張立偉

（山西省建筑設(shè)計研究院有限公司，山西 太原 030013）

0 引言

建筑作為城市電力消費的主體，肩負“節(jié)能降碳”的歷史重任。“光儲直柔”建筑的發(fā)展恰恰可解決可再生能源的就地消納。2021 年10 月24 日，國務(wù)院印發(fā)《2030 年碳達峰行動方案》，提出要加快優(yōu)化建筑用能結(jié)構(gòu)，提高建筑終端電氣化水平，建設(shè)集光伏發(fā)電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的“光儲直柔”建筑。到2025 年，城鎮(zhèn)建筑可再生能源替代率達到8%，新建公共機構(gòu)建筑、新建廠房屋頂光伏覆蓋率力爭達到50%，為“光儲直柔”的發(fā)展目標(biāo)指明了方向。

本文在介紹“光儲直柔”系統(tǒng)工作原理及優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，對其用于建筑的難點與對策進行分析。

1 “光儲直柔”系統(tǒng)工作原理及優(yōu)勢分析

“光儲直柔”技術(shù)作為分布式光伏發(fā)電應(yīng)用的一種型式，“光儲直柔”建筑將光伏、儲能等分布式資源與建筑直接融合，構(gòu)建一個獨立運行的微電網(wǎng)，具有系統(tǒng)簡單、調(diào)控靈活、能耗減少的優(yōu)勢，且能夠有效提升用戶用電的可靠性和經(jīng)濟性。“光儲直柔”配用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 新型建筑配用電系統(tǒng)

圖2 光儲直柔系統(tǒng)典型設(shè)計

1.1 “光”

“光儲直柔”中的“光”是充分利用建筑表面發(fā)展光伏發(fā)電。太陽能作為綠色可再生能源之一，未來作為主用能源的趨勢很大?，F(xiàn)有體量較大的建筑，其外表面的利用率很低，給發(fā)展分布式光伏的布置留有足夠大的空間資源。因此，太陽能資源的利用技術(shù)與建筑總體設(shè)計的美學(xué)融合，是未來建筑和能源發(fā)展的趨勢。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展及新型材料的研發(fā)，光伏組件的制造成本相對下降，促使光伏建筑一體化的理念變得更加可行。光伏組件晶體硅的效率提升、產(chǎn)品的商業(yè)化，促使光伏組件價格相對于10 年前降低了94%。分布式建筑光伏與集中光伏電站相比，具有投資少、運維費用低、施工便利、與建筑一體化等優(yōu)勢，而且可安裝在已有建筑屋面，節(jié)省土地使用。在新型材料方面，新型材料的不斷研發(fā)促使光伏轉(zhuǎn)換效率，電池儲能技術(shù)快速發(fā)展，未來有望更進一步突破[1]。在國家政策及國際形勢的大環(huán)境下，低碳綠色能源的深度開采與使用越來越多，光伏在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用也會越來越普及，并將成為建筑本身的組成部分，更多地滿足人類宜居建筑要求。光伏建筑具有低碳環(huán)保、經(jīng)濟美觀、節(jié)能減排、時尚多樣等優(yōu)勢。

1.2 “儲”

“光儲直柔”中的“儲”就是傳統(tǒng)意義上的蓄電池，包括電動汽車內(nèi)的蓄電池、建筑內(nèi)部的蓄電池以及普遍的手機電池等，使建筑本身具有比較大的蓄電能力，以此來解決配用電系統(tǒng)中的移峰調(diào)節(jié)問題。在“光儲直柔”配用電系統(tǒng)中儲能設(shè)備是非常重要的組成部分。儲能設(shè)備擁有響應(yīng)快、效率高、安裝維護便捷等特點，故可作為配用電系統(tǒng)的備用電源和靈活性資源。儲能設(shè)備在電力系統(tǒng)的應(yīng)用不僅是用電側(cè)，電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)也需要儲能。建筑中應(yīng)用的儲能為表后儲能，即并入用戶內(nèi)部配電網(wǎng)，平衡調(diào)節(jié)用戶配用電系統(tǒng)。通過儲能設(shè)備可對電能進行循環(huán)存儲、轉(zhuǎn)換及釋放。常用的儲能設(shè)備有物理儲能、電化學(xué)電池及電磁能量存儲介質(zhì)。光伏建筑和電動汽車的儲能設(shè)備不僅有利于提高建筑配用電系統(tǒng)的可靠性，還可以在關(guān)鍵時刻以虛擬電廠的角色向電網(wǎng)放電，成為備用電源。儲能技術(shù)目前還處于發(fā)展階段，其電池組的散熱問題是需要解決的關(guān)鍵難點[2]。儲能設(shè)備借鑒電動汽車和備用電源技術(shù)還不能滿足光伏建筑儲能的要求，需結(jié)合光伏建筑的特殊性來解決電池?zé)岚踩珕栴}。因此，建筑設(shè)計中電池如何布置才能解決散熱，電池如何控制才能更好地匹配建筑用電負荷特性等問題，是光伏建筑廣泛普及需解決的關(guān)鍵問題。

1.3 “直”

“光儲直柔”中的“直”是指建筑內(nèi)部的直流配電系統(tǒng)，通過對直流配用電系統(tǒng)電壓的控制，來調(diào)節(jié)建筑內(nèi)部用戶用電設(shè)備的用電功率，從而實現(xiàn)“柔”的特性。隨著現(xiàn)在用電設(shè)備和電源的直流化程度越來越高，直流配電是必然的趨勢，也是更符合使用、更合理的形式。光伏發(fā)電、儲能設(shè)備等均輸出直流電，LED 照明燈具、變頻空調(diào)、變頻水泵、各種電子設(shè)備等都是直流供電。采用傳統(tǒng)光伏供電系統(tǒng)，“直-交-直”兩次變化，造成大量非必要能源損耗?！肮鈨χ比帷迸潆娤到y(tǒng)則可消除該部分能源損耗，同時改變供電系統(tǒng)對電壓和頻率的限制，同時還具有提高能效，提高可靠性，降低經(jīng)濟成本，離并網(wǎng)平衡控制簡單化等優(yōu)勢。由圖2 所示的光伏建筑配用電系統(tǒng)構(gòu)架可知，在電網(wǎng)供電給單體建筑入戶處設(shè)置AC/DC 整流器，可將交流供電變?yōu)橹绷鞴╇?，同時也可將單體產(chǎn)生充足的直流電逆變?yōu)榻涣麟姺答伣o供電電網(wǎng)。光伏PV生產(chǎn)的直流電和電網(wǎng)AC/DC 轉(zhuǎn)化后的直流電存儲到儲能設(shè)備中，以保證供電的靈活性、可靠性。再由儲能設(shè)備通過建筑內(nèi)直流配用電系統(tǒng)對所有用電設(shè)備供電。根據(jù)用電負載對電壓的不同要求，直流配用電系統(tǒng)需增設(shè)DC/DC變壓器，以滿足使用。“光儲直柔”建筑配電是一種特殊的直流配電形式。早在2006 年，歐盟相關(guān)機構(gòu)就頒布了2006/95/EC 標(biāo)準(zhǔn)，定義了直流配電系統(tǒng)的概念，并明確了低壓直流配電的電壓等級范圍為75～1500V。2011 年9 月在德國德累斯頓召開的國際電工會議，該會對直流配電技術(shù)進行重點探討，并規(guī)劃出直流配電技術(shù)應(yīng)用于未來配電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)；2011 年中國國家電網(wǎng)公司展開“直流配電”方式具體應(yīng)用的相關(guān)研究；2013 年4 月19日，由多位國內(nèi)著名院士召開的第三屆“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”中國電力發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新院士的論壇上，中國電力科學(xué)研究院名譽院長周孝信院士指出，未來配電網(wǎng)將采用交、直流并存的多樣化、智能化、簡單化的配用電模式。隨著直流建筑示范項目的積累和相關(guān)技術(shù)的深入研究，相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)組織也已開展直流系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作[3]，旨在國際信息的平臺上搭建直流配用電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域信息互通，以此快速健康發(fā)展直流配用電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，促進直流配用電系統(tǒng)技術(shù)以及相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)的提升。未來，隨著光伏發(fā)電和儲能設(shè)備在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，對低壓直流配用電系統(tǒng)的技術(shù)研究及關(guān)注力度會越來越高，其使用和生產(chǎn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也會越來越完善，建筑低壓直流配用電的生態(tài)環(huán)境也會逐漸成型。

1.4 “柔”

“光儲直柔”中的“柔”是柔性用電，使建筑用電成為“可調(diào)節(jié)、可中斷”的彈性負載，建筑用電曲線和電網(wǎng)取電曲線解耦，讓建筑用電不再是傳統(tǒng)意義的剛性負載。2020 年，清華大學(xué)的江億院士首先提出“光儲直柔”概念，在直流配電的基礎(chǔ)上融合了光伏、儲能、直流配電系統(tǒng)和柔性用電負荷，旨在解決高比例可再生能源滲透下的電力系統(tǒng)面臨靈活性資源稀缺和電網(wǎng)-荷時空錯配問題。在“碳達峰、碳中和”國家戰(zhàn)略背景下，“光儲直柔”在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，是在應(yīng)對現(xiàn)氣候變化背景下，與我國能源革命和城鎮(zhèn)化發(fā)展階段相對應(yīng)的變革性技術(shù)，是帶動分布式能源、智能化配用電和建筑電器市場的突破性技術(shù)，也是保障民生、降低用能成本、提高供電可靠性的適宜技術(shù)。

建筑中設(shè)備負荷具有隨意調(diào)節(jié)、隨時中斷的特性，例如，為滿足舒適度對空調(diào)或供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，洗碗機、洗衣機等稍大功率設(shè)備的隨時啟動等。尋找電網(wǎng)靈活性需求和用戶體驗二者之間的平衡，建筑設(shè)備的可調(diào)節(jié)性也能夠成為一種潛在的靈活性資源，為電網(wǎng)配用電系統(tǒng)所用。

由于建筑領(lǐng)域目前缺乏有效的鼓勵機制，使得建筑用戶需求響應(yīng)技術(shù)還停留在理論與實際結(jié)合的研究階段，真實應(yīng)用的工程非常少。未來隨著電力市場化改革的深入推進和新型配用電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，可能會提高建筑用戶設(shè)備需求響應(yīng)柔性調(diào)節(jié)的積極性。建筑用戶將由原先的剛性能源消耗角色轉(zhuǎn)變?yōu)榧稀疤摂M電廠、能源儲備、柔性能源消耗”為一體的角色，不僅參與電力系統(tǒng)的輔助服務(wù)，還使電力容量市場更加靈活，使建筑設(shè)備柔性調(diào)節(jié)產(chǎn)生的收益更加多樣[4]。

2 “光儲直柔”系統(tǒng)的應(yīng)用難點與對策

2.1 難點與對策分析

（1）需結(jié)合建筑屋頂資源狀況、用熱用電需求和經(jīng)濟狀況，擬定應(yīng)對不同應(yīng)用場景包括儲能系統(tǒng)、直流配電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和柔性用電負荷在內(nèi)的“光儲直柔”發(fā)配電系統(tǒng)方案。

（2）光伏發(fā)電系統(tǒng)、直流用電負載、儲能系統(tǒng)的功率是實時變化的，各系統(tǒng)都通過直流配電系統(tǒng)相互連接，并與外部交流配電網(wǎng)連接。必須對光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和用電負載運行特性進行研究，設(shè)計合理的運行調(diào)控系統(tǒng)，以保證直流配用電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

（3）“光儲直柔”系統(tǒng)需要實現(xiàn)對建筑光伏發(fā)電單元、儲能單元、電力用戶的運行參數(shù)進行采集，并結(jié)合控制方案實現(xiàn)對所有單元之間以及與外網(wǎng)之間的調(diào)度控制。

（4）在直流配用電系統(tǒng)中，直流電器在使用過程中容易出現(xiàn)電弧放電現(xiàn)象，就該危害研發(fā)出一套可實施的主動滅弧方案，以提高直流電器操作的安全可靠性。此外，為滿足直流電器在新型低壓配電系統(tǒng)中柔性控制和需求響應(yīng)的需求，在主動滅弧的基礎(chǔ)上研究直流負荷功率狀態(tài)控制方法，配合相應(yīng)的用戶側(cè)需求響應(yīng)策略，實現(xiàn)系統(tǒng)對直流電器的功率響應(yīng)調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)控制的柔性度水平[5]。

2.2 示范案例

據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)外建成并實際運行的直流建筑項目已達數(shù)十個，其建筑類型涵蓋了教育、廠房、居住和辦公。大同未來能源館是一座太陽能光伏一體化建筑，采用柔性直流輸電技術(shù)，可實現(xiàn)分布式發(fā)電并網(wǎng)、能源并網(wǎng)、城市配電網(wǎng)供電、孤島供電等多種電力系統(tǒng)運行模式，達到可再生能源高比例利用、柔性靈活用能、城市電網(wǎng)“后備電源”的效果[6]。

2019 年完工的上海未來大廈，也是國內(nèi)“光儲直柔”系統(tǒng)應(yīng)用的典型工程。在用電負荷柔性控制方面，該工程利用直流母線電壓允許在360～390V 范圍內(nèi)波動的特性，以此建立起直流母線電壓與建筑直流用電設(shè)備之間的聯(lián)動關(guān)系，例如建筑儲能電池和電動車在用電低谷電壓較高時開始充電，空調(diào)設(shè)備在保證舒適度的情況下可以在用電高峰電壓較低時運行功率降低，實現(xiàn)通過調(diào)節(jié)直流母線電壓的高低來調(diào)節(jié)建筑的總用電功率，而不需要單獨對用電設(shè)備進行實時在線控制[7]。通過“光儲直柔”配用電系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，不僅促進綠色能源高效可靠的利用，還能有效降低建筑對城市供電網(wǎng)的電量需求。

3 結(jié)束語

“光儲直柔”建筑新型配用電系統(tǒng)與建筑傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)相比具有本質(zhì)的區(qū)別，一方面是源、儲、荷的布局從分離到融合，另一方面終端建筑的用電需求也將從原來的剛性需求（用戶用多少、電網(wǎng)供多少）轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝孕枨螅芍袛?、可調(diào)節(jié)）。另外，“光儲直柔”配用電系統(tǒng)的應(yīng)用使建筑供配電系統(tǒng)簡單化，并促進能效提升，可靠性提高和能量控制智能化發(fā)展。隨著“光儲直柔”技術(shù)發(fā)展，未來建筑將成為用電、發(fā)電、調(diào)節(jié)和儲電一體化的綠色新型建筑，“光儲直柔”也會成為新型電力系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域的新形態(tài)。