光储直柔——助力实现零碳电力的新型建筑配电系统

清华大学 江 亿

1 什么是建筑的光储直柔配电系统

典型的光储直柔配电系统如图1所示。“光”指的是建筑屋顶光伏发电，通过DC/DC(直流到直流的变流器)接入375 V直流母线。“储”则是指由直流母线通过DC/DC连接的、布置于一处或多处的蓄电池组，以及由这条直流母线连接的布置在邻近停车场的若干个充电桩，通过这些充电桩为停车场电动汽车蓄电池充/放电。“直”是指实现直流供电，包括动力和充电设备的375 V直流，以及通过DC/DC变换得到的供小功率电器使用的48 V直流分支。375 V直流母线通过AC/DC(交流到直流变流器)与交流380 V的外电网连接，从外电网输入电量以满足建筑的用电需求。“柔”是指这一系统对电网来说，不是供电量必须等于此时负载侧消耗电量的刚性负载，而是从电网的取电量可以根据电网的供需关系在较大范围内调节，从电网侧看，这一用电系统成为电网的柔性负载。柔性的实现主要通过各用电设备的“需求侧响应”实现，各设备可以根据电网的供需关系自动改变其瞬时用电功率；还包括各蓄电池的“需求侧响应”，系统内所连接的蓄电池和电动汽车蓄电池可以根据电网的供需状况调节充电/放电功率，从而改变AC/DC处从外电网进入系统的电功率。所以光储直柔配电系统的最终目标是使建筑用电系统由目前的刚性负载变为柔性负载，可以根据电力系统的供需关系随时调整用电功率，而不决定于当时系统内各用电设备的用电功率。

图1 建筑光储直柔配电系统原理

光储直柔配电系统的工作原理如下。电力系统根据电网的电力供需关系，要求光储直柔配电系统某时刻的用电功率为P0，此时AC/DC可恒定输出功率P0。直流母线输入功率为P0+PV，其中PV为光伏发电的输入功率。由于各用电设备和蓄电装置的功率随直流母线电压的变化而自行变化，所以当包括蓄电池和充电桩在内的各用电设备的总功率等于P0+PV时，如果直流母线电压处于要求的上限电压Vmax和下限电压Vmin之间，则系统维持平衡。当某用电设备试图增大功率，使总功率高于P0+PV时，直流母线电压下降，此时各用电设备将自动根据电压下降程度减小自身用电功率；蓄电池、充电桩也根据电压下降程度减小充电电流，甚至转换为通过放电向系统提供部分功率。这样，随着直流母线电压的下降，系统从外电网的取电功率不断下降，最终重新平衡到P0+PV。反之，如果各用电设备试图降低功率，从而使总功率低于P0+PV，母线电压就会升高，各用电设备就会根据电压的升高自动加大自身的用电功率，蓄电池、充电桩也会自动增大充电功率，这样，从外网取电的功率就会重新平衡在P0上。

当外电网和光伏发电的供电功率P0+PV过大，而各用电设备和充电装置功率过小时，直流母线电压达到允许的上限Vmax，此时就要通过AC/DC减小从外电网引入的电功率P0和调节光伏发电的DC/DC，通过部分“弃光”使母线电压稳定在Vmax；而当外电网和光伏发电的供电功率过小，小于当时各用电设备的总功率，而各蓄电装置也已经无电可放时，AC/DC将加大供电功率，使直流母线电压维持在Vmin，以保证基本的用电需求。在这2种情形下，系统从外电网的取电功率会出现小于或大于要求的用电功率P0的现象，此时光储直柔配电系统就不能实现严格按照要求的取电功率从外电网取电。是否会出现这种工况取决于系统内各用电设备功率的可调节能力，也取决于系统设置的蓄电池和当时所连接的电动汽车的蓄电池容量。

建筑光储直柔配电系统既然是为了配合电网进行功率调节，就要考察其在各种工况下从外电网取电功率的可调整范围。而这一功率可调整范围取决于建筑内部分布设置的蓄电池容量、建筑周边停车场所连接的电动汽车电池总容量及各个用电装置的功率可调节能力。这些都将在后文中进一步讨论。

2 为什么要发展建筑光储直柔配电系统

实现碳中和战略的主要任务之一是实现从以化石能源为基础的碳基电力系统转为以可再生能源为基础的零碳电力。表1给出了我国目前的电力系统电源构成和希望未来实现的零碳电力系统的电源构成。从表1可知，未来风电、光电的装机容量要从目前的20%左右增加到80%左右，风电、光电提供的电量则要从目前的不到10%增加到60%左右。大规模发展风电、光电就必须解决以下问题：1) 风电、光电的安装空间；2) 风电、光电的发电功率变化与终端用电功率变化的不同步性。光储直柔配电系统恰恰是针对这2个问题给出的解决方案。

2.1 在哪里安装风电、光电系统

风电、光电系统接收的是自然界风力能和太阳能，其发电功率与占地面积成正比。按照目前的风电、光伏发电技术水平，单位水平面积的发电能力约为100 W/m2，远远低于核电、火电和水电。按照表1的规划，如果我国未来需要的风电、光电装机容量为60亿kW，则需要约600亿m2的水平安装空间，这约为1亿亩土地。我国为了保证基本的粮食供应，需要12 000亿m2(18亿亩)农田[1]。相比之下为能源的需要所增加的600亿m2土地是巨大的空间需求。

表1 我国2019年和2050年电力系统的装机容量和发电量

由此就自然会想到在我国西部地区有大量的沙漠、戈壁滩可用来开发风电、光电。这也确实是近年来发展风电、光电的重要方向。然而，我国主要的用电负荷集中在胡焕庸线以东，可大规模开发利用的沙漠和戈壁滩则在胡焕庸线以西，二者距离几千km。出于这一目的，我国近年来修建了多条超大功率长距离输电线路，但为了有效发挥其作用并保证输电过程的稳定性，需要用水电或火电与风电、光电“打捆”，形成相对稳定的输电功率。根据一天内风电、光电的变化规律，需要投入的水电或火电功率与所输送的风电、光电功率之比至少要达到1∶1[2]。尽管我国西部地区有丰富的水力资源，但其总量不超过5亿kW，所以也就仅能为5亿kW的风电、光电“打捆”。更多的风电、光电就需要由当地的燃煤燃气产生的火电来匹配。这样，就无法降低未来电力系统中燃煤燃气火电的比例，也就不能实现零碳电力的目标。当然也可以在建设风电、光电基地的同时设置巨大的储能设施，使一天的风电、光电经储能调整，成为全天稳定的电力，如此，需要配备的储能容量至少要达到全天发电总量的50%～60%。1 W太阳能光伏器件一天可发电10 W·h，需要的储电容量为5～6 W·h，采用化学储能装置的成本在6元/W以上；而1 W的光伏器件目前成本不到1.5元，包括支架、逆变器、变压器等全套光伏发电系统的成本也不超过4元/W。这样，在电力产地采用化学储能就使得系统成本由4元/W增加到10元/W。而另一方面，太阳能光伏电力的特点是白天大功率、晚上零功率，这又与东部终端用电的负荷特性接近。如果一天内恒定地西电东输，东部地区就要在夜间把多出来的电力储存起来，供白天用电高峰期使用。按照典型的一天内办公建筑用电变化规律，夜间需要储存的电量约为一天用电总量的30%～40%(见图2)，这等于又要巨大的储能资源来调节用电侧的峰谷差。如此，西部光伏发电东输的成本为：光伏发电成本(4元/W)+西部地区化学储能成本(6元/W)+东部地区化学储能成本(3～4元/W)。经过两次叠加后的化学储能成本几乎为光伏发电系统本身成本的2.5倍。

图2 典型办公建筑用电负荷与光电发电曲线的耦合关系

如果在我国东部负荷密集区发展光电，如图2所示，太阳能光电一天的变化与一天内建筑用电负荷的变化具有一定的耦合度，这时，每W光伏发电对应的化学储能容量仅为2～3 W·h，远低于在西部安装时要求的西部5～6 W·h储能加东部3～4 W·h储能，共计8～10 W·h的储能，从而使光伏系统所需要的储能规模大幅度降低。并且储放电量仅为在西部发电方式的1/3，储放电损失和长途输送损失的降低可使系统效率提高20%～30%，几乎抵消了西部太阳辐射强度比东部高30%～40%的优势。所以，至少对于太阳能光伏发电系统来说，可能更适合优先在东部负荷密集区域发展。

那么东部地区土地资源极度紧张，在哪里安装光伏电站？可能的地方就是各类建筑的屋顶等各种目前尚闲置的空间。清华大学建筑节能研究中心、中国建筑设计研究院有限公司与自然资源部卫星信息研究所合作，利用高分卫星图片和现场抽样调查统计分析研究认为，我国城乡可用的屋顶折合水平表面面积为412亿m2，在充分考虑各种实际的安装困难，留有充分余地后，可得到结论：城镇空闲屋顶可安装光伏发电容量8.3亿kW，年发电量1.23万亿kW·h；农村空闲屋顶可安装光伏发电容量19.7亿kW，年发电量2.95万亿kW·h。这样，城乡可安装光伏发电容量28亿kW，超过我国规划的未来光伏装机总量的70%，潜在年发电量4.2万亿kW·h，超过我国规划的未来光伏发电总量的70%。城乡建筑屋顶及其他可获得太阳辐射表面的光伏发电应是我国未来大规模发展光伏发电的主要方向。

发展屋顶光伏发电系统，或BIPV(建筑光伏一体化)，与发展边远地区集中式光伏基地相比，至少有如下优点：

1) 利用现有空闲空间，不需要三通一平整治荒地，安装成本低。

2) 纳入建筑的日常维护管理，只需要定期作表面清洁，大幅度降低维护成本。

3) 可接入建筑低压配电系统中，尤其是可直接接入光储直柔配电系统中。对于大多数城市建筑屋顶，无需送电上网。这就避免了集中式光伏发电层层逆变、升压上网，然后再返回到用电终端这一过程，减少传输过程的初投资和传输损耗，并且不必改变当前城市电网单向受电的特性。对于乡村屋顶光伏发电系统，其发电量大于当地生活、生产和交通需要的电力，必须发电上网。但发电上网的电量也仅为总发电量的1/3～1/2，同样可减少电力输送的初投资和损耗。

4) 避免巨大投资建设超大功率的西电东输系统，节省投资和土地。

因此，我国太阳能光伏发电未来最主要的发展方向是建筑屋顶和其他表面，最主要的接入方式是优先自发自用。光储直柔的配电方式完全适合于这种建筑光伏发展模式。

2.2 如何破解风电、光电不可调控的难题

以化石能源和水电为主的传统电力系统的基本调控模式是“源随荷变”，任何负载侧的变化都要由电源侧的实时调节来平衡，调节过程中的变化则依靠发电机组转子系统巨大的转动惯量来平衡。当风电、光电成为主要电源后，其发电功率由天气状况决定，只有弃风弃光减小发电功率的调控手段。这样就要求“荷随源变”，或者增加巨大的蓄能环节来平衡源与荷之间的功率差别。

一种方式是在电源侧或关键的电网节点处设置巨大的蓄能装置，通过调节蓄能装置的储放电量，使风电、光电加上蓄能装置，仍然维持“源随荷变”的功能。实现这种蓄能功能的技术途径有：

1) 抽水蓄能电站。尽管蓄能电站储放综合效率不到70%，但已是最好的蓄能装置，也是灵活电源。而蓄能电站只有在合适的地理环境资源条件下才能建设。如果未来全国风电、光电年发电量8万亿kW·h，则仅实现一天内调节就需要蓄能300亿kW·h，我国目前满足建设抽水蓄能电站条件的资源不足30亿kW·h，仅能满足1/10的需要。包括土木工程建设，每百万kW·h的抽水蓄能电站建设费用超过10亿元，300亿kW·h的抽水蓄能电站需要30万亿元，这是一笔巨大的投资。

2) 空气压缩储能。其储放综合效率也不到70%，每百万kW·h的投资与抽水蓄能电站相当。在储电的同时要释放大量低品位热量，而释放能量发电时需要注入大量热量。当空气压缩储能用于一天内的电力平衡时，很少能找到一天内同时需要冷量和热量的场景，这样，储放电过程中的冷量和热量就很难全部有效利用。

3) 电解水制氢、储氢，再通过燃料电池发电。这一储放综合效率不到60%，并且3个环节的装置成本都远高于上述2种方式。因此，这一技术路线不是大规模风电、光电发展中解决一天内电源调控的方法，而只是用于消纳高峰期过多的电力，为各类需要燃料的工业生产等过程提供零碳燃料。

4) 各种化学储能方式。也就是各种类型的蓄电池，其储放综合效率可达80%以上，优于上述各种方式。根据目前的技术发展态势判断，其初投资还将持续下降，300万亿kW·h的化学储能通过30万亿元的投资规模可以实现。但其存在耐久性问题，目前维持其容量的充放电寿命在几千次的水平。如果每天储放一次，则其使用寿命仅为10年，而抽水蓄能电站的综合寿命是几十年，因此，大规模集中式化学储能方式很难和抽水蓄能电站竞争。

在电源侧仅设置部分应急储能设施，把破解问题的聚焦点转移到用电终端，也就是“荷”侧，使目前的“源随荷变”改为“荷随源变”，则是通过光储直柔建筑配电系统破解这一问题的思路。这就是不依靠电源侧或“电源+储能侧”而是根据荷侧的变化进行相应调节，由用电终端即荷侧根据电源侧的变化而自动调整其用电功率，实现系统每个瞬间的供需平衡。光储直柔建筑配电系统通过其所连接的蓄能装置和可随时改变自身用电功率的用电设备实现柔性用电，“荷随源变”既可平衡源与荷之间的矛盾，还由于实现了分布式光伏产能和分布式化学储能，依靠自身的装置提高终端用电的可靠性和安全性，减少为了追求高标准的供电可靠性而对配电网不断加码的多路冗余供电要求。光储直柔配电系统增加的光伏投资可从其获得的发电收益中得到回报，直流配电系统在大规模发展后，其低压配电器件成本将会降低。直流系统增加的投资可从获得同样供电安全性但减少了冗余配电从而减少的成本中回收；增加设置的分布式蓄电池组容量仅为实现集中蓄能蓄电池容量的1/4～1/3，所以增加的初投资也仅为设置集中的蓄电池机组的1/4～1/3；而增加的邻近停车场的智能充电桩初投资则可从所提供的充电服务费中回收。光储直柔系统最主要的蓄能能力将来自邻近停车场电动汽车的蓄电池，而这又是由汽车车主所投资。后文分析表明，接入光储直柔系统的电动汽车并不会因为参加储能而减少寿命。光储直柔系统使得电动汽车内配置的蓄电池这一资源得到充分利用。

因此，光储直柔建筑配电系统是通过柔性负载实现“荷随源变”，破解电源侧大比例的风电、光电导致电网上源与荷瞬间不平衡的难题的有效途径，为大规模的风电、光电有效消纳给出新的途径。并且光储直柔配电系统还能大幅度提高建筑用电可靠性，对于已依靠外电网实现99.9%供电可靠性的建筑，一年中可能出现的累计9 h停电期间完全可通过自身蓄电池和所连接的电动汽车蓄电池实现独立供电。根据蓄电池容量和所连接的电动汽车数量的不同，供电可靠性可由99.9%提高到99.99%～99.999%。

以上讨论说明，发展建筑光储直柔配电系统是为了破解新型的零碳电力系统要大规模发展风电、光电所面临的光电安装空间和风电、光电调控这两大难题；是调度各方面资源，降低成本，助力新型零碳电力系统建设的有效途径，也是建筑实现全面电气化和用电零碳化可采用的措施。

3 建筑光储直柔配电系统如何实现柔性用电

3.1 光储直柔配电系统调控原理

由图1可知，光储直柔配电系统包括其与交流外网的接口AC/DC、与光伏电池的接口DC/DCP，与蓄电池的接口DC/DCB，与电动汽车的接口DC/DCC，以及与其他用电终端的接口DC/DCT。这些接口都是带有可编程控制器的智能变流器。以下分别讨论各个接口的调控逻辑。

1) 交流外网的接口AC/DC。如图3所示，外界调度系统通过通讯给定此时要求的从外电网进入的交流电功率设定值P0s，AC/DC按照恒定输出电压的模式控制直流母线电压VD。当测量出实际输入的交流功率P0不等于P0s时，根据二者的差修正直流母线电压VD。当实测的P0高于功率设定值P0s时，降低直流母线电压以减小P0；当实测的P0低于设定值P0s时，提高直流母线电压以提高P0。当调整的VD达到直流母线电压上限Vmax时，维持电压在Vmax，此时输入功率将小于要求的输入功率设定值P0s。这是由于负载太小，无法消纳这样多的外来电力，只能违约。当然，如果违约要付出的代价高于少消耗电力节省的电费，也可以调整光伏电池接口DC/DCP，通过弃光减少所接纳的光电，而AC/DC仍然按照要求的取电功率P0s控制。当调整的VD已达直流电压母线的下限Vmin，而输入功率P0仍大于要求的设定值P0s时，就只能维持直流母线电压于Vmin以保证正常的电力供应需求。当经过AC/DC的输入功率为零时(外网要求或外网供电故障)，AC/DC失去对直流母线电压的控制权。而此时母线所连接的其他变流器仍按照原来的方式工作。此时如果光伏电池、蓄电池及电动汽车电池的功率能够满足用电终端功率，直流母线电压将在Vmax和Vmin之间浮动。当光伏输出功率过高时，光伏电池控制器将通过弃光把母线电压维持在Vmax；当光伏电池功率不足时，母线电压会不断下降；当母线电压下降到Vmin时，蓄电池控制器DC/DCB承担起母线电压控制权，维持电压在Vmin，直到电池电量进一步释放完毕。

图3 交流外网的接口处AC/DC调控方式示意图

2) 光伏电池的接口DC/DCP。可完全采用目前的光伏电池调控接口。其原理是不断地改变DC/DC的升/降压比以调整输入到直流母线的电流，最终使其从光伏电池接收最大的功率。同时，DC/DCP还要检测母线电压，当发现母线电压VD高于Vmax时，改为按照电压设定值Vmax控制输出电压的模式，光伏电力过高时弃光。当发现已无法维持Vmax时，就放弃母线电压的控制权，返回按照最大接收功率模式调控。

3) 蓄电池的接口DC/DCB。基本原理是通过监测直流母线的电压，确定充/放电功率。考虑到直流母线的沿程压降，由于蓄电池组可能在任何位置连接，所以要设置一个电压死区，只有当母线电压高于电压死区上限时才开始充电，低于电压死区下限时才开始放电。在实际运行中，按照上述简单逻辑调控，也有可能在需要蓄电以满足消纳电网电量的需求时电池已充满，或在需要蓄电池放电以满足用电末端需求时电池已无电可放。为了避免出现上述问题，也可以采用AI(人工智能)的方式通过连续监测直流母线电压变化，掌握建筑全天电力供需关系的变化。识别出可能出现需要加大蓄电功率(母线出现高电压)和需要加大放电功率(母线出现低电压)的时间段，从而对全天的充/放电策略进行优化，在需要大功率充电前留出足够的充电容量，在需要大功率放电前蓄存足够的电量。

4) 充电桩接口DC/DCC。作为智能充电桩，与目前传统的充电桩的最大区别就是由电力系统的供需关系决定充/放电与否和充/放电电流，而不是由电动汽车中的电源管理系统(battery management system, BMS)决定。与前面所讨论的蓄电池接口控制逻辑的区别是在判断直流母线电压高低的同时，还要考虑所连接的各电动汽车电池的电量，优先保证电量偏低的车先充电。智能充电桩要先获取所连接的电动汽车电池参数，包括允许的最大和最小充电电流和电池当前的电量(百分比)。不同的电量百分比对应不同的开始充电的直流母线电压设定值，电池电量百分比越高，开始充电的直流母线电压设定值越高。只有测出直流母线电压VD高于这一可开始充电的直流母线电压设定值时，充电桩才开始充电，并且其充电电流也随电压VD变化，VD越高充电电流越大。对于允许放电的汽车，开始放电的直流母线电压设定值也由电池的相对电量决定，相对电量越大，则开始放电的直流母线电压设定值越高。这就意味着，当直流母线电压不是太低的时候，只有相对电量很高的汽车电池向直流母线放电；只有当测出直流母线电压很低时，更多的汽车电池才参与通过放电向建筑提供电力的行动。无论充电还是放电，电流都要随母线电压变化而变化，充电时电压越高充电电流越大；放电时电压越低放电电流越大。

5) 建筑内用电电器。根据其调节性能和调节方式可分为：平移延时型、变功率型、可切断型负载3种类型。

平移延时型设备包括蓄热水箱、空调冰/水蓄冷系统、冰箱、冷柜、洗衣机、排污泵等及自身带有蓄电池的可充电电子电器设备。使用AI技术通过学习直流母线一天内的电压变化规律，识别出一天内需要多用电和尽可能避免用电的时间段；通过学习设备自身的运行规律，得到其需要的连续运行时长及开停时间比。根据这些信息即可制定一天内的优化运行规划，避开在电力紧缺时段运行，尽可能将设备自行调整到在电力过剩时段用电。

变功率型设备包括可通过变频或其他方式进行功率调节的用电设备，如分体空调机、多联机式空调机、风机、水泵、变频扶梯、电梯等。这些设备自身都带有控制调节装置，可通过变频或其他方式改变用电功率。在光储直柔配电系统中，可测量直流母线电压，根据电压高低决定运行功率的修正系数。直流母线电压高，则修正系数就高，可高达1.1，表明要在控制器输出的调节指令基础上进一步加大输出，以增大用电功率10%；当直流母线电压低时，修正系数就低，最低可至0.5，也就是降低转速或通过其他手段降低实际的用电功率。

可切断型负载则在母线电压降低到预设值后切断，以降低系统用电功率。

上述3种类型的用电终端又都可以各自设置一个调节旋钮，使用者可在0～1之间选择。0表示该设备不参与调节，无论直流母线电压如何变化，都按照正常要求运行；1则表示该设备参与深度调节，按照上面的方法，根据母线电压的变化改变运行状态；0到1之间则表示不同的参与调节程度。这样，厂家通过修改产品的控制策略并改变直流接口产生适合光储直柔配电系统使用的用电设备，而每台设备又可随时由使用者通过调节旋钮改变其可参与的调节深度，以满足各自和各个不同场合的需要。上面对控制策略的描述仅仅是简单的原则和原理，每个产品的控制策略细节都与产品本身的调节特点有关，需要生产企业单独研究开发，其性能的差别又可以成为同类产品的竞争点。好的调控策略既不影响产品本身的功能与使用效果，又具备较大的灵活调节用电功率的性能，从而可以增大系统柔性或者在同样的系统柔性下减少对蓄电池容量的需求。这也是调控策略优化可以获取的经济效益。

3.2 多个光储直柔微网的互联互通

图4显示了一个光储直柔单元的拓扑结构。其入口AC/DC的容量可设置范围为100～500 kW。系统容量过大，则要求的电力电子器件容量大、成本高。由于需要更多的蓄电池组接入，多个蓄电池组的DC/DCB接口也存在相互协调的问题。于是，对于一座大型建筑，可以分成若干个光储直柔单元，各自通过AC/DC接入交流网，同时各个光储直柔单元之间可通过联络线互联互通，如图4所示。一片区域的多座建筑之间也可以分别建成光储直柔的微网，然后按照图4的方式互联互通。

图4 多个建筑直流微网单元的互联互通

这种互联互通就是通过专门的双向DC/DCL连接2个单元的直流母线。每个单元的直流母线可以通过这种方式与其他2个或3个单元互联互通。DC/DCL内的调控逻辑决定其工作方式：当两侧的直流母线电压差小于某预定的设定值时，关断DC/DCL，2个单元相互独立；当一侧的直流母线电压高于另一侧，且高出量超过预定的设定值时，开通这个DC/DCL，从高电压侧向相对低电压侧供电，供电电流也由两侧的电压差决定，电压差越大，供电电流越大。

这样，供电侧的DC/DCL对于其所在微网，就等效于一个用电单元，且用电功率随母线电压而变化。当该微网光伏发电功率PV和网上的供电功率P0之和高于当时各个用电末端功率时，可以帮助其消纳剩余电量。而对于DC/DCL的受电侧，则相当于一个光伏电源或放电的蓄电池，可提供额外的功率以缓解其电力供应的不足。

这种“手拉手”的互联互通的目的是使得各个直流微网相互协调，使各自的储能能力和调节能力得到充分利用。但并不是通过这样的连接来保障某个微网从外电网取电回路出现故障时的供电可靠性。这样，互联的DC/DC功率仅需要为该回路总功率的20%～30%即可，否则不仅增大系统投资，还会盲目加大各微网的AC/DC容量，导致其控制逻辑复杂化。

多个光储直柔微网通过这种方式的互联互通，可以提高各个设备的利用率，并在不增加系统冗余备用容量的前提下显著提高供电可靠性。

3.3 光储直柔配电系统与大电网的协同

光储直柔配电系统内部各个发电、用电和蓄电环节都是根据母线电压的变化而自行调控的，不需要统一决策，也不需要各个用电单元的相互通讯。系统通过其交流入口的AC/DC，根据要求的输入功率设定值P0s调节直流母线电压来实现输入功率的调整。根据情况，从交流网输入的功率设定值P0s有3种确定方式：

1) 根据预定的分时电价，尽可能避开电价高峰期用电，尽可能使用低谷电力。这时在AC/DC控制中设定高、中、低电价的时段，每天晚上根据全天的用电状况估计第2天用电量，然后根据自身的最大用电功率，对各时段的用电功率作出规划，尽可能在低谷时段从交流网获取全天的用电量；不足时，再从次低谷时段补充。按照这一规划，得到第2天每个时刻取电功率的设定值P0s。第2天按照这一P0s曲线严格控制从外电网的取电功率P0。这样的调控，可以在目前的分时电价政策下使光储直柔配电系统获得最大的经济收益。

2) 纳入当地电网的调度系统，实时根据调度要求调整P0，使光储直柔建筑成为一个虚拟的灵活电源或柔性负载。这时电网调度可以根据电网供需状况随时下达光储直柔配电系统从网上取电的设定值P0s，系统可及时响应，按照要求的P0s运行。一座1万m2的办公建筑采用光储直柔配电系统后，如果连接100个智能充电桩及电动汽车，其瞬态功率可以在0～1 MW间灵活调节。当有100座这样的采用光储直柔配电系统的建筑(以下简称光储直柔建筑)，对其进行联合调度，就相当于一个功率为10万kW的灵活调节负载，且具有很快的瞬时调节能力。这对参与电网的平衡调节，为电网调频、调压可以起到很大作用。

3) 如果在与光储直柔系统同一个电网中有集中的风电和/或光电基地，则可以很容易地建立光储直柔系统与风电、光电基地之间的互动关系：根据风电、光电发电状况动态分配每个瞬间光储直柔系统从电网的取电量P0s，如果光储直柔系统能够准确地按照这一要求的取电功率运行，就可以认为这座光储直柔建筑使用的完全是风电、光电，属于零碳运行建筑。当一个电网上连接多座光储直柔建筑，并同时连接集中的风电、光电基地时，可以要求每天晚上各座建筑向风电、光电调度中心提交第2天在不作调节时全天需要从电网取电的取电曲线。风电、光电调度中心根据气象中心预报的第2天天气状况、各座建筑上报的取电曲线和每座建筑具有的调节能力，可通过优化分析，扣除在用电高峰时段需要为电网提供的电量，将剩余电量合理地分配给每座光储直柔建筑。为每座建筑提供要求的从电网取电的日变化曲线，使其日总量与申报值相同，而设定的取电曲线与上报的取电曲线之差的绝对值积分面积就是光储直柔系统需要通过其柔性进行的调节任务。各座光储直柔建筑严格按照这一曲线运行调节，就可以认为其运行用电完全源于风电、光电基地，从而可以实现风电、光电的有效消纳。根据上述两曲线之差的绝对值积分面积，也就是光储直柔系统所完成的调节任务，电网可支付其调节费用。而如果光储直柔建筑不能严格地按照要求的取电曲线从外网取电，则其偏差部分的绝对值积分，又可作为依据，由光储直柔建筑交纳罚金。

根据当地的电力政策，采用光储直柔系统的建筑可选择不同的模式与电力部门协调，协助解决当地电力系统的主要矛盾，并从参与调节中获取收益。

我国目前煤电仍然是电力系统的主要电源。这就导致白天由于用电负荷高而供应侧不足，夜间煤电难以下调而供应侧过剩。此时，光储直柔系统就可大幅度减少自身的日间负荷，而加大夜间的用电功率。这就是上述第1种按照分时段电价的调节模式。

随着风电、光电在电源中的比例增加，风电、光电的有效消纳逐渐转变为发展新型电力系统的瓶颈问题。此时，采用上述第3种模式，就可以准确地通过电网接收风电、光电，实现风电、光电的有效消纳，并使得自身建筑成为完全依靠零碳电力运行的建筑。

4 光储直柔配电系统的可行性及其对发展新型电力系统的贡献

光储直柔建筑的“柔性”有多大，也就是其对电力供需平衡的调节潜力有多大，对建立以零碳电力为基础的新型电力系统可以起多大作用，这是本章重点讨论的问题。

4.1 光储直柔建筑对电网供需平衡的调节能力

为光储直柔建筑提供蓄能能力最重要的资源是电动汽车。目前的纯电动车电池容量为50～100 kW·h/辆，采用慢充方式，充电功率可根据电力供需关系在0～10 kW之间调节。如果每100 m2建筑有1辆电动汽车(对居住建筑而言，相当于一户一车；对办公建筑而言，相当于每2～3人一车)，则每1万m2建筑可连接100辆车，瞬态充放电能力为0～1 MW，最大日储电能力在5 MW·h以上。每1万m2建筑自身用电功率为0～1 MW，日用电量4 MW·h左右，100辆汽车的日用电量1 MW·h左右。每1万m2建筑如果安装50 kW光伏板，保守估计每年发电量60 MW·h，夏季每天发电量至少0.25 MW·h，约为建筑和车辆用电量的1/20。如果认为每天从电网的取电量等于除自身光伏发电量之外的全天建筑用电和车辆用电之和，则每天需要从电网取电4～5 MW·h。从电网取电的最不利工况是连续从电网按照最大功率取电，而在取电时段各类设备用电量为零；配合电网调节的另一个最不利工况则为要求从电网取电量为零，而建筑处于用电高负荷。

如果建筑入口配电容量为1 MW，全天建筑和汽车用电总量为4～5 MW·h，当停车场停满车辆时，为汽车电池充电的充电功率可达1 MW，满足消纳要求；可消纳的电量为2～4 MW·h(取决于各辆汽车中蓄电池的状态)，有1～2 MW·h的缺口，需要建筑内分布式蓄电和其他用电设备消纳。

在要求从电网取电功率为零时，100辆电动汽车可提供的功率可达1 MW，满足建筑最大用电功率的需要。如果车辆内蓄电池平均电量为50%(2.5 MW·h)，而极端状况下此时段内建筑需要电量4 MW·h。这样，缺口也在2 MW·h左右，需要依靠建筑内分布式蓄电池和通过减少此时间段用电设备的用电功率来解决。当停车场车辆不足时(如办公建筑夜间)，需要建筑内分布式蓄电提供电力，并尽可能降低此时的建筑用电功率。

为此，光储直柔建筑需要根据具体的运行条件对1万m2建筑配置至少1 MW·h的分布式蓄电池，再依靠各类用电设备的运行模式调整，把1 MW·h的电量需求转移到外电网，由外电网提供。可以进行较长时间电量转移的用电装置(技术)包括：

1) 大型公共建筑、商业建筑的冰蓄冷、水蓄冷。这是已经发展了近30年的成熟技术，1万m2的全空调建筑的冷源，包括冷却塔、冷却水泵，可转移500 kW·h以上的电量。

2) 带蓄热水箱的生活热水系统。无论是热泵制热水还是电热制热水，根据热水系统容量不同，也可以转移100～300 kW·h的电量。

3) 居住建筑的洗衣机、烘干机等。这些设备也可以实现长时间的部分电量转移。

如果建筑内不具备足够的可转移电力负荷的用电装置，可能就需要增加蓄电池容量，以满足极端工况下的需求。

以上是针对极端工况下满足外网功率调节能力的情况，多数的场景是需要应对短时间段(如1～2 h内)消纳多余电量的需求或补充电量不足的需求。在后面的情况下，更多的用电设备可以参与用电功率调节，如各类风机水泵、分体或多联机空调，都可以在短期内改变转速或提高/降低设定温度，对瞬时功率进行30%以上的调节，而在1～2 h的时间周期内这种调节几乎很难被使用者感知。冰箱、冷柜等用电设备多为通断式控制，根据功率调节的要求在1 h内平移运行时间也不会影响其储藏功能。这些设备都需要设备制造企业根据自身产品性能研究开发带有调控策略的接口。选用调节性能好的用电装置，可以增加系统的柔性用电能力，或可在实现相同柔性能力的前提下适当减小蓄电池的装机容量，节省投资。

根据以上分析，1万m2的居住建筑或办公建筑加上100个充电桩并连接电动汽车，在一天的任何时间都有可能实现1 MW功率调节能力，只要在一天中的任何一个或几个时间段内从外网提供足够电量，即可满足建筑及所负责充电的电动汽车的全天用电。当建筑实现全面电气化后，1万m2居住建筑加50%的100辆电动汽车全年耗电60万～70万kW·h；1万m2办公建筑加50%的100辆电动汽车全年耗电100万～120万kW·h。如果在城市附近有1 MW集中光伏电站，全年发电120万kW·h，就可以由这部分光伏电站专门供应上述1万m2办公建筑或2万m2居住建筑及相应的电动汽车用电。光伏电站通过选择合适仰角，可以获得冬夏不同的发电功率比(仰角高于当地纬度可以使冬季发电量大于夏季，反之则夏季发电量大于冬季)，与建筑冬夏用电比例相匹配。在我国大多数地区，一年中可能会出现几次连阴天，导致光伏发电不足，如果调峰火电在这几天通过电网供电，就可以使这些建筑全年大部分时间依靠零碳的绿色电源运行。这就是如何通过光储直柔配电系统实现建筑的近零碳运行(需要由调峰火电全年提供的调峰电力不超过电负荷的10%)。当具有大规模的光储直柔建筑后，可以根据气象预报获知未来出现的连阴天状况，从而得到光伏电力的短缺量。这时即使是启动燃煤电厂，也可以使其在连阴的2～4天内连续稳定地在高效工况下运行，而不再是目前意义下的调峰电厂。稳定的功率送至光储直柔建筑，满足日总用电量需求，依靠光储直柔系统自身的柔性解决一天内用电量的变化。

4.2 光储直柔对发展新型电力系统的作用

我国未来的新型电力系统中，风电、光电每年提供约8万亿kW·h的电量，通过水电和抽水蓄能的协同调节，可以提供2万亿kW·h，剩余6万亿kW·h需要其他的调控资源。这6万亿kW·h的风电、光电，农村屋顶光伏及零散空地的风电发电约2.5万亿kW·h；城市周边集中风电、光电(包括海上风电)和屋顶光伏发电约3.5万亿 kW·h。

农村如果建成如图5所示的村级直流微网，除实现电气化满足自身生活、生产和交通用能外，每年还可以按照电网需求侧要求而调整0.7万亿～1万亿kW·h电力输出上网。依靠农村用电负载上占很大比例的各类车辆蓄电池及农业生产的需求侧响应用电模式，再加上农村直流微网配置的分布式蓄电装置，这0.7万亿～1万亿kW·h电力可以按照电网指定时段上网，有效用于电力调峰。

图5 农村基于屋顶光伏的村级直流微网

如果城镇的300亿m2居住建筑和100亿m2办公建筑及其他功能建筑改造为光储直柔配电，并且通过周边停车场与2亿辆电动汽车连接，则每年可消纳自身和外界的风电、光电3万亿kW·h，可以完成风电、光电剩余部分85%的消纳任务。剩余0.5万亿kW·h的风电、光电即可通过集中的空气储能、化学储能和制氢等方式进行一周或更长的储存周期来调整和消纳，应对连阴天、静风天等不利气候因素，以保证电力的可靠供应。

由此可见，研究开发建筑的光储直柔配电系统，在取得成熟经验后全面推广这一系统，对我国建设和发展以风电、光电为主要电源的新型电力系统有至关重要的作用，是能源消费侧革命的重要内容。

新型电力系统将使电力系统的电源由目前的集中式转为半集中、半分布式；电网将由目前的单向受电电网转为双向有源电网；系统的稳定性将由依靠电源侧的转动惯量和同步容量维持转为较多地依靠负载侧的分布式蓄电；系统的安全性则由目前的冗余备用转为分布式电源和蓄电；电力的供需关系由目前的“源随荷变”转为“荷随源变”；电力成本也由目前不同时段的2～3倍之差转变为不同时段5倍以上的差别。建筑的光储直柔配电方式全面迎合这些重大改变，是这些重大变化在建筑用电系统和用电方式中的体现。

未来电源的成本在一天内有巨大变化，当风电、光电可以满足负荷需求时，电力成本低于目前的燃煤电力；而当风电、光电功率不足、需要依靠各种蓄电方式把风电、光电高峰期的剩余电量转移过来应对负荷需求时，电力成本将是低成本时段的5～10倍。蓄能和用电侧需求响应的功率调节将比用电效率还重要。光储直柔系统的任务就是通过挖掘利用各种可能的蓄能资源，挖掘需求侧可响应供需关系变化并进行实时功率调节的能力。以上讨论仅是搭建了一个可开始尝试这种新的运行方式的平台，各种储能和需求侧响应的方式和潜力都还可以进一步深入挖掘，使建筑在新型电力系统的建设和发展中起到更大的作用。

目前我国电力系统的主导电源仍然是燃煤火电。由于燃煤锅炉难以大范围快速调节和城市电力负荷日夜间的巨大差别，导致目前大多数地方存在白天电少、晚上电多的现象，所谓峰谷时段电价差也主要是白天和晚上的电价差。随着风电、光电在电源中的比例不断增加和燃煤火电的比例逐渐减小，将逐渐出现白天电多、晚上电少的状况，夜间蓄电、白天使用慢慢会改为白天蓄电、夜间使用。随着供需关系的这种颠覆性变化，各种蓄能调节和用电功率的调节就不能是固定时段，而需要不断根据电网供需关系的变化而变化。光储直柔配电系统可以实现这种灵活性，可随时根据供需关系的变化而改变自身的用电和蓄电调节策略。

4.3 发展建筑光储直柔配电系统的迫切性

中央提出2030年碳达峰、2060年碳中和的战略目标，与其对应的就是风电、光电的加速发展。有关规划已经提出从2021年起，每年增加风电、光电装机容量1亿～1.5亿kW，到2030年，使我国的风电、光电装机容量由目前的5亿kW增加到17亿kW；从2030年起，每年新增2亿kW以上的风电、光电，从而实现到2050年总装机容量超过60亿kW。

我国现有纯电动汽车500万辆，目前蓄势待发，2021年将增加200万辆，并将在今后几年迅速达到每年新增1 000万辆，到2030年，我国纯电动汽车的保有量将达到5 000万辆，到2050年将达到3亿辆。

我国目前每年新竣工居住建筑15亿～20亿m2，各类公共建筑和商业建筑5亿m2。以后新建量将逐渐减少，但大修、改造、提升功能将成为房屋建设的主要任务，每年修缮任务将在20亿m2以上。

根据前述分析，1万m2光储直柔建筑加50辆电动汽车可消纳1 MW风电、光电。这样，新增1亿kW风电光电就需要新增10亿m2光储直柔建筑和500万辆电动汽车来有效消纳。目前电动汽车的增长态势与规划的风电光电增长速度完全合拍，相对来说，光储直柔配电建筑的规模远远落后于需求。近期要使50%左右的新建建筑按照这一新模式完成建筑配电，未来则在建筑改造时，要有50%以上的建筑改造成采用光储直柔配电系统。这样才可以使建筑和电动汽车担负起消纳风电光电的责任，从而实现我国电力系统的转型。

5 发展光储直柔建筑配电对暖通空调行业的新要求

暖通空调是建筑用能的最大用户，电力供给方式转变会给暖通空调带来巨大变化。这将实现暖通空调设备用电由交流向直流的转换，在直流化的同时实现设备自适应的功率调节，并且进一步发展各种可能的末端储能方式和新型蓄能工艺流程。

5.1 暖通空调设备的直流化

暖通空调的主要动力设备都是由电动机驱动的。由永磁同步电动机替代传统的异步电动机，已经成为暖通空调动力设备发展和更新换代的主要趋势。永磁同步电动机要依靠电力电子技术把输入的直流电变换为所要求频率的交流电，再驱动自身运行，实现精准的转速调节。异步电动机改为永磁同步电动机后，电动机效率提高，尤其是在低转速下电动机效率可保持在高水平，具有显著的节能效果、出色的调控效果和更低的噪声水平。实际上这些年来变频压缩机的发展都是采用永磁同步电动机，根据压缩机的动力特性确定变频算法，各类压缩机变频后性能得到显著提高。目前，各种风机水泵也开始由以往的异步电动机配置通用变频器的方式改为专用的永磁同步电动机，这将成为今后动力设备发展的重要方向。永磁同步电动机目前驱动的方式是对三相交流电通过AC/DC整流，然后再根据要求的旋转频率逆变，得到要求频率下的三相交流电，驱动电动机。所谓直流化就是去掉AC/DC整流器这一环节，降低成本，减少这一环节的转换损失。目前各类压缩机都已经有直流驱动的产品。对于风机水泵，由于其变频器的算法与被驱动设备密切相关，因此所发展的将是机械设备、永磁同步电动机和变流控制调节器三位一体的集成化产品，所要求的驱动电源也是直流输入。

除了动力设备外，还有控制调节仪表和各种阀类。控制调节仪表本身需要直流供电，不同的电压需求通过DC/DC变流器可以很容易满足。电动机驱动的旋转式阀类改为同步电动机驱动将显著改善调控性能；电磁通断阀改用直流后，也可使其内部结构简化，性能提高。虽然调控仪表和阀件的直流化需要对产品进行一些改进，但获得的是技术进步，使得性能和可靠性都得到提高，而成本不升反降。

各类设备实现驱动电流直流化后，接入光储直柔配电系统还需要增加自适应的需求侧响应功能，也就是测出输入的直流母线电压，根据电压自动调节用电功率。对于变频压缩机，功率的变化约与转速的1.2～1.5次幂成正比；对于风机水泵，功率变化则与转速的3次幂成正比。因此，根据母线电压的变化适当改变转速，对功率有很大的调节效果，而短期内对空调效果的影响很小。这样就可以直接在逆变器控制信号的输入端串接一个修正算法，使逆变器的频率调节设定值fs为

fs=fs0(1+k1k2)

(1)

式中fs0为设备的控制系统要求的逆变器频率；k1为根据实测的母线电压变化对转速的修订值；k2为现场读出的由使用者设定的0～1的调节深度。

式(1)中，直流母线电压偏高时，k1大于0；直流母线电压偏低时，k1小于0。具体的修订程度依设备性能而异。当k2设定为0时，该设备不响应母线电压的变化，不参加需求侧响应调节；而当k2为1时，会最大程度进行需求侧响应的调节。

对于如冰蓄冷、水蓄冷、水蓄热等具有很大的用电负荷平移功能的系统和设备，不能简单地按照上述方式对各个单体设备进行转速修订，而需要对整个系统进行智能化的需求侧响应调节。因为直流母线电压的变化给出要求末端用电设备增加/降低用电功率的信息，而每天电力系统供需关系的变化基本是相同的。这样，就可以由水蓄冷、冰蓄冷系统的控制装置通过持续监测直流母线的电压变化，依靠AI识别出系统对用电功率调整要求在一天内的变化规律，同时通过建筑的冷热负荷预测，得到未来一天需求侧的要求。根据预测出的供电侧和需求侧的变化规律，通过优化决策，得到蓄冷蓄热系统的运行方式，使其在最大程度上参与电力的调峰填谷。

5.2 挖掘暖通空调系统的蓄能调节能力

除了冰蓄冷、水蓄冷、水蓄热等这些移峰填谷蓄能措施外，利用建筑本身的热惯性、暖通空调系统其他可能挖掘的热惯性，也可以协助产生很大的平移用电负荷的效果。

例如目前大量应用的地源热泵系统，就具有很大的平移电负荷的潜力。地源热泵系统的主要投资部分是地下埋管，其短期内的功率受与地下埋管垂直的径向传热能力所制约。当停止从地下提取热/冷量时，地下径向传热过程并不停止，而是随着时间的延长逐渐减小径向温度梯度。这样，如果增加热泵的装机容量，系统采用间断方式运行，并不需要增加地埋管数量，仍可保证全天提供的热/冷量总量不变。这种间断方式运行即可与光储直柔配电系统协同工作，从而起到相当大的平移电力负荷的作用。这种调控方式将间歇地向建筑物提供冷/热量，如果由此引起室内温度波动影响舒适性，则还可以通过增加蓄冷蓄热装置加以改善。

由于建筑本身巨大的热惯性，通过室内温度的适当变化调节建筑的蓄热量，其成本远低于蓄电池蓄电，也低于集中的蓄热蓄冷装置。如何巧妙地开发利用好这一重要的蓄能资源，在不影响室内舒适度的前提下使建筑围护结构的蓄热能力发挥作用，从而增大光储直柔配电系统的调节能力，有很多需要进一步开发、创新的技术和措施。

通过暖通空调系统的需求侧响应模式运行，平移电力需求时间，可以大幅度提高光储直柔配电系统的柔性，也就是功率调节能力；或者是在获得同样柔性的前提下，减少所需要的分布式蓄电池容量，从而降低光储直柔配电系统的投资。

6 结语

本文介绍了建筑新型配电系统——光储直柔系统的基本原理、目标、背景及其对未来发展建设零碳的新型电力系统的重要作用。

通过能源转型实现低碳发展，是深刻影响能源生产、转换、消费各方面的革命，将导致能源相关活动的巨大变化。对于建筑领域来说，就使其从单纯的能源消费者转为能源的生产者(光伏)、储存者和消费者三位一体。在能源全产业链中地位的变化，使暖通空调行业面临巨大挑战：要适应新的能源环境，要发展新的产、储、消一体化的系统方式，要开发与新方式、新系统相适应的新设备，要适应新系统要求导致运行模式的变化。这些都给暖通空调行业带来巨大的创新机会和发展机遇，也将导致这一行业与电力系统的高度融合与共同发展。科学技术的发展需要打破专业限制，需要学科交叉和跨领域融合。光储直柔配电将是建筑业、暖通空调、建筑配电及电力系统等相关专业相互融合、并通过相互渗透而产生出的新行业。