“光储直柔”建筑电气设计探究*

莫理莉， 陈志忠， 王 静， 商晓峰

(1. 华南理工大学建筑设计研究院有限公司，广州 510640； 2. 广州市设计院集团有限公司，广州 510000； 3. 深圳市建筑设计研究总院有限公司，深圳 518031；4. 中国电子系统工程第二建设有限公司，无锡 214000)

0 引言

国务院于2021 年10 月26 日发布《2030 年前碳达峰行动方案》，方案在“城乡建设碳达峰行动”中提到:加快优化建筑用能结构，深化可再生能源建筑应用，推广光伏发电与建筑一体化(BIPV)应用……提高建筑终端电气化水平，建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑。 到2025 年，城镇建筑可再生能源替代率达到8%，新建公共机构建筑、新建厂房屋顶光伏覆盖率力争达到50%[1]。

目前，深圳市建科院[2-3]、南京国臣[4]和华南理工大学建筑设计研究院[5]等单位对“光储直柔”建筑系统设计开展了研究，但总体看，我国“光储直柔”建筑建设仍处于摸索阶段，“光储直柔”建筑建成案例较少，可供参考的“光储直柔”建筑电气设计方案不多，本文拟对“光储直柔”建筑电气设计做探究，提供某“光储直柔”建筑为设计案例，希望同行在进行类似“光储直柔”建筑电气设计项目时起到参考借鉴作用。

1 “光储直柔”建筑电气系统的基本概念

“光储直柔”这一概念最早是由江亿院士提出，“光”即建筑光伏，“储”是建筑内储能及利用邻近停车场电动汽车的电池资源，“直”指建筑内部采用直流供电，“柔”则是“光储直柔”的目的，即实现柔性用电，使其成为电网的柔性负载或虚拟灵活电源；“光储直柔”建筑电气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[6]。

典型的“光储直柔”建筑电气系统接线如图1所示，接线图展示了外部交流电源、光伏、储能、充电桩及用电设备通过直流配电网组成有机物理整体的逻辑拓扑关系。

图1 典型“光储直柔”建筑电气系统接线图

2 “光储直柔”建筑电气系统的设计原理

“光储直柔”建筑电气系统设计原理如图2 所示，设计主要分为以下四部分内容。

图2 “光储直柔”建筑电气系统设计原理图

(1)光伏发电系统设计。 首先是结合建筑外形效果要求确定建筑光伏发电板的形式，确定光伏发电系统的装机容量。 然后做光伏发电量消纳分析，确定光伏系统接入方案。

(2)储能系统设计。 储能系统包括分布式储能装置和通过充电桩接入的电动汽车。

(3)低压直流配电系统设计。 对用电负荷特性分析，确定用电设备的接入方式，根据接入系统的光伏、储能和用电设备综合确定系统内部电压等级及系统接线形式。 设计原则是尽量减少变换次数，实现系统的高效、经济型、可靠和安全运行。

(4)“光储直柔”建筑系统柔性控制平台设计。系统控制平台主要实现以下功能:预测光伏发电量，预测建筑负荷用电量，制定储能及充电桩(电动汽车)充放电策略，确保直流微网内部电压稳定并给出系统负荷柔性调节裕度，接受电网需求侧响应。

下文结合案例说明“光储直柔”建筑电气系统的具体设计方法。

3 “光储直柔”建筑电气系统设计要点

结合案例说明“光储直柔”建筑电气系统设计要点，案例是一栋办公楼，位于广东惠州市，建筑总面积5 000 m2，共5 层，每层面积约1 000m2，建筑坐北朝南，面宽50m，进深20m，建筑高度20m。 一至五层均是办公室。 采用多联机空调系统，室外机在屋顶安装，占地面积约100 m2，立面为幕墙结构。

3.1 光伏发电系统设计

3.1.1 光伏组件的确定

光伏技术不断更新发展，光伏电池材料的种类也越来越多，大致可按其材料结构分为以下三类:(1)硅基光伏电池，如单晶硅、多晶硅光伏电池等。(2)薄膜光伏电池，如砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒薄膜光伏电池等。 (3)具有理论高转化效率和低成本优势的新概念电池，主要有新型光伏电池，如染料敏化光伏电池、钙钛矿光伏电池、有机太阳电池以及量子点太阳电池等[7]。 不同类型光伏电池的性能如表1 所示。

表1 主要光伏电池的性能对比

目前，单晶硅以及多晶硅电池因具较高性价比仍然占据市场主体地位，在屋顶、室外雨棚等场所一般考虑采用这种材料；薄膜光伏电池可以与光伏幕墙结合，在立面展示效果好，在建筑光伏一体化设计中，常采用不同材料的薄膜电池配合达到更好的立面效果；新型光伏电池由于有较高的理论转化效率和较低的制备成本在建筑光伏市场的发展潜力也很大。 需要注意，薄膜电池在立面安装中，需要配合建筑立面效果和透光率要求来确定实际薄膜电池的转换率，透光率越高，其单位面积转化效率越低。

在本案例中，结合建筑效果，可考虑在屋顶采用单晶硅光伏组件，在南立面安装碲化镉薄膜电池光伏玻璃。

3.1.2 光伏发电组件安装规模的确定

2022 年4 月1 日实施的《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015-2021 中要求新建建筑应设太阳能系统，但除国务院发布的《2030 年前碳达峰行动方案》外，尚无其他政府文件或国家地方标准对太阳能系统的形式和安装规模做明确要求。

在地方政策文件和相关标准未明确之前，本案例考虑在屋顶和南面室外停车雨棚安装单晶硅光伏发电组件，光伏组件采用支架固定安装方式。 同时，考虑光伏发电与建筑一体化应用，在南立面设置光伏玻璃。

根据《太阳能资源等级总辐射》GB/T 31155-2014，案例所在地太阳能资源等级属“丰富”；代表年太阳总辐射量为1 389.9kWh/m2。 光伏阵列的安装倾角对光伏发电系统的效率影响较大，对于固定式并网光伏发电系统，倾角宜使光伏方阵倾斜面上受到的全年辐射量最大。

电池组件倾斜面上的总辐射量为倾斜面上的直接辐射量、散射辐射量以及地面反射辐射量之和。 根据《光伏发电站设计规范》GB 50797-2012，利用PVsyst 软件得表2 所示辐射量损失对比表，可得最佳倾角为21°，因屋面建筑面积有限，若按最佳倾角考虑，占地面积较大，为节省用地面积、增加安装容量，另外考虑本案例建筑处于沿海边缘且建筑高度较高，为了保证项目的安全及项目容量，经过分析本案例屋顶采取5°组件倾角进行安装，南面室外停车区雨棚采用21°组件倾角进行安装。

表2 辐射量损失对比

幕墙部分依托于建筑墙面，作为幕墙玻璃镶嵌于墙体，整体按90°倾角考虑。 项目用于发电的幕墙为正南朝向，使用PVsyst 进行分析计算，以场址推算光资源数据为基础，按方位角正南考虑时，本工程幕墙辐射量为841.5kWh/m2，对比水平面辐射量损失严重。

案例选用的是双面单晶硅光伏组件和碲化镉光伏玻璃，其规格参数详表3～4，其排布图如图3～5所示，单晶硅光伏组件和碲化镉光伏玻璃的组串数量分别为20 块和16 块，共安装单晶硅光伏组件441 块，装机容量为238kWp，安装碲化镉光伏玻璃光伏组件1 353 块，装机容量为142kWp，项目光伏发电总装机容量为380kWp。

图3 室外光伏发电雨棚及首层配电干线平面图

表3 单晶硅光伏组件技术规格

表4 碲化镉光伏玻璃技术规格

3.1.3 光伏发电系统发电量分析

光伏发电负荷曲线如图6 所示，按照类似正态分布曲线考虑，在中午12 时达到高峰。

图6 日光伏发电分时曲线示意图

本案例光伏发电量估算如表5 所示。

表5 案例光伏发电量估算

图4 屋顶光伏发电及配电干线平面图

图5 南立面光伏玻璃排布图

3.1.4 光伏发电系统的形式选择

“光储直柔”建筑光伏发电系统一般采用并网光伏发电系统，为避免光伏发电大规模接入电网导致电网稳定性难以确保的情况，推荐采用“自发自用、余电并网”的自消纳并网模式，尽量减少新能源发电对电网的冲击，太阳能电池所发电量优先给内部负载，负载用不完的多余电量送入电网，当光伏发电电量不足以供给负载时，由电网和光伏发电系统同时给负载供电。 所以在确定光伏接入点的时候，需要根据建筑配电系统的特点，根据用电负荷特点和光伏发电进行自消纳分析。

本案例也是采用“自发自用、余电上网”的自消纳并网模式。

3.2 储能系统设计

3.2.1 储能电池的种类选择

在查阅主流储能厂家提供的技术参数基础上，总结各类储能电池性能对比情况(表6)，根据不同储能应用需求，储能电池可分为功率型电池和能量型电池。 功率型电池是以小于或等于1 小时率(1P)额定功率工作的电池，适用于短时快充快放(如实现需求侧快速响应的场合)，主要以钛酸锂电池(LTO)为代表。 能量型电池是以大于1 小时率(1P)额定功率工作的电池，主要以磷酸铁锂电池(LFP)为代表，磷酸铁锂原材料储量丰富，因此成本较低，同时也具有良好的安全和循环性能，广泛应用于能量型储能。

表6 各类储能电池对比

“光储直柔”建筑在没有实现需求侧快速响应的要求时，一般可选用能量型电池。

3.2.2 储能容量的选择

储能容量选择首先是用于维持“光储直柔”建筑电气系统的稳定运行；另一方面是提高“光储直柔”建筑的经济性，如结合电价政策，通过电能时间“平移”实现“削峰填谷”或参与电网需求侧响应来降低用能成本；也可兼作重要负荷的备用电源。

“光储直柔”建筑电气系统一般都是引接市电，现阶段电能仍以火电为主，电网稳定性较高，在不单独配置储能的情况下，“光储直柔”建筑直流微网内部稳定性可通过电网市电来维持。 但“双碳”战略下，我国电力系统也在朝着高比例新能源为主体的新型电力系统发展，随着新能源的安装入网，电力系统也会呈现风光发电系统随机性大、惯性差的特性，需要设置储能装置来匹配。根据国务院发布的《2030 年前碳达峰行动方案》“到2025 年，新型储能装机容量达到3000 万千瓦以上”，这部分储能，除了在电网侧集中安装，也可能会根据各地政策要求逐步在用户侧安装。 所以新建建筑配电系统需要考虑预留储能的接口和储能的安装空间。

3.2.3 储能系统的安装方式

由于储能消防安全仍是需要关注的重点和难点，一般储能都考虑在室外安装，如采用图7 所示的集装箱安装方式。

图7 集装箱式储能装置示意

3.2.4 充电桩设置

在新能源主要体现为电能前提下，电动汽车将是汽车行业低碳化的重要方式。

汽车充电桩也是一种灵活的储能装置，所以汽车充电桩的未来发展方向会是双向的，即:用电低谷期往汽车动力电池里充电，在用电高峰期利用汽车储能电池反向向电网供电，实现电网的辅助调峰调频。 为了实现充电桩对电网的主动调节性，充电桩须配置智能控制系统。当前各地均已出台充电桩建设要求，项目开始前需了解当地政策，确定快慢充比例。

本案例储能拟按光伏装机容量的30%安装，拟在室外配置120kWh 磷酸铁锂电池，在室外采用集装箱安装方式，在室外设置5 个30kW 非车载充电机。

3.3 低压直流配电系统设计

3.3.1 用电负荷分析

本案例主要负荷类型为多联机空调、照明、插座、充电桩、电梯、智能化用电、应急照明用电等，全部为三级负荷。 用电设备总装机容量为710kW，参照文献[8]的办公能耗数据，案例年用电量和典型工况用电量预估值详见表7。

表7 案例用电量估算

3.3.2 自消纳分析

对比表5 和表7 可以看出，案例年发电量估算为358 200kWh，案例年用电量估算为387 366 kWh，从年时间尺度和日时间尺度看，案例能够内部消纳完案例的光伏组件发电量，所以本案例所有用电设备整体纳入光储直柔配电系统供电范围。

但是，从分时典型工况可以看出，案例发电量和用电量存在不匹配情况。 如工作日中午12 时为发电高峰期，此时案例用电设备无法消纳完所发电量，需要在充电桩和储能中存储用不完的所发电量，而15 时是用电高峰期，此时所发电量不能满足案例用电需求，考虑到这个时刻一般属于市电尖峰电价时刻，优先使用储能装置和双向充电桩电动汽车储存电量；若储能和充电桩不能平衡发用电情况，经过内部负荷调节后案例可以通过与电网互动取得不足或多余电量；案例的储能容量和充电桩容量配置，基本可以实现在用电高峰期(12 ∶00-15 ∶00)不需要电网供能，但休息日用电量小，案例的储能容量和充电桩容量配置无法实现对光伏发电系统所发电量的全部存储，使得有较多的发电余量需要反送电网。

因此，虽然看起来项目的年发用电量差值只有29 166kWh，差异不大，但由于发电和用电高峰期不一致，所以案例“光储直柔”建筑电气系统与电网的电能双向流动还是很大的，实际与电网交互的电量远不止29 166 kWh，尤其是休息日光伏发电系统大量反送余电至电网，将会给电网的电力调度和电能消纳带来较大的压力。

3.3.3 接线设计

结合光伏组件安装和储能安装情况，案例接线图设计如图8 所示。 光伏发电系统、储能、市电、屋顶多联机、办公干线均采用直流750V 供电电压，电梯、智能化用电、公共照明、应急照明、开水器、打印机和楼层办公用电水平干线等采用直流375V 供电电压，末端办公用房采用48V 特低安全电压供电。系统采用两线制系统，考虑目前变换器短路故障耐受度差，系统采用可变接地形式的方式，系统正常工作时采用IT 系统配合绝缘监测的方式，在系统一点接地后，转化为负极接地的TN 系统后采用直流剩余电流保护装置通过断路器来自动切断电源。

图8 案例建筑电气系统接线图

案例中，接入直流750V 配电系统的设备均通过隔离型变换器接入，变换器采用模块化设计。 直流750V 配电系统断路器采用额定电压为1 000V 的直流断路器，直流375V 配电系统断路器额定电压为250V 的直流断路器，断路器极数均为4 极，接线方式采用图9 所示的四极两两串联方式接线，脱扣器采用热磁式或专用直流电子式脱扣器。

图9 直流断路器接线图

末端办公室设置末端控制保护单元，内部设置直流48V 安全特低电压配电系统，除开水器及打印机外其余办公室用电均列入安全特低电压供电范围，提高末端人员用电安全性。 开水器及打印机等无法接入到直流48V 系统的较大功率设备直接接入直流375V 系统的插座回路，这些插座回路均设置额定剩余动作电流不超过80mA 的直流专用型剩余电流动作保护器。 案例中计量仪表均采用直流专用型。

3.4 “光储直柔”建筑电气系统柔性控制平台设计

3.4.1 系统结构及功能

系统平台框架如图10 所示。

图10 “光储直柔”建筑电气系统柔性控制平台系统框架图

(1)系统基于云边端架构，采用物联网、云边端协同、大数据、AI 智能分析技术，可接受绝缘监测系统、电气火灾系统等信号，对设备进行状态读取、电能调配及运行管理；(2)支持变换器等“源网荷储”设备对接，实现能源设备的即插即用；(3)系统支持与光伏发电、储能、充电桩、智慧配电、多联机等子系统对接；(4)支持对系统设备进行设备状态评估和健康管理、系统故障预测与诊断、应急响应、业务管理、资产管理等。

通过提供智慧园区系统和电网需求侧响应接口，系统可以与智慧园区实现联动，实现园区各类终端统一运维和运营管理。

3.4.2 “光储直柔”建筑电气系统运行模式

(1)并网运行模式

并网时，电能路由器AC/DC 端口与交流电网连接，DC/AC 采用PQ 恒功率控制方式运行，储能端口稳定直流母线电压，供电优先顺序为光伏→储能→市电。 当负载实际总功率大于光伏和储能实际输出总功率时，必须从市电取电确保系统稳定运行；若不再从市电取电，则需要关停部分负载，使光伏和储能输出总功率大于负载输入总功率。

(2)离网运行模式

离网时，电能路由器AC/DC 端口与交流电网断开，能自动调节源与荷之间的功率平衡，保证系统稳定运行，DC/AC 与电网无能量交换，储能端口稳定直流母线电压。 仅在市电停电故障时运行此模式，供电优先顺序为光伏→储能，且不向市电反向供电。

4 结论与展望

本文以某办公楼为案例说明了“光储直柔”建筑电气系统设计原理，对光伏发电系统、储能系统、低压直流配电系统及“光储直柔”建筑电气系统柔性控制平台架构进行了探究，对案例的光伏组件安装方案、光伏发电系统自消纳分析、储能选择、低压直流系统接线方式、控制系统框架等提出了解决方案，为后来设计者提供了有效的设计参考。

低压直流系统产品如变换器、RCD、电气火灾监控系统等仍在研发阶段，距离市场化还有差距，期待能有越来越多的设备研发企业提供“光储直柔”建筑系统解决方案。