 李雨桐 于海超 孫 林

(深圳市建筑科學研究院股份有限公司,深圳)

0 引言

實現2030碳達峰、2060碳中和的發展目標是黨中央作出的重大戰略決策。2021年10月24日,中共中央和國務院發布的《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》指出:到2060年我國的非化石能源比重達80%以上,并著重指出大力發展低碳建筑,深化可再生能源建筑的應用。然而可再生能源發電的隨機性、波動性將對城市電網的安全、穩定運行帶來極大的挑戰,制約了可再生能源大規模的應用[1]。大規?？稍偕茉吹陌l展必然要求電網系統“源、網、荷、儲”協調運行,否則將導致可再生能源出力與終端負荷時空錯配等問題[2]。

“光儲直柔”(photovoltaic,energy storage,direct current and flexibility,PEDF)是集建筑光伏、分布式儲能、直流配電、柔性用電于一體的新型建筑配電系統[2]?！肮鈨χ比帷苯ㄖ梢猿浞掷媒ㄖ夥?、儲能電池及電動汽車蓄電池、柔性用電設備等靈活性(energy flexibility,EF)資源,使建筑從剛性負載轉變為柔性負載,并能根據電力供需關系調節建筑用電功率或光伏發電功率,實現“荷隨源動”,從而有效解決太陽能光伏發電功率與建筑終端用電功率時空錯配難題,促進建筑光伏發電本地消納,提高電網供電安全性、穩定性和可靠性,對于實現零碳建筑和零碳電力都具有重要作用[1-6]。

2021年10月26日,國務院印發的《2030年前碳達峰行動方案》提出:要建設集光伏發電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的“光儲直柔”建筑,為“光儲直柔”建筑的發展目標指明了方向。2021年12月31日,工業和信息化部等五部門聯合發布的《智能光伏產業創新發展行動計劃(2021—2025年)》提出:積極開展光伏發電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的“光儲直柔”建筑建設示范,進一步細化了“光儲直柔”建筑發展的技術路徑。2022年3月1日,住房和城鄉建設部《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》提出:建設以“光儲直柔”為特征的新型建筑電力系統,發展柔性用電建筑。國家各部委出臺的相關政策對發展建筑“光儲直柔”、建筑需求響應、建筑儲能、建筑光伏等均提供了有利條件,也對合理構建“光儲直柔”系統、開發“光儲直柔”關鍵設備、開展“光儲直柔”工程應用等提出了迫切需求[7-9]。

建筑“光儲直柔”的應用涉及建筑、電氣、暖通、電力電子、自動控制及能源經濟等多專業、多學科、多領域,需要各行各業密切配合、融合發展才能實現。目前,建筑“光儲直柔”技術研究仍處于小規模示范應用與探索階段[7,10],其規?；茝V應用的場景還不明晰,“光儲直柔”系統相關技術標準還不健全[11],不同類型建筑應用場景下的“光儲直柔”系統發展的技術路徑如何確定[12]、系統拓撲結構和電壓等級如何選擇、“光”“儲”“直”“柔”四者容量如何配置[13-15]、建筑與電網如何協調優化運行調度[16-17]等仍然是困擾行業人員的關鍵問題。為此,中國建筑節能協會“光儲直柔”專業委員會組織開展了“光儲直柔”建筑示范工程案例調研,主要目的是了解我國“光儲直柔”建筑示范項目的實施情況,分析“光儲直柔”建筑示范工程的建筑分布特征和技術應用特征,提出“光儲直柔”建筑的適宜應用場景、系統拓撲結構及電壓等級選擇建議和系統容量配置方法,探討“雙碳”背景下“光儲直柔”系統發展的技術路徑,為規?；苿印肮鈨χ比帷苯ㄖl展提供實踐經驗參考。本次調研共收集了已建成、在建的“光儲直柔”建筑示范項目27個,并對其中已建成的17個典型示范項目進行建筑特征和技術應用特征分析,建筑類型涵蓋了城市和農村、居住建筑和公共建筑、建筑單體和園區等不同應用場景。

1 “光儲直柔”建筑特征分析

1.1 建筑分布特征

1) 項目位置分布。

表1顯示了調研的“光儲直柔”建筑案例基本信息。從表1可知:從太陽能資源分布情況來看,17個案例中位于太陽能資源很豐富地區的建筑占23.5%,位于太陽能資源豐富地區的建筑占76.5%;從氣候區域分布來看,寒冷地區的建筑占47.0%,夏熱冬冷地區的建筑占29.5%,夏熱冬暖地區的建筑占23.5%?？梢?建筑“光儲直柔”適用于我國大部分地區,從調查數據來看,太陽能資源豐富的寒冷地區、夏熱冬冷地區(除四川盆地)及夏熱冬暖地區應用案例較為集中。

表1 “光儲直柔”建筑案例基本信息

2) 建筑類型分布。

從建設類型來看,新建“光儲直柔”建筑占47.0%,既有建筑直流化改造的“光儲直柔”建筑占53.0%。從建筑功能來看:辦公建筑數量最多,占52.9%;其次是農村住宅,占23.5%;再次是產業園區(廠房+辦公),占11.8%;校園建筑和商業建筑各占5.9%?？梢?建筑“光儲直柔”系統正在逐步從新建建筑擴展到既有建筑,從城市辦公建筑推廣至商業建筑、校園、產業園區及農村住宅。

3) 項目規模分布。

建筑面積≤500 m2的建筑數量占23.5%,500～3 000 m2的占35.3%,3 000～5 000 m2的占11.8%,5 000～10 000 m2的占17.6%,>10 000 m2的占11.8%?？梢?雖然目前“光儲直柔”建筑項目以中小型示范建筑為主,但已有部分產業園區、大型商業綜合體建筑開始應用“光儲直柔”系統,建筑規模達幾十萬m2數量級,說明“光儲直柔”建筑應用規模正在從中小型單體建筑向校園、產業園區規?；瘧冒l展。

綜上所述:從太陽能資源利用角度來看,“光儲直柔”系統對我國大部分區域都適用,尤其是太陽能資源很豐富的寒冷地區和太陽能資源豐富的夏熱冬冷(除四川盆地)及夏熱冬暖地區。從建筑類型和建筑規模來看,建筑“光儲直柔”系統正在逐步從新建建筑擴展到既有建筑,從城市辦公建筑推廣至商業建筑、校園、產業園區及農村住宅,從中小型的單體建筑向校園、產業園區規?；瘧冒l展。

1.2 “光儲直柔”技術應用特征

1.2.1光伏技術應用特征

光伏系統形式、安裝位置、組件類型及與電網連接方式的選擇是建筑光伏系統設計需要考慮的主要內容。圖1顯示了調研的“光儲直柔”建筑案例的光伏技術應用特征分布。

圖1 光伏技術應用特征分布

從圖1可知:

1) 調研的建筑全部采用了太陽能光伏技術,并采用了與市政電網并網的連接方式。

2) 從光伏系統形式來看,71%的建筑采用了BAPV(光伏附著在建筑上)形式,53%的建筑采用了BIPV(光伏建筑一體化)形式。

3) 從光伏組件安裝位置來看,平面安裝(建筑屋頂或地面停車棚)的比例為100%,同時在建筑屋頂和立面安裝(玻璃幕墻或外墻)的僅12%。

4) 從光伏組件類型來看,82%的建筑采用了單晶硅雙面高效組件,18%的建筑采用了多晶硅組件,12%的建筑采用了碲化鎘薄膜組件。

可見,由于屋面接收到的太陽輻射量大、單晶硅組件效率高且成本低、單位面積的光伏發電量大、投資收益高,在建筑屋頂安裝高效單晶硅組件的BAPV形式仍是當前建筑光伏利用的主要方式。但由于城市建筑屋頂空間有限,建筑外立面的面積是屋頂面積的數倍,隨著光伏技術的發展進步,光伏組件的效率逐步提高且成本逐漸下降,光伏組件的色彩、形狀及透光性能也將適應建筑美觀的要求,BIPV光伏將是建筑屋頂BAPV光伏的重要補充。

1.2.2儲能技術應用特征

儲能系統設計的主要內容之一是要根據儲能系統配置的目的、建筑光伏發電量與建筑用電量的匹配關系合理確定儲能系統類型和系統容量。

圖2顯示了儲能系統應用類型分布。從圖2可知:案例中,有88.2%的建筑采用了電池儲能系統,5.9%的建筑采用了冰蓄冷系統,5.9%的建筑未采用儲能系統;在采用電池儲能的建筑中,52.9%的建筑采用磷酸鐵鋰電池,23.5%的建筑采用鈦酸鋰電池,5.9%的建筑采用鉛酸電池,5.9%的建筑采用鉛碳電池和鈦酸鋰電池?？梢?電化學儲能已成為建筑儲能的主要形式,磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等鋰離子電池是建筑中應用較廣泛的電化學儲能類型。

圖2 儲能系統應用類型分布

圖3顯示了不同類型儲能電池的額定容量、功率及充放電小時率分布。從圖3可知:磷酸鐵鋰電池的額定容量在20～717 kW·h之間,額定功率在8～400 kW之間,額定充放電小時率在0.5～5 h 之間;鈦酸鋰電池的額定容量在6.6～1 600 kW·h之間,額定功率在3.3～560 kW之間,額定充放電小時率在0.1～3 h之間;鉛碳電池的20 h充放電小時率額定容量為140 kW·h,最大放電功率為120 kW,額定充放電小時率在1～20 h之間;鉛酸電池的10 h充放電小時率額定容量為150 kW·h,最大放電功率為120 kW,額定充放電小時率在4～10 h之間。因此,儲能系統設計時宜根據不同的儲能系統配置目的,綜合考慮儲能電池的技術性能及經濟性來合理選擇電池類型:對于消納光伏、削峰填谷等能量型儲能系統,宜選擇能量密度高、放電時間較長的電池;對于參與調峰調頻電力輔助服務等功率型儲能系統,宜選擇功率密度大、放電時間較短的電池。

圖3 不同類型儲能電池的額定容量、功率及充放電小時率

1.2.3直流配電系統技術特征

直流配電系統拓撲結構和電壓等級的選擇是直流配電系統設計的關鍵內容,合理的系統拓撲結構和電壓等級是保障供電安全性和可靠性、提高系統經濟性和運行靈活性、降低系統輸配損耗的基礎[18]。

中壓直流配電系統網絡結構按照電源數量及線路連接方式的不同分為單端單路輻射狀、單端雙路輻射狀、單端環狀、雙端、多端樹枝狀、多端環狀,不同配電網絡結構的特點及適用場景見表2[18]。低壓直流配電系統按照直流母線接線型式分為單極和雙極[19]:單極拓撲結構簡單、建設成本低、運行控制簡單,適合用電負荷功率差異不大的場景;雙極拓撲結構能夠以1個電壓等級提供2個供電電壓層級,有利于簡化電壓層級、提高輸配效率和供電靈活性,但雙極拓撲結構存在正負極之間負載不平衡問題,需要安裝電壓平衡器,結構復雜、建設成本高、運行控制難度大,適合供電范圍較大、用電負荷功率差異大的場景[20]。

表2 不同中壓直流配電網絡結構的特點及適用場景[18]

直流配電系統按照電源與負載之間的電壓變換層級分為單級和多級,單級結構適用于電源與負載距離較近、負載較小的場合,多級結構適用于電源與負載距離較遠、負載較大的場合,電壓層級需要與電壓等級相適應。GB/T 35727—2017《中低壓直流配電電壓導則》明確直流配電系統電壓等級的確定總體原則是簡化電壓等級、減少變壓層次、優化網絡結構,并推薦中壓直流配電系統優先選擇3 kV(±1.5 kV)、±3 kV、±10 kV、±35 kV,低壓直流配電系統優先選擇1 500 V(±750 V)、750 V(±375 V)、220 V(±110 V)[21]。T/CABEE 030—2022《民用建筑直流配電設計標準》從民用建筑用電負荷容量、供電半徑、用電設備發展趨勢及系統安全性等因素綜合比較確定,推薦采用DC750 V、DC 375 V和DC 48 V 3個電壓等級[19-20]。

表3顯示了建筑直流配電系統主要技術參數,圖4顯示了調研的建筑案例的直流配電系統電壓等級分布。

圖4 建筑直流配電系統電壓等級分布

表3 建筑直流配電系統主要技術參數

從表3和圖4可知:

1) 從中壓配電系統結構來看:調研的建筑案例大部分采用了單端單路輻射狀結構,主要為中小型民用建筑(辦公建筑1～5、產業園2和3、農村住宅1～3),用電負荷為3級負荷,用電負荷集中且負荷容量較小,對供電可靠性要求不高,采用單端單路輻射狀結構是最經濟合理的。產業園1是包含工業生產、辦公及員工宿舍的大型產業園區,供電范圍大且負荷容量大,對供電可靠性要求較高,采用雙端結構是合理的。農村住宅4是包含131戶農戶的村莊,建筑屋頂及場地均鋪滿光伏,具有供電范圍大、多點高密度分布式電源接入特點,采用多端樹枝狀結構是符合應用場景需求的。商業建筑供電范圍包含2棟商業建筑及地下車庫充電樁,負荷分布廣且充電樁瞬時負荷大,采用多端環狀結構有利于提高供電可靠性,減少停電造成的經濟損失。典型建筑直流配電系統拓撲結構見圖5～8。

圖6 雙端結構(產業園1)

圖7 多端環狀結構(商業建筑)

圖8 多端樹枝狀結構(農村住宅4)

2) 從低壓直流配電系統接線型式來看:調研的建筑案例中有80%采用了單極接線型式,分別為中小型民用辦公建筑2～5及7、商業建筑、農村住宅1～4、產業園2和3,主要是因為建筑規模小、用電設備額定功率差異不大,所以低壓直流配電系統供電半徑較小、電壓層級少,采用單極接線型式即可滿足不同用電設備使用要求。大型產業園1因為包含工業生產、辦公及員工宿舍等不同類型負荷,所以供電范圍大且負荷功率差異較大,采用雙極接線型式有利于簡化電壓層級和降低輸配損耗,同時可適應多種應用場景的供電靈活性要求。

3) 從低壓直流配電系統電壓等級來看:調研的建筑案例的電壓等級以2級為主(占調研案例數量的73%),不超過3級,且電壓等級均采用了標準中的優先推薦值DC 750 V、DC 375 V、DC 48 V。其中DC 750 V主要為光伏、儲能、充電樁、空調室外機及工業生產設備等大功率設備供電,注重傳輸效率;DC 375 V主要為監測展示設備(大功率展示屏、服務器等)及其他中等功率設備(微波爐、電磁爐、燒水壺等)供電;DC 48 V主要為直流空調室內機、直流照明及其他小功率設備(IT類辦公設備、充電器、飲水機、電風扇等)供電,側重于供電安全性;個別建筑采用了DC 220 V,主要是為了兼容原有的交流220 V變頻用電設備,避免更換終端用電設備帶來增量投資。

綜上所述,“光儲直柔”建筑的拓撲結構和電壓等級與具體應用場景下的用電負荷特性、分布式電源特性、供電容量、供電半徑及供電安全性、可靠性和經濟性等因素有關,需要綜合考慮多種因素合理確定。結合現有相關標準及案例應用情況,對于直流配電系統拓撲結構和電壓等級的基本規律總結如下:

1) 關于拓撲結構選擇,單體民用建筑的中壓直流配電系統優先采用單端單路輻射狀結構,多棟民用建筑的中壓直流配電系統可采用多端環狀結構,整村多戶并網的農村住宅的中壓直流配電系統采用多端樹枝狀結構,民用建筑低壓直流配電系統優先采用單極接線型式[20,22];大型工業園區中壓直流配電系統采用雙端或多端環狀結構,低壓直流配電系統優先采用單極接線型式,用電設備額定功率差異較大時可采用雙極接線型式。

2) 關于電壓等級選擇,民用建筑中壓直流供配電系統的電壓等級不多于2級,低壓直流配電系統的電壓等級不多于3級,并優先采用標準中推薦的標準電壓值。當用電設備的額定功率在250 kW及以上時,多采用中壓直流供電;當用電設備的額定功率在250 kW以下時,建議采用低壓直流供電[13,23]。其中:對于額定功率大于15 kW的大功率設備,宜采用DC 750 V供電,以提高供電效率;對于額定功率在500 W～15 kW之間的中等功率設備,宜采用DC 375 V供電,兼顧效率和經濟性;對于人員頻繁使用的額定功率小于或等于500 W的小功率設備,宜采用DC 48 V供電,保障供電安全性[19-20]。

1.2.4建筑直流配電應用場景

直流配電系統在建筑中發展應用的重要內因是建筑用電負載逐漸趨于直流化[6]。圖9顯示了調研的建筑案例的直流用電設備類型分布。從圖9可知,案例中,88%的建筑采用了直流空調、直流照明,71%的建筑采用了直流監測展示設備(展示屏、服務器等)及其他小功率直流設備(直流辦公設備、飲水機、電風扇、無線充電器等),65%的建筑采用了其他中等功率直流設備(微波爐、電磁爐、燒水壺等),59%的建筑采用了直流充電樁,12%的建筑采用了直流工業生產設備?？梢?建筑中的照明、空調、IT類辦公設備及監測展示設備、家用電器及充電樁采用直流供電已比較成熟,主要是由于這些用電設備的內部結構本身是直流驅動的或者變頻器是直流驅動的,具備直流化的良好基礎條件。

圖9 建筑直流用電設備類型分布

2 建筑“光儲直柔”系統容量配置方法

2.1 “光儲直柔”系統容量配置的總體原則

當建筑采用“光儲直柔”系統時,建筑與電網的關系變成了建筑光伏、儲能、用能負荷和電網四者之間的關系[19-20]。因此,建筑“光儲直柔”系統設計方法比傳統的交流配電系統更復雜,需要根據逐時建筑光伏發電功率、建筑電網交互功率、儲能充放電功率和建筑用電負荷功率四者的動態能量平衡關系來確定四者的容量配置,見式(1)。

Epv,ij+Eg,ij=El,ij+Eb,ij

(1)

式中Epv,ij、Eg,ij、El,ij、Eb,ij分別為第i天j時刻的光伏發電功率、建筑電網交互功率、建筑用電負荷功率、儲能電池充放電功率,kW。

建筑“光儲直柔”系統容量配置的總體方法流程如下:

1) 根據建筑基本信息和建筑用電設備參數,采用能耗模擬軟件計算全年8 760 h逐時建筑用電負荷功率;

2) 根據建筑屋頂、立面及場地可用于鋪設光伏的面積確定光伏系統的最大安裝面積及安裝容量,并采用光伏系統設計軟件模擬計算全年8 760 h逐時光伏發電功率;

3) 根據逐時建筑用電負荷功率與逐時光伏發電量的匹配關系,進行光伏消納方式分析,并結合“光儲直柔”系統設計目標,確定適宜的光伏安裝容量及“光儲直柔”系統總體技術路線;

4) 按照日能量平衡原則,確定每天的建筑電網交互電量,并結合“光儲直柔”系統優化目標計算逐時建筑與電網交互功率,根據最大逐時交互功率確定建筑與電網交互入口AC/DC變換器的容量;

5) 根據四者能量平衡關系(見式(1))計算逐時儲能充放電功率,并根據儲能日充放電量平衡原則,確定日儲能充電量和放電量,按照最大日充電量或放電量確定儲能系統額定能量,再按照“儲能額定功率=儲能額定能量÷額定放電小時率”的關系確定儲能額定功率。

2.2 建筑光伏系統容量配置方法

由于建筑光伏發電與建筑用電在時間尺度上不同步,建筑光伏消納方式分析時不僅要分析全年建筑光伏發電量與建筑用電量的匹配關系,更重要的是要分析典型日逐時光伏發電功率與建筑用電功率的匹配關系[4-5,24],如圖10所示。光伏自消納率Rsc(self-consumption rate)和光伏自給率Rss(self-sufficiency rate)是反映建筑光伏利用技術性能的2項重要指標。Rsc是指建筑本地消納的光伏電量占光伏年總發電量的比例,Rss是指建筑本地消納的光伏電量占建筑年總用電量的比例[25],計算式見式(2)～(6)。Rsc和Rss均在0～1之間變化。Rsc越大,棄光量或需要上網的電量越少,光伏系統的能源利用效率越高。Rss越大,從電網購買的電量越少,光伏系統保障建筑用電需求的能力越強。對于具體建筑而言,可采用如圖11所示的Rsc與Rss分布圖來進行光伏消納方式分析。當Rss等于Rsc時,建筑光伏年總發電量可以完全抵消建筑年總用電量,為凈零能耗建筑(圖11中斜線所示);當Rss大于Rsc時,建筑光伏年總發電量大于建筑年總用電量,為光伏“上網輸出型”建筑(圖11中斜線上方區域);當Rss小于Rsc時,建筑光伏年總發電量小于建筑年總用電量,為光伏“自消納型”建筑(圖11中斜線下方區域)。

圖10 典型建筑逐時用電負荷與光伏發電功率匹配關系

圖11 光伏自消納率(Rsc)與光伏自給率(Rss)分布

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(2)～(6)中Epv,u為建筑本地消納的光伏電量,kW·h;Epv為光伏年總發電量,kW·h;El為建筑年總用電量,kW·h;El,i、Epv,i、Epv,u,i分別為第i天的建筑用電量、光伏發電量、建筑本地消納的光伏電量,kW·h。

2.3 AC/DC變換器容量配置方法

建筑與電網交互入口AC/DC變換器的容量按照如下方法計算:

首先,按照日能量平衡原則,根據每天的建筑用電量與光伏發電量的差異確定每天的建筑電網交互電量(見式(7)),正值表示建筑從電網取電,負值表示建筑向電網返送電力。

然后,結合“光儲直柔”系統優化目標(如經濟運行、低碳運行、柔性調節等),計算逐時建筑電網交互功率。經濟運行目標情景下,需要結合峰谷電價使系統年運行成本最低或年化總成本最低(見式(8));低碳運行目標情景下,需要充分利用建筑本地光伏發電抵消建筑用電使建筑從電網取電量最少(見式(9));柔性調節目標情景下,要求建筑電網交互功率與電網下達的目標功率的方差最小(見式(10))。

最后,根據逐時建筑電網交互功率的最大值確定建筑與電網交互入口AC/DC變換器容量(見式(11))。

Eg,i=El,i-Epv,i

(7)

minCAT=Cpv,IKpv+Cb,IKb+CAC/DC,IKAC/DC+CDC/DC,IKDC/DC+Cpv,OM+Cb,OM+CAC/DC,OM+CDC/DC,OM+12Stfptf+

(8)

(9)

(10)

(11)

式(7)～(11)中Eg,i為第i天建筑與電網交互電量,kW·h;CAT為系統年化總成本,包括初投資、運行維護成本和運行電費,元;Cpv,I、Cb,I、CAC/DC,I、CDC/DC,I分別為光伏、儲能、AC/DC變換器、DC/DC變換器的初投資,元;Kpv、Kb、KAC/DC、KDC/DC分別為光伏、儲能、AC/DC變換器、DC/DC變換器的初投資折算年金系數;Cpv,OM、Cb,OM、CAC/DC,OM、CDC/DC,OM分別為光伏、儲能、AC/DC變換器、DC/DC變換器的年運行維護成本,元;Stf為變壓器容量,kV·A;ptf為變壓器容量電價,元/(kV·A·月);Eg,p,ij、Eg,m,ij、Eg,op,ij分別為峰、平、谷時段建筑與電網交互功率,kW;pp,ij、pm,ij、pop,ij分別為峰、平、谷時段的電量電價,元/(kW·h);Eg為年建筑與電網交互電量,kW·h;F(Eg,ij)為建筑電網交互功率與電網下達的目標功率的方差;Eg,o,ij為第i天j時刻電網下達的目標功率,kW;PAC/DC為建筑與電網交互入口AC/DC變換器容量,kW;ηAC/DC為AC/DC變換器的能量轉換效率。

2.4 建筑儲能系統容量配置方法

建筑儲能系統主要是為了解決一天之內的建筑用電負荷功率與光伏發電功率不平衡、不匹配的問題[5,26]。建筑儲能系統容量配置方法如下:

首先,按照四者能量平衡(見式(1))計算逐時儲能充放電功率(見式(12)),正值表示儲能放電,負值表示儲能充電;

然后,計算每天的儲能放電量(見式(13))和充電量(見式(14)),按照儲能充放電量日平衡原則,取日儲能充電量和日儲能放電量中的較小值作為日儲能放電能量(見式(15));

最后,根據全年最大日儲能放電量確定儲能系統額定能量(見式(16)),再按照儲能電池的額定放電能量、額定放電功率與額定放電小時率的關系確定儲能額定功率(見式(17))。

Eb,ij=El,ij-Epv,ij-Eg,ij

(12)

(13)

(14)

E′b,i=min(Eb,d,i,-Eb,c,i)

(15)

(16)

(17)

式(12)～(17)中E′b,i、Eb,d,i、Eb,c,i分別為第i天儲能電池的實際放電量、計算放電量、計算充電量,kW·h;Eb,d,ij、Eb,c,ij分別為第i天j時刻儲能電池的放電功率、充電功率,kW;Eb為儲能電池的額定放電能量,kW·h;ηb為儲能電池的充放電效率;ηd為儲能電池的充放電深度;Pb為儲能電池的額定放電功率,kW;n′b為儲能電池的額定放電小時率,h。

圖12顯示了調研的建筑案例的建筑與電網交互入口AC/DC、光伏DC/DC、儲能DC/DC、直流負載的容量配比關系。

圖12 市電AC/DC、光伏DC/DC、儲能DC/DC、直流負載容量配比關系

從圖12可知:

1) 對于光伏“自消納型”的城市辦公建筑、商業建筑和大型產業園區建筑,儲能系統配置的目的是充分利用建筑本地光伏發電以減少從市政電網取電量,其AC/DC變換器容量需根據典型日從電網取電功率來配置。調研的辦公建筑(1～3、5、6)、商業建筑和大型產業園1的AC/DC變換器容量比直流負載容量降低了0～65%,符合“自消納型”“光儲直柔”建筑的容量配比關系。

2) 對于光伏“上網輸出型”的農村住宅,儲能系統配置的目的是充分利用本地光伏發電以減少光伏上網電量,其AC/DC變換器容量需根據典型日光伏發電上網功率來配置。農村住宅4的AC/DC變換器容量比光伏DC/DC變換器容量降低了10%,符合“上網輸出型”“光儲直柔”建筑的容量配比關系。農村住宅1～3為太陽能競賽項目,不僅要實現并網運行時的產能建筑目標,還要實現離網運行48 h期間的建筑能源自給自足,在太陽能光伏極端不利天氣條件下,儲能系統需要能夠儲存2 d的建筑用電量需求,并在離網前一天把電充滿,此時AC/DC變換器容量根據儲能充電功率與負載用電功率之和確定,與“上網輸出型”的住宅有所不同。

3 “光儲直柔”建筑技術發展路徑探討

在“雙碳”背景下,“光儲直柔”建筑一方面需要充分利用建筑自身光伏發電可再生能源,減少建筑的化石能源消耗;另一方面需要減少與電網的雙向交互頻次,以減少對電網的影響,降低電力運行調度難度。因此,需要開展建筑光伏消納方式分析,明確不同類型建筑作為建筑光伏發電消納者或生產者的定位[4-5],確保建筑與電網之間是單向交互。

1) 城市辦公、商業建筑的Rsc大于Rss,為光伏“自消納型”建筑,主要是由于城市建筑用電負荷需求大,且建筑屋頂空間資源有限,建筑光伏年發電量小于建筑年用電量。因此,城市建筑“光儲直柔”系統設計時應重點關注“儲”和“柔”,充分利用建筑分布式儲能、電動車及柔性負荷等靈活性資源,最大化利用建筑光伏發電量,實現光伏發電全部本地消納,不足用電量從電網取電補充。

2) 農村建筑的Rsc小于Rss,為光伏“上網輸出型”建筑,主要是由于農村建筑用電負荷需求較小,且有大量的建筑屋頂及庭院空間鋪設太陽能光伏板,建筑光伏年發電量大于建筑年用電量。因此,農村建筑“光儲直柔”系統設計時應重點關注“光伏自消納”和“上網輸出”兩方面問題。針對光伏自消納問題,可通過推動農村用能電氣化增加用電需求,同時發展光伏+電動車、光伏+電動農用機具等“光伏+”系統,將多余的光伏發電量儲存起來供需要時使用,實現建筑及農業生產用電量全部由本地光伏發電量供應;本地無法消納的光伏發電量的上網輸出問題,可通過優化村級直流配電網結構(如采用多端樹枝狀或環狀結構)實現光伏發電量跨臺區消納,進一步減少光伏上網電量;仍有多余的光伏發電量可通過建設村級儲能設施,在電網需要時上網,從而保障電網供電安全性和可靠性,同時用戶也能從中獲得一定的電力需求響應經濟激勵。

3) 產業園區建筑的Rsc與Rss受建筑規模、用電負荷需求量及可用于鋪設光伏的屋頂和場地空間等影響差異較大。中小型產業園的Rsc小于Rss,為光伏“上網輸出型”建筑;大型產業園的Rsc大于Rss,為光伏“自消納型”建筑。因此,對于中小型產業園區,可結合園區員工通勤需求設置電動汽車雙向充電樁,以提高建筑光伏自消納率,同時利用電動車蓄電池儲存多余的光伏發電量供建筑需要時使用,仍有多余的光伏發電量再上網。對于大型產業園區,可結合員工通勤需求設置電動汽車或電動大巴車雙向充電樁,并設置一定規模的集中式儲能系統,利用電動車蓄電池和儲能系統儲存白天多余的光伏發電量供晚上工業生產使用,最大化利用建筑光伏發電量,實現光伏發電全部本地消納,不足用電量從電網取電補充。

4 結論與展望

4.1 結論

1) “光儲直柔”系統的適宜應用場景:“光儲直柔”適用于我國大部分地區,尤其是太陽能資源很豐富的北方嚴寒、寒冷地區和太陽能資源豐富的夏熱冬冷(除四川盆地)和夏熱冬暖地區,建筑類型和建筑規模正在逐步從新建建筑擴展到既有建筑,從城市辦公建筑推廣至商業建筑、校園、產業園區及農村住宅,從中小型的單體建筑向校園、產業園區規?；瘧冒l展,建筑中的照明、空調、IT類辦公設備及監測展示設備、家用電器和充電樁是直流化的成熟應用場景。

2) 光伏技術應用特征:在建筑屋頂安裝高效單晶硅組件的BAPV形式仍是當前建筑光伏利用的主要方式,隨著光伏技術的發展進步,光伏組件的色彩、形狀及透光性能將適應建筑美觀的要求,光伏組件的效率逐步提高且成本逐漸下降,建筑外立面BIPV光伏形式將是建筑屋頂光伏的重要補充。

3) 儲能技術應用特征:電化學儲能是建筑儲能的主要形式,磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等鋰離子電池是建筑中應用較廣泛的電化學儲能類型。儲能系統設計時宜根據儲能系統設計目的和應用場景,綜合考慮儲能電池的技術性及經濟性來合理選擇電池類型,對于消納光伏、削峰填谷等能量型儲能系統,宜選擇能量密度高、放電時間較長的電池,對于參與調峰調頻電力輔助服務等功率型儲能系統,宜選擇功率密度大、放電時間較短的電池。

4) 直流配電系統技術特征:“光儲直柔”建筑應結合應用場景,綜合用電負荷特性、分布式電源特性、應用范圍、供電容量、供電半徑、供電安全性、可靠性和經濟性等因素,合理確定直流配電系統拓撲結構和電壓等級。建議單體民用建筑的中壓直流配電系統采用單端單路輻射狀結構,多棟民用建筑可采用多端環狀結構,整村多戶并網的農村住宅采用多端樹枝狀結構,大型工業園區中壓直流配電系統采用雙端或多端環狀結構,民用建筑低壓直流配電系統優先采用單極接線型式。民用建筑中壓直流供配電系統的電壓等級不多于2級,低壓直流配電系統的電壓等級不多于3級,并優先采用標準中推薦的標準電壓值。

5) 建筑“光儲直柔”系統容量配置:建筑“光儲直柔”系統設計時需要根據逐時建筑光伏發電功率、建筑電網交互功率、儲能充放電功率和建筑用電負荷功率四者的動態能量平衡關系來確定四者的容量配置。建筑光伏系統按照“應裝盡裝”的總原則,并根據逐時建筑用電負荷功率與逐時光伏發電量的匹配關系確定適宜的光伏消納方式和安裝容量。建筑與電網交互入口AC/DC變換器容量按照日能量平衡原則,并根據建筑與電網最大逐時交互功率確定,光伏“自消納型”的城市辦公、商業建筑根據典型日從電網取電功率來配置,光伏“上網輸出型”的農村建筑根據典型日光伏發電上網功率來配置。儲能系統按照日充放電量平衡原則,根據最大日充電量或放電量確定儲能系統容量,再按照“儲能額定功率=儲能額定容量÷充放電小時率”的關系確定儲能功率。

6) 建筑“光儲直柔”系統技術路徑:城市和農村建筑的用電負荷需求和可再生能源資源條件的差異決定了其“光儲直柔”系統設計時的關注點應有所不同。城市建筑“光儲直柔”系統設計時需重點關注“儲”和“柔”,充分利用建筑分布式儲能、電動車及柔性負荷等靈活性資源,實現“荷隨源動”,提高建筑光伏本地消納比例,并通過參與電力市場交易獲得額外經濟收益。農村建筑“光儲直柔”系統設計時需重點關注建筑光伏本地消納和上網輸出問題,通過推動農村用能電氣化,發展光伏+電動車、農用電機具等“光伏+”系統,促進建筑本地光伏消納,同時通過村級直流配電網臺區互聯及蓄電蓄熱設施等措施實現不同農戶的用電需求與光伏發電的優化匹配,解決光伏上網輸出問題。

4.2 展望

建筑“光儲直柔”系統的規?；茝V應用需要政策、標準、產品的多方面協同推進和示范工程的應用驗證,需要進一步完善“光儲直柔”系統應用的市場化激勵機制和政策,建立并完善“光儲直柔”系統設計、施工、檢測、評價及關鍵設備與接口標準,推動相關跨行業標準協同,加快推進建筑直流配電設備及用電設備研發及產品化,并將相關政策、標準、產品在示范工程中應用驗證,形成針對不同應用場景的成套技術方案、成熟產品及運營模式,實現建筑“光儲直柔”技術的商業價值。