光储直柔技术的特点与应用探讨

杨将铎, 张改景, 王利珍

(上海市建筑科学研究院, 上海 201108)

0 引 言

我国计划2030年实现碳达峰,《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》中“城乡建设碳达峰行动”部分明确指出:“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”[1]。

柔性用电的主要功用并非节能降耗,而是以时间换空间,降低与电网的交互强度,实现较高水平的电力自治,达到抚平用电峰谷,最大限度消纳可再生能源,响应电网需求的功用,进而促进系统性的减碳降耗。本文探究了光储直柔技术的减碳技术优势、合理应用场景及未来发展形态。

1 交直流配电应用对比

民用级市场需求中的交直流系统优势对比如表1所示。分析项目对各项需求的关切水平,可以判断该项目是否适合采用直流系统。

在楼宇配电中,直流系统的关键优势可以归结为:电力自治能力、系统效率、可靠性和安全性。随着分布式能源的比重上升,减少与电网交互能明显提升区域电力效率。当组件耦合在母线周围时,直流可以很好地应对无功功率流、电能质量和能源消纳等问题,使得控制系统复杂性明显降低。

2 直流系统组成及报价

常规的光储直柔系统通常以直流配电柜(也称能量路由器)为核心,衔接直流母线、变换器、整流器、保护装置等,外接储能、光伏和负载。若项目直流配电功率较低(通常低于60 kW),可采用标准化的一体式直流配电柜,内置电力电子器件,另外预留储能柜和管线空间即可。某直流配电柜组成示意图如图1所示。

表1 民用级市场需求中的交直流系统优势对比

若项目直流配电功率较高(通常大于60 kW),部分模块体积大幅增加,直流配电柜无法容纳,会单独将光伏变换器、市电整流器、直流保护装置等单独做成柜体。通过系统拆分,可以对直流系统的造价进行估计,大功率直流配电系统组成及硬件价格区间如图2所示(实际价格依据项目直流配电功率、线路长度、工程实施难度、特殊要求而有所不同)。此外,直流配电系统的投入还包括直流配电电路设计、直流电器采购或改造溢价、每户进线配电箱、专项验收费用等。

图1 某直流配电柜组成示意图

图2 大功率直流配电系统组成及硬件价格区间

3 直流技术发展阶段

国内具有代表性的低压直流配电标准包括GB/T 35727—2017《中低压直流配电电压导则》,TCECS 705—2020《直流照明系统技术规程》,T/CABEE 030—2022《民用建筑低压直流配电设计标准》,标准内容范畴的扩大体现了国内市场直流系统应用深度的变化。江亿院士认为,可预期的光储直柔系统在现有实践基础上,还将发展出网内变功率设备、动力电池/暖通设备储能、多直流微网互联互通、电力需求侧响应等特征[1]。低压直流系统分阶段发展如表2所示,可描述为单一负载、综合负载、小型组网等阶段,本文预期还包括柔性用能、动力电池储能、直兼交、批量组网、交直融合等重要节点。

4 兼容交流的低压直流配电

建筑中空调负载能耗占比高,以上海为例,公共建筑全年能耗中空调动力用电分项占比达到40%以上[5],且实际电力设计功率分配上,空调动力配电功率远大于照明插座和其他配电功率。考虑到未来新能源汽车的快速普及,充电桩配电将成为建筑配电的重要组成部分。

期望的建筑能量体系如图3所示,该体系能够高质量纳入分布式能源,为大功率负载提供稳定电力,提升系统转换效率,且不影响民用交流末端负载客观垄断条件下的用户体验。

母线侧和用户末端柔性的不同实现方式如图4所示。在该体系中,空调动力、储能、充电桩等用能设备可以依据直流母线电压变化的物理特性实时调整用电工况,实现分布式能源的有效管理;而包括空调末端在内的照明插座用电,通过物联网和云计算方式,在不影响用户体验的前提下主动调控,实现节能降耗。

5 展 望

分布式能源及新能源充电桩的快速发展推动了建筑配电逻辑的改变,在交流配电处于绝对垄断优势的客观条件下,直流配电以其符合未来能源需求的特性被人们广泛关注。在光储直柔系统区域性普及的基础设施背景下,可能存在产生几种新的应用场景,促进能源更高效的利用。

(1) 建筑储能(及动力电池)同标准换电。

在配电系统实现高度柔性和电力自治能力时,间歇性的余电上网需求目前只能通过微网体系进行能量交换,但是当中等距离区域组网存在布线阻力时,可换电的微网系统将提升区域能源利用效率。特别地,未来电池能量密度还将大幅提升,且氢能及其燃料电池很有可能成为标准更加统一的移动能源,如果建筑储能能够与动力电池同标准换电,将有效促进(建筑和区域)充电柔性、电池使用效率和出行效率。

(2) 可批量组网的直流配电系统。

受限于高度定制的现状,当前直流系统落地后难以在用电容量上拓展。另外,若光伏及储能功率较大,大功率电力电子变换器促进系统体积上升。若依托直流母线电压变化的物理特性,完全可以利用多个具有无线通信功能的小功率变换器将光伏和储能分流并联到直流母线上。这样可大幅降低空间要求,方便分布式能源并网和微网容量变更。

(3) 交直流通用的负载设计。

受限于交流220 V的垄断地位,即便直流电压统一标准,民用直流末端负载也难以独树一帜。目前较好的策略是在特定直流电压水平下实现负载交直流通用。只有明显降低用户对于直流系统学习的成本,直流配电的市场化应用才能畅通无阻。

6 结 语

随着分布式能源和大功率直流负载的发展,行业对低压直流配电优势的理解逐渐清晰。为更好地顺应时代需求,在早期探索阶段,光储直柔系统还将呈现多样化的电网结构或组织形式。无论是技术、标准还是应用,这个新兴行业都在快速发展,并期望为清洁、低碳、柔性用能的社会贡献关键力量。