“光储直柔”建筑案例特征分析及系统设计相关问题探讨*

孙冬梅 康 靖 郝 斌 李雨桐 于海超 孙 林

(深圳市建筑科学研究院股份有限公司,深圳)

0 引言

实现2030碳达峰、2060碳中和的发展目标是党中央作出的重大战略决策。2021年10月24日,中共中央和国务院发布的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》指出:到2060年我国的非化石能源比重达80%以上,并着重指出大力发展低碳建筑,深化可再生能源建筑的应用。然而可再生能源发电的随机性、波动性将对城市电网的安全、稳定运行带来极大的挑战,制约了可再生能源大规模的应用[1]。大规模可再生能源的发展必然要求电网系统“源、网、荷、储”协调运行,否则将导致可再生能源出力与终端负荷时空错配等问题[2]。

“光储直柔”(photovoltaic,energy storage,direct current and flexibility,PEDF)是集建筑光伏、分布式储能、直流配电、柔性用电于一体的新型建筑配电系统[2]。“光储直柔”建筑可以充分利用建筑光伏、储能电池及电动汽车蓄电池、柔性用电设备等灵活性(energy flexibility,EF)资源,使建筑从刚性负载转变为柔性负载,并能根据电力供需关系调节建筑用电功率或光伏发电功率,实现“荷随源动”,从而有效解决太阳能光伏发电功率与建筑终端用电功率时空错配难题,促进建筑光伏发电本地消纳,提高电网供电安全性、稳定性和可靠性,对于实现零碳建筑和零碳电力都具有重要作用[1-6]。

2021年10月26日,国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》提出:要建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑,为“光储直柔”建筑的发展目标指明了方向。2021年12月31日,工业和信息化部等五部门联合发布的《智能光伏产业创新发展行动计划(2021—2025年)》提出:积极开展光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑建设示范,进一步细化了“光储直柔”建筑发展的技术路径。2022年3月1日,住房和城乡建设部《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》提出:建设以“光储直柔”为特征的新型建筑电力系统,发展柔性用电建筑。国家各部委出台的相关政策对发展建筑“光储直柔”、建筑需求响应、建筑储能、建筑光伏等均提供了有利条件,也对合理构建“光储直柔”系统、开发“光储直柔”关键设备、开展“光储直柔”工程应用等提出了迫切需求[7-9]。

建筑“光储直柔”的应用涉及建筑、电气、暖通、电力电子、自动控制及能源经济等多专业、多学科、多领域,需要各行各业密切配合、融合发展才能实现。目前,建筑“光储直柔”技术研究仍处于小规模示范应用与探索阶段[7,10],其规模化推广应用的场景还不明晰,“光储直柔”系统相关技术标准还不健全[11],不同类型建筑应用场景下的“光储直柔”系统发展的技术路径如何确定[12]、系统拓扑结构和电压等级如何选择、“光”“储”“直”“柔”四者容量如何配置[13-15]、建筑与电网如何协调优化运行调度[16-17]等仍然是困扰行业人员的关键问题。为此,中国建筑节能协会“光储直柔”专业委员会组织开展了“光储直柔”建筑示范工程案例调研,主要目的是了解我国“光储直柔”建筑示范项目的实施情况,分析“光储直柔”建筑示范工程的建筑分布特征和技术应用特征,提出“光储直柔”建筑的适宜应用场景、系统拓扑结构及电压等级选择建议和系统容量配置方法,探讨“双碳”背景下“光储直柔”系统发展的技术路径,为规模化推动“光储直柔”建筑发展提供实践经验参考。本次调研共收集了已建成、在建的“光储直柔”建筑示范项目27个,并对其中已建成的17个典型示范项目进行建筑特征和技术应用特征分析,建筑类型涵盖了城市和农村、居住建筑和公共建筑、建筑单体和园区等不同应用场景。

1 “光储直柔”建筑特征分析

1.1 建筑分布特征

1) 项目位置分布。

表1显示了调研的“光储直柔”建筑案例基本信息。从表1可知:从太阳能资源分布情况来看,17个案例中位于太阳能资源很丰富地区的建筑占23.5%,位于太阳能资源丰富地区的建筑占76.5%;从气候区域分布来看,寒冷地区的建筑占47.0%,夏热冬冷地区的建筑占29.5%,夏热冬暖地区的建筑占23.5%。可见,建筑“光储直柔”适用于我国大部分地区,从调查数据来看,太阳能资源丰富的寒冷地区、夏热冬冷地区(除四川盆地)及夏热冬暖地区应用案例较为集中。

表1 “光储直柔”建筑案例基本信息

2) 建筑类型分布。

从建设类型来看,新建“光储直柔”建筑占47.0%,既有建筑直流化改造的“光储直柔”建筑占53.0%。从建筑功能来看:办公建筑数量最多,占52.9%;其次是农村住宅,占23.5%;再次是产业园区(厂房+办公),占11.8%;校园建筑和商业建筑各占5.9%。可见,建筑“光储直柔”系统正在逐步从新建建筑扩展到既有建筑,从城市办公建筑推广至商业建筑、校园、产业园区及农村住宅。

3) 项目规模分布。

建筑面积≤500 m2的建筑数量占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%。可见,虽然目前“光储直柔”建筑项目以中小型示范建筑为主,但已有部分产业园区、大型商业综合体建筑开始应用“光储直柔”系统,建筑规模达几十万m2数量级,说明“光储直柔”建筑应用规模正在从中小型单体建筑向校园、产业园区规模化应用发展。

综上所述:从太阳能资源利用角度来看,“光储直柔”系统对我国大部分区域都适用,尤其是太阳能资源很丰富的寒冷地区和太阳能资源丰富的夏热冬冷(除四川盆地)及夏热冬暖地区。从建筑类型和建筑规模来看,建筑“光储直柔”系统正在逐步从新建建筑扩展到既有建筑,从城市办公建筑推广至商业建筑、校园、产业园区及农村住宅,从中小型的单体建筑向校园、产业园区规模化应用发展。

1.2 “光储直柔”技术应用特征

1.2.1光伏技术应用特征

光伏系统形式、安装位置、组件类型及与电网连接方式的选择是建筑光伏系统设计需要考虑的主要内容。图1显示了调研的“光储直柔”建筑案例的光伏技术应用特征分布。

图1 光伏技术应用特征分布

从图1可知:

1) 调研的建筑全部采用了太阳能光伏技术,并采用了与市政电网并网的连接方式。

2) 从光伏系统形式来看,71%的建筑采用了BAPV(光伏附着在建筑上)形式,53%的建筑采用了BIPV(光伏建筑一体化)形式。

3) 从光伏组件安装位置来看,平面安装(建筑屋顶或地面停车棚)的比例为100%,同时在建筑屋顶和立面安装(玻璃幕墙或外墙)的仅12%。

4) 从光伏组件类型来看,82%的建筑采用了单晶硅双面高效组件,18%的建筑采用了多晶硅组件,12%的建筑采用了碲化镉薄膜组件。

可见,由于屋面接收到的太阳辐射量大、单晶硅组件效率高且成本低、单位面积的光伏发电量大、投资收益高,在建筑屋顶安装高效单晶硅组件的BAPV形式仍是当前建筑光伏利用的主要方式。但由于城市建筑屋顶空间有限,建筑外立面的面积是屋顶面积的数倍,随着光伏技术的发展进步,光伏组件的效率逐步提高且成本逐渐下降,光伏组件的色彩、形状及透光性能也将适应建筑美观的要求,BIPV光伏将是建筑屋顶BAPV光伏的重要补充。

1.2.2储能技术应用特征

储能系统设计的主要内容之一是要根据储能系统配置的目的、建筑光伏发电量与建筑用电量的匹配关系合理确定储能系统类型和系统容量。

图2显示了储能系统应用类型分布。从图2可知:案例中,有88.2%的建筑采用了电池储能系统,5.9%的建筑采用了冰蓄冷系统,5.9%的建筑未采用储能系统;在采用电池储能的建筑中,52.9%的建筑采用磷酸铁锂电池,23.5%的建筑采用钛酸锂电池,5.9%的建筑采用铅酸电池,5.9%的建筑采用铅碳电池和钛酸锂电池。可见,电化学储能已成为建筑储能的主要形式,磷酸铁锂、钛酸锂等锂离子电池是建筑中应用较广泛的电化学储能类型。

图2 储能系统应用类型分布

图3显示了不同类型储能电池的额定容量、功率及充放电小时率分布。从图3可知:磷酸铁锂电池的额定容量在20～717 kW·h之间,额定功率在8～400 kW之间,额定充放电小时率在0.5～5 h 之间;钛酸锂电池的额定容量在6.6～1 600 kW·h之间,额定功率在3.3～560 kW之间,额定充放电小时率在0.1～3 h之间;铅碳电池的20 h充放电小时率额定容量为140 kW·h,最大放电功率为120 kW,额定充放电小时率在1～20 h之间;铅酸电池的10 h充放电小时率额定容量为150 kW·h,最大放电功率为120 kW,额定充放电小时率在4～10 h之间。因此,储能系统设计时宜根据不同的储能系统配置目的,综合考虑储能电池的技术性能及经济性来合理选择电池类型:对于消纳光伏、削峰填谷等能量型储能系统,宜选择能量密度高、放电时间较长的电池;对于参与调峰调频电力辅助服务等功率型储能系统,宜选择功率密度大、放电时间较短的电池。

图3 不同类型储能电池的额定容量、功率及充放电小时率

1.2.3直流配电系统技术特征

直流配电系统拓扑结构和电压等级的选择是直流配电系统设计的关键内容,合理的系统拓扑结构和电压等级是保障供电安全性和可靠性、提高系统经济性和运行灵活性、降低系统输配损耗的基础[18]。

中压直流配电系统网络结构按照电源数量及线路连接方式的不同分为单端单路辐射状、单端双路辐射状、单端环状、双端、多端树枝状、多端环状,不同配电网络结构的特点及适用场景见表2[18]。低压直流配电系统按照直流母线接线型式分为单极和双极[19]:单极拓扑结构简单、建设成本低、运行控制简单,适合用电负荷功率差异不大的场景;双极拓扑结构能够以1个电压等级提供2个供电电压层级,有利于简化电压层级、提高输配效率和供电灵活性,但双极拓扑结构存在正负极之间负载不平衡问题,需要安装电压平衡器,结构复杂、建设成本高、运行控制难度大,适合供电范围较大、用电负荷功率差异大的场景[20]。

表2 不同中压直流配电网络结构的特点及适用场景[18]

直流配电系统按照电源与负载之间的电压变换层级分为单级和多级,单级结构适用于电源与负载距离较近、负载较小的场合,多级结构适用于电源与负载距离较远、负载较大的场合,电压层级需要与电压等级相适应。GB/T 35727—2017《中低压直流配电电压导则》明确直流配电系统电压等级的确定总体原则是简化电压等级、减少变压层次、优化网络结构,并推荐中压直流配电系统优先选择3 kV(±1.5 kV)、±3 kV、±10 kV、±35 kV,低压直流配电系统优先选择1 500 V(±750 V)、750 V(±375 V)、220 V(±110 V)[21]。T/CABEE 030—2022《民用建筑直流配电设计标准》从民用建筑用电负荷容量、供电半径、用电设备发展趋势及系统安全性等因素综合比较确定,推荐采用DC750 V、DC 375 V和DC 48 V 3个电压等级[19-20]。

表3显示了建筑直流配电系统主要技术参数,图4显示了调研的建筑案例的直流配电系统电压等级分布。

图4 建筑直流配电系统电压等级分布

表3 建筑直流配电系统主要技术参数

从表3和图4可知:

1) 从中压配电系统结构来看:调研的建筑案例大部分采用了单端单路辐射状结构,主要为中小型民用建筑(办公建筑1～5、产业园2和3、农村住宅1～3),用电负荷为3级负荷,用电负荷集中且负荷容量较小,对供电可靠性要求不高,采用单端单路辐射状结构是最经济合理的。产业园1是包含工业生产、办公及员工宿舍的大型产业园区,供电范围大且负荷容量大,对供电可靠性要求较高,采用双端结构是合理的。农村住宅4是包含131户农户的村庄,建筑屋顶及场地均铺满光伏,具有供电范围大、多点高密度分布式电源接入特点,采用多端树枝状结构是符合应用场景需求的。商业建筑供电范围包含2栋商业建筑及地下车库充电桩,负荷分布广且充电桩瞬时负荷大,采用多端环状结构有利于提高供电可靠性,减少停电造成的经济损失。典型建筑直流配电系统拓扑结构见图5～8。

图6 双端结构(产业园1)

图7 多端环状结构(商业建筑)

图8 多端树枝状结构(农村住宅4)

2) 从低压直流配电系统接线型式来看:调研的建筑案例中有80%采用了单极接线型式,分别为中小型民用办公建筑2～5及7、商业建筑、农村住宅1～4、产业园2和3,主要是因为建筑规模小、用电设备额定功率差异不大,所以低压直流配电系统供电半径较小、电压层级少,采用单极接线型式即可满足不同用电设备使用要求。大型产业园1因为包含工业生产、办公及员工宿舍等不同类型负荷,所以供电范围大且负荷功率差异较大,采用双极接线型式有利于简化电压层级和降低输配损耗,同时可适应多种应用场景的供电灵活性要求。

3) 从低压直流配电系统电压等级来看:调研的建筑案例的电压等级以2级为主(占调研案例数量的73%),不超过3级,且电压等级均采用了标准中的优先推荐值DC 750 V、DC 375 V、DC 48 V。其中DC 750 V主要为光伏、储能、充电桩、空调室外机及工业生产设备等大功率设备供电,注重传输效率;DC 375 V主要为监测展示设备(大功率展示屏、服务器等)及其他中等功率设备(微波炉、电磁炉、烧水壶等)供电;DC 48 V主要为直流空调室内机、直流照明及其他小功率设备(IT类办公设备、充电器、饮水机、电风扇等)供电,侧重于供电安全性;个别建筑采用了DC 220 V,主要是为了兼容原有的交流220 V变频用电设备,避免更换终端用电设备带来增量投资。

综上所述,“光储直柔”建筑的拓扑结构和电压等级与具体应用场景下的用电负荷特性、分布式电源特性、供电容量、供电半径及供电安全性、可靠性和经济性等因素有关,需要综合考虑多种因素合理确定。结合现有相关标准及案例应用情况,对于直流配电系统拓扑结构和电压等级的基本规律总结如下:

1) 关于拓扑结构选择,单体民用建筑的中压直流配电系统优先采用单端单路辐射状结构,多栋民用建筑的中压直流配电系统可采用多端环状结构,整村多户并网的农村住宅的中压直流配电系统采用多端树枝状结构,民用建筑低压直流配电系统优先采用单极接线型式[20,22];大型工业园区中压直流配电系统采用双端或多端环状结构,低压直流配电系统优先采用单极接线型式,用电设备额定功率差异较大时可采用双极接线型式。

2) 关于电压等级选择,民用建筑中压直流供配电系统的电压等级不多于2级,低压直流配电系统的电压等级不多于3级,并优先采用标准中推荐的标准电压值。当用电设备的额定功率在250 kW及以上时,多采用中压直流供电;当用电设备的额定功率在250 kW以下时,建议采用低压直流供电[13,23]。其中:对于额定功率大于15 kW的大功率设备,宜采用DC 750 V供电,以提高供电效率;对于额定功率在500 W～15 kW之间的中等功率设备,宜采用DC 375 V供电,兼顾效率和经济性;对于人员频繁使用的额定功率小于或等于500 W的小功率设备,宜采用DC 48 V供电,保障供电安全性[19-20]。

1.2.4建筑直流配电应用场景

直流配电系统在建筑中发展应用的重要内因是建筑用电负载逐渐趋于直流化[6]。图9显示了调研的建筑案例的直流用电设备类型分布。从图9可知,案例中,88%的建筑采用了直流空调、直流照明,71%的建筑采用了直流监测展示设备(展示屏、服务器等)及其他小功率直流设备(直流办公设备、饮水机、电风扇、无线充电器等),65%的建筑采用了其他中等功率直流设备(微波炉、电磁炉、烧水壶等),59%的建筑采用了直流充电桩,12%的建筑采用了直流工业生产设备。可见,建筑中的照明、空调、IT类办公设备及监测展示设备、家用电器及充电桩采用直流供电已比较成熟,主要是由于这些用电设备的内部结构本身是直流驱动的或者变频器是直流驱动的,具备直流化的良好基础条件。

图9 建筑直流用电设备类型分布

2 建筑“光储直柔”系统容量配置方法

2.1 “光储直柔”系统容量配置的总体原则

当建筑采用“光储直柔”系统时,建筑与电网的关系变成了建筑光伏、储能、用能负荷和电网四者之间的关系[19-20]。因此,建筑“光储直柔”系统设计方法比传统的交流配电系统更复杂,需要根据逐时建筑光伏发电功率、建筑电网交互功率、储能充放电功率和建筑用电负荷功率四者的动态能量平衡关系来确定四者的容量配置,见式(1)。

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

(1)

式中Epv,ij、Eg,ij、El,ij、Eb,ij分别为第i天j时刻的光伏发电功率、建筑电网交互功率、建筑用电负荷功率、储能电池充放电功率,kW。

建筑“光储直柔”系统容量配置的总体方法流程如下:

1) 根据建筑基本信息和建筑用电设备参数,采用能耗模拟软件计算全年8 760 h逐时建筑用电负荷功率;

2) 根据建筑屋顶、立面及场地可用于铺设光伏的面积确定光伏系统的最大安装面积及安装容量,并采用光伏系统设计软件模拟计算全年8 760 h逐时光伏发电功率;

3) 根据逐时建筑用电负荷功率与逐时光伏发电量的匹配关系,进行光伏消纳方式分析,并结合“光储直柔”系统设计目标,确定适宜的光伏安装容量及“光储直柔”系统总体技术路线;

4) 按照日能量平衡原则,确定每天的建筑电网交互电量,并结合“光储直柔”系统优化目标计算逐时建筑与电网交互功率,根据最大逐时交互功率确定建筑与电网交互入口AC/DC变换器的容量;

5) 根据四者能量平衡关系(见式(1))计算逐时储能充放电功率,并根据储能日充放电量平衡原则,确定日储能充电量和放电量,按照最大日充电量或放电量确定储能系统额定能量,再按照“储能额定功率=储能额定能量÷额定放电小时率”的关系确定储能额定功率。

2.2 建筑光伏系统容量配置方法

由于建筑光伏发电与建筑用电在时间尺度上不同步,建筑光伏消纳方式分析时不仅要分析全年建筑光伏发电量与建筑用电量的匹配关系,更重要的是要分析典型日逐时光伏发电功率与建筑用电功率的匹配关系[4-5,24],如图10所示。光伏自消纳率Rsc(self-consumption rate)和光伏自给率Rss(self-sufficiency rate)是反映建筑光伏利用技术性能的2项重要指标。Rsc是指建筑本地消纳的光伏电量占光伏年总发电量的比例,Rss是指建筑本地消纳的光伏电量占建筑年总用电量的比例[25],计算式见式(2)～(6)。Rsc和Rss均在0～1之间变化。Rsc越大,弃光量或需要上网的电量越少,光伏系统的能源利用效率越高。Rss越大,从电网购买的电量越少,光伏系统保障建筑用电需求的能力越强。对于具体建筑而言,可采用如图11所示的Rsc与Rss分布图来进行光伏消纳方式分析。当Rss等于Rsc时,建筑光伏年总发电量可以完全抵消建筑年总用电量,为净零能耗建筑(图11中斜线所示);当Rss大于Rsc时,建筑光伏年总发电量大于建筑年总用电量,为光伏“上网输出型”建筑(图11中斜线上方区域);当Rss小于Rsc时,建筑光伏年总发电量小于建筑年总用电量,为光伏“自消纳型”建筑(图11中斜线下方区域)。

图10 典型建筑逐时用电负荷与光伏发电功率匹配关系

图11 光伏自消纳率(Rsc)与光伏自给率(Rss)分布

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(2)～(6)中Epv,u为建筑本地消纳的光伏电量,kW·h;Epv为光伏年总发电量,kW·h;El为建筑年总用电量,kW·h;El,i、Epv,i、Epv,u,i分别为第i天的建筑用电量、光伏发电量、建筑本地消纳的光伏电量,kW·h。

2.3 AC/DC变换器容量配置方法

建筑与电网交互入口AC/DC变换器的容量按照如下方法计算:

首先,按照日能量平衡原则,根据每天的建筑用电量与光伏发电量的差异确定每天的建筑电网交互电量(见式(7)),正值表示建筑从电网取电,负值表示建筑向电网返送电力。

然后,结合“光储直柔”系统优化目标(如经济运行、低碳运行、柔性调节等),计算逐时建筑电网交互功率。经济运行目标情景下,需要结合峰谷电价使系统年运行成本最低或年化总成本最低(见式(8));低碳运行目标情景下,需要充分利用建筑本地光伏发电抵消建筑用电使建筑从电网取电量最少(见式(9));柔性调节目标情景下,要求建筑电网交互功率与电网下达的目标功率的方差最小(见式(10))。

最后,根据逐时建筑电网交互功率的最大值确定建筑与电网交互入口AC/DC变换器容量(见式(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为第i天建筑与电网交互电量,kW·h;CAT为系统年化总成本,包括初投资、运行维护成本和运行电费,元;Cpv,I、Cb,I、CAC/DC,I、CDC/DC,I分别为光伏、储能、AC/DC变换器、DC/DC变换器的初投资,元;Kpv、Kb、KAC/DC、KDC/DC分别为光伏、储能、AC/DC变换器、DC/DC变换器的初投资折算年金系数;Cpv,OM、Cb,OM、CAC/DC,OM、CDC/DC,OM分别为光伏、储能、AC/DC变换器、DC/DC变换器的年运行维护成本,元;Stf为变压器容量,kV·A;ptf为变压器容量电价,元/(kV·A·月);Eg,p,ij、Eg,m,ij、Eg,op,ij分别为峰、平、谷时段建筑与电网交互功率,kW;pp,ij、pm,ij、pop,ij分别为峰、平、谷时段的电量电价,元/(kW·h);Eg为年建筑与电网交互电量,kW·h;F(Eg,ij)为建筑电网交互功率与电网下达的目标功率的方差;Eg,o,ij为第i天j时刻电网下达的目标功率,kW;PAC/DC为建筑与电网交互入口AC/DC变换器容量,kW;ηAC/DC为AC/DC变换器的能量转换效率。

2.4 建筑储能系统容量配置方法

建筑储能系统主要是为了解决一天之内的建筑用电负荷功率与光伏发电功率不平衡、不匹配的问题[5,26]。建筑储能系统容量配置方法如下:

首先,按照四者能量平衡(见式(1))计算逐时储能充放电功率(见式(12)),正值表示储能放电,负值表示储能充电;

然后,计算每天的储能放电量(见式(13))和充电量(见式(14)),按照储能充放电量日平衡原则,取日储能充电量和日储能放电量中的较小值作为日储能放电能量(见式(15));

最后,根据全年最大日储能放电量确定储能系统额定能量(见式(16)),再按照储能电池的额定放电能量、额定放电功率与额定放电小时率的关系确定储能额定功率(见式(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分别为第i天储能电池的实际放电量、计算放电量、计算充电量,kW·h;Eb,d,ij、Eb,c,ij分别为第i天j时刻储能电池的放电功率、充电功率,kW;Eb为储能电池的额定放电能量,kW·h;ηb为储能电池的充放电效率;ηd为储能电池的充放电深度;Pb为储能电池的额定放电功率,kW;n′b为储能电池的额定放电小时率,h。

图12显示了调研的建筑案例的建筑与电网交互入口AC/DC、光伏DC/DC、储能DC/DC、直流负载的容量配比关系。

图12 市电AC/DC、光伏DC/DC、储能DC/DC、直流负载容量配比关系

从图12可知:

1) 对于光伏“自消纳型”的城市办公建筑、商业建筑和大型产业园区建筑,储能系统配置的目的是充分利用建筑本地光伏发电以减少从市政电网取电量,其AC/DC变换器容量需根据典型日从电网取电功率来配置。调研的办公建筑(1～3、5、6)、商业建筑和大型产业园1的AC/DC变换器容量比直流负载容量降低了0～65%,符合“自消纳型”“光储直柔”建筑的容量配比关系。

2) 对于光伏“上网输出型”的农村住宅,储能系统配置的目的是充分利用本地光伏发电以减少光伏上网电量,其AC/DC变换器容量需根据典型日光伏发电上网功率来配置。农村住宅4的AC/DC变换器容量比光伏DC/DC变换器容量降低了10%,符合“上网输出型”“光储直柔”建筑的容量配比关系。农村住宅1～3为太阳能竞赛项目,不仅要实现并网运行时的产能建筑目标,还要实现离网运行48 h期间的建筑能源自给自足,在太阳能光伏极端不利天气条件下,储能系统需要能够储存2 d的建筑用电量需求,并在离网前一天把电充满,此时AC/DC变换器容量根据储能充电功率与负载用电功率之和确定,与“上网输出型”的住宅有所不同。

3 “光储直柔”建筑技术发展路径探讨

在“双碳”背景下,“光储直柔”建筑一方面需要充分利用建筑自身光伏发电可再生能源,减少建筑的化石能源消耗;另一方面需要减少与电网的双向交互频次,以减少对电网的影响,降低电力运行调度难度。因此,需要开展建筑光伏消纳方式分析,明确不同类型建筑作为建筑光伏发电消纳者或生产者的定位[4-5],确保建筑与电网之间是单向交互。

1) 城市办公、商业建筑的Rsc大于Rss,为光伏“自消纳型”建筑,主要是由于城市建筑用电负荷需求大,且建筑屋顶空间资源有限,建筑光伏年发电量小于建筑年用电量。因此,城市建筑“光储直柔”系统设计时应重点关注“储”和“柔”,充分利用建筑分布式储能、电动车及柔性负荷等灵活性资源,最大化利用建筑光伏发电量,实现光伏发电全部本地消纳,不足用电量从电网取电补充。

2) 农村建筑的Rsc小于Rss,为光伏“上网输出型”建筑,主要是由于农村建筑用电负荷需求较小,且有大量的建筑屋顶及庭院空间铺设太阳能光伏板,建筑光伏年发电量大于建筑年用电量。因此,农村建筑“光储直柔”系统设计时应重点关注“光伏自消纳”和“上网输出”两方面问题。针对光伏自消纳问题,可通过推动农村用能电气化增加用电需求,同时发展光伏+电动车、光伏+电动农用机具等“光伏+”系统,将多余的光伏发电量储存起来供需要时使用,实现建筑及农业生产用电量全部由本地光伏发电量供应;本地无法消纳的光伏发电量的上网输出问题,可通过优化村级直流配电网结构(如采用多端树枝状或环状结构)实现光伏发电量跨台区消纳,进一步减少光伏上网电量;仍有多余的光伏发电量可通过建设村级储能设施,在电网需要时上网,从而保障电网供电安全性和可靠性,同时用户也能从中获得一定的电力需求响应经济激励。

3) 产业园区建筑的Rsc与Rss受建筑规模、用电负荷需求量及可用于铺设光伏的屋顶和场地空间等影响差异较大。中小型产业园的Rsc小于Rss,为光伏“上网输出型”建筑;大型产业园的Rsc大于Rss,为光伏“自消纳型”建筑。因此,对于中小型产业园区,可结合园区员工通勤需求设置电动汽车双向充电桩,以提高建筑光伏自消纳率,同时利用电动车蓄电池储存多余的光伏发电量供建筑需要时使用,仍有多余的光伏发电量再上网。对于大型产业园区,可结合员工通勤需求设置电动汽车或电动大巴车双向充电桩,并设置一定规模的集中式储能系统,利用电动车蓄电池和储能系统储存白天多余的光伏发电量供晚上工业生产使用,最大化利用建筑光伏发电量,实现光伏发电全部本地消纳,不足用电量从电网取电补充。

4 结论与展望

4.1 结论

1) “光储直柔”系统的适宜应用场景:“光储直柔”适用于我国大部分地区,尤其是太阳能资源很丰富的北方严寒、寒冷地区和太阳能资源丰富的夏热冬冷(除四川盆地)和夏热冬暖地区,建筑类型和建筑规模正在逐步从新建建筑扩展到既有建筑,从城市办公建筑推广至商业建筑、校园、产业园区及农村住宅,从中小型的单体建筑向校园、产业园区规模化应用发展,建筑中的照明、空调、IT类办公设备及监测展示设备、家用电器和充电桩是直流化的成熟应用场景。

2) 光伏技术应用特征:在建筑屋顶安装高效单晶硅组件的BAPV形式仍是当前建筑光伏利用的主要方式,随着光伏技术的发展进步,光伏组件的色彩、形状及透光性能将适应建筑美观的要求,光伏组件的效率逐步提高且成本逐渐下降,建筑外立面BIPV光伏形式将是建筑屋顶光伏的重要补充。

3) 储能技术应用特征:电化学储能是建筑储能的主要形式,磷酸铁锂、钛酸锂等锂离子电池是建筑中应用较广泛的电化学储能类型。储能系统设计时宜根据储能系统设计目的和应用场景,综合考虑储能电池的技术性及经济性来合理选择电池类型,对于消纳光伏、削峰填谷等能量型储能系统,宜选择能量密度高、放电时间较长的电池,对于参与调峰调频电力辅助服务等功率型储能系统,宜选择功率密度大、放电时间较短的电池。

4) 直流配电系统技术特征:“光储直柔”建筑应结合应用场景,综合用电负荷特性、分布式电源特性、应用范围、供电容量、供电半径、供电安全性、可靠性和经济性等因素,合理确定直流配电系统拓扑结构和电压等级。建议单体民用建筑的中压直流配电系统采用单端单路辐射状结构,多栋民用建筑可采用多端环状结构,整村多户并网的农村住宅采用多端树枝状结构,大型工业园区中压直流配电系统采用双端或多端环状结构,民用建筑低压直流配电系统优先采用单极接线型式。民用建筑中压直流供配电系统的电压等级不多于2级,低压直流配电系统的电压等级不多于3级,并优先采用标准中推荐的标准电压值。

5) 建筑“光储直柔”系统容量配置:建筑“光储直柔”系统设计时需要根据逐时建筑光伏发电功率、建筑电网交互功率、储能充放电功率和建筑用电负荷功率四者的动态能量平衡关系来确定四者的容量配置。建筑光伏系统按照“应装尽装”的总原则,并根据逐时建筑用电负荷功率与逐时光伏发电量的匹配关系确定适宜的光伏消纳方式和安装容量。建筑与电网交互入口AC/DC变换器容量按照日能量平衡原则,并根据建筑与电网最大逐时交互功率确定,光伏“自消纳型”的城市办公、商业建筑根据典型日从电网取电功率来配置,光伏“上网输出型”的农村建筑根据典型日光伏发电上网功率来配置。储能系统按照日充放电量平衡原则,根据最大日充电量或放电量确定储能系统容量,再按照“储能额定功率=储能额定容量÷充放电小时率”的关系确定储能功率。

6) 建筑“光储直柔”系统技术路径:城市和农村建筑的用电负荷需求和可再生能源资源条件的差异决定了其“光储直柔”系统设计时的关注点应有所不同。城市建筑“光储直柔”系统设计时需重点关注“储”和“柔”,充分利用建筑分布式储能、电动车及柔性负荷等灵活性资源,实现“荷随源动”,提高建筑光伏本地消纳比例,并通过参与电力市场交易获得额外经济收益。农村建筑“光储直柔”系统设计时需重点关注建筑光伏本地消纳和上网输出问题,通过推动农村用能电气化,发展光伏+电动车、农用电机具等“光伏+”系统,促进建筑本地光伏消纳,同时通过村级直流配电网台区互联及蓄电蓄热设施等措施实现不同农户的用电需求与光伏发电的优化匹配,解决光伏上网输出问题。

4.2 展望

建筑“光储直柔”系统的规模化推广应用需要政策、标准、产品的多方面协同推进和示范工程的应用验证,需要进一步完善“光储直柔”系统应用的市场化激励机制和政策,建立并完善“光储直柔”系统设计、施工、检测、评价及关键设备与接口标准,推动相关跨行业标准协同,加快推进建筑直流配电设备及用电设备研发及产品化,并将相关政策、标准、产品在示范工程中应用验证,形成针对不同应用场景的成套技术方案、成熟产品及运营模式,实现建筑“光储直柔”技术的商业价值。