“光儲直柔”配電系統及其用于建筑的難點與對策分析

張立偉

（山西省建筑設計研究院有限公司，山西 太原 030013）

0 引言

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

本文在介紹“光儲直柔”系統工作原理及優勢的基礎上，對其用于建筑的難點與對策進行分析。

1 “光儲直柔”系統工作原理及優勢分析

“光儲直柔”技術作為分布式光伏發電應用的一種型式，“光儲直柔”建筑將光伏、儲能等分布式資源與建筑直接融合，構建一個獨立運行的微電網，具有系統簡單、調控靈活、能耗減少的優勢，且能夠有效提升用戶用電的可靠性和經濟性。“光儲直柔”配用電系統結構示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 新型建筑配用電系統

圖2 光儲直柔系統典型設計

1.1 “光”

“光儲直柔”中的“光”是充分利用建筑表面發展光伏發電。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。現有體量較大的建筑，其外表面的利用率很低，給發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與建筑總體設計的美學融合，是未來建筑和能源發展的趨勢。隨著工業技術的發展及新型材料的研發，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、產品的商業化，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、與建筑一體化等優勢，而且可安裝在已有建筑屋面，節省土地使用。在新型材料方面，新型材料的不斷研發促使光伏轉換效率，電池儲能技術快速發展，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，光伏在建筑領域的應用也會越來越普及，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保、經濟美觀、節能減排、時尚多樣等優勢。

1.2 “儲”

“光儲直柔”中的“儲”就是傳統意義上的蓄電池，包括電動汽車內的蓄電池、建筑內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中的移峰調節問題。在“光儲直柔”配用電系統中儲能設備是非常重要的組成部分。儲能設備擁有響應快、效率高、安裝維護便捷等特點，故可作為配用電系統的備用電源和靈活性資源。儲能設備在電力系統的應用不僅是用電側，電源側和電網側也需要儲能。建筑中應用的儲能為表后儲能，即并入用戶內部配電網，平衡調節用戶配用電系統。通過儲能設備可對電能進行循環存儲、轉換及釋放。常用的儲能設備有物理儲能、電化學電池及電磁能量存儲介質。光伏建筑和電動汽車的儲能設備不僅有利于提高建筑配用電系統的可靠性，還可以在關鍵時刻以虛擬電廠的角色向電網放電，成為備用電源。儲能技術目前還處于發展階段，其電池組的散熱問題是需要解決的關鍵難點[2]。儲能設備借鑒電動汽車和備用電源技術還不能滿足光伏建筑儲能的要求，需結合光伏建筑的特殊性來解決電池熱安全問題。因此，建筑設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鍵問題。

1.3 “直”

“光儲直柔”中的“直”是指建筑內部的直流配電系統，通過對直流配用電系統電壓的控制，來調節建筑內部用戶用電設備的用電功率，從而實現“柔”的特性。隨著現在用電設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。光伏發電、儲能設備等均輸出直流電，LED 照明燈具、變頻空調、變頻水泵、各種電子設備等都是直流供電。采用傳統光伏供電系統，“直-交-直”兩次變化，造成大量非必要能源損耗。“光儲直柔”配電系統則可消除該部分能源損耗，同時改變供電系統對電壓和頻率的限制，同時還具有提高能效，提高可靠性，降低經濟成本，離并網平衡控制簡單化等優勢。由圖2 所示的光伏建筑配用電系統構架可知，在電網供電給單體建筑入戶處設置AC/DC 整流器，可將交流供電變為直流供電，同時也可將單體產生充足的直流電逆變為交流電反饋給供電電網。光伏PV生產的直流電和電網AC/DC 轉化后的直流電存儲到儲能設備中，以保證供電的靈活性、可靠性。再由儲能設備通過建筑內直流配用電系統對所有用電設備供電。根據用電負載對電壓的不同要求，直流配用電系統需增設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，歐盟相關機構就頒布了2006/95/EC 標準，定義了直流配電系統的概念，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進行重點探討，并規劃出直流配電技術應用于未來配電網的發展目標；2011 年中國國家電網公司展開“直流配電”方式具體應用的相關研究；2013 年4 月19日，由多位國內著名院士召開的第三屆“創新驅動發展”中國電力發展和技術創新院士的論壇上，中國電力科學研究院名譽院長周孝信院士指出，未來配電網將采用交、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技術的深入研究，相關國際標準組織也已開展直流系統的標準化工作[3]，旨在國際信息的平臺上搭建直流配用電系統技術領域信息互通，以此快速健康發展直流配用電系統技術領域，促進直流配用電系統技術以及相關配套產業的提升。未來，隨著光伏發電和儲能設備在建筑領域的應用，對低壓直流配用電系統的技術研究及關注力度會越來越高，其使用和生產的相關標準也會越來越完善，建筑低壓直流配用電的生態環境也會逐漸成型。

1.4 “柔”

“光儲直柔”中的“柔”是柔性用電，使建筑用電成為“可調節、可中斷”的彈性負載，建筑用電曲線和電網取電曲線解耦，讓建筑用電不再是傳統意義的剛性負載。2020 年，清華大學的江億院士首先提出“光儲直柔”概念，在直流配電的基礎上融合了光伏、儲能、直流配電系統和柔性用電負荷，旨在解決高比例可再生能源滲透下的電力系統面臨靈活性資源稀缺和電網-荷時空錯配問題。在“碳達峰、碳中和”國家戰略背景下，“光儲直柔”在建筑領域的應用和推廣，是在應對現氣候變化背景下，與我國能源革命和城鎮化發展階段相對應的變革性技術，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，也是保障民生、降低用能成本、提高供電可靠性的適宜技術。

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

由于建筑領域目前缺乏有效的鼓勵機制，使得建筑用戶需求響應技術還停留在理論與實際結合的研究階段，真實應用的工程非常少。未來隨著電力市場化改革的深入推進和新型配用電系統技術的發展，可能會提高建筑用戶設備需求響應柔性調節的積極性。建筑用戶將由原先的剛性能源消耗角色轉變為集合“虛擬電廠、能源儲備、柔性能源消耗”為一體的角色，不僅參與電力系統的輔助服務，還使電力容量市場更加靈活，使建筑設備柔性調節產生的收益更加多樣[4]。

2 “光儲直柔”系統的應用難點與對策

2.1 難點與對策分析

（1）需結合建筑屋頂資源狀況、用熱用電需求和經濟狀況，擬定應對不同應用場景包括儲能系統、直流配電系統、光伏發電系統和柔性用電負荷在內的“光儲直柔”發配電系統方案。

（2）光伏發電系統、直流用電負載、儲能系統的功率是實時變化的，各系統都通過直流配電系統相互連接，并與外部交流配電網連接。必須對光伏發電系統、儲能系統和用電負載運行特性進行研究，設計合理的運行調控系統，以保證直流配用電網的穩定運行。

（3）“光儲直柔”系統需要實現對建筑光伏發電單元、儲能單元、電力用戶的運行參數進行采集，并結合控制方案實現對所有單元之間以及與外網之間的調度控制。

（4）在直流配用電系統中，直流電器在使用過程中容易出現電弧放電現象，就該危害研發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中柔性控制和需求響應的需求，在主動滅弧的基礎上研究直流負荷功率狀態控制方法，配合相應的用戶側需求響應策略，實現系統對直流電器的功率響應調節，提高系統控制的柔性度水平[5]。

2.2 示范案例

據不完全統計，國內外建成并實際運行的直流建筑項目已達數十個，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，可實現分布式發電并網、能源并網、城市配電網供電、孤島供電等多種電力系統運行模式，達到可再生能源高比例利用、柔性靈活用能、城市電網“后備電源”的效果[6]。

2019 年完工的上海未來大廈，也是國內“光儲直柔”系統應用的典型工程。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 范圍內波動的特性，以此建立起直流母線電壓與建筑直流用電設備之間的聯動關系，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，空調設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，實現通過調節直流母線電壓的高低來調節建筑的總用電功率，而不需要單獨對用電設備進行實時在線控制[7]。通過“光儲直柔”配用電系統技術的應用，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的電量需求。

3 結束語

“光儲直柔”建筑新型配用電系統與建筑傳統供配電系統相比具有本質的區別，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、電網供多少）轉變為柔性需求（可中斷、可調節）。另外，“光儲直柔”配用電系統的應用使建筑供配電系統簡單化，并促進能效提升，可靠性提高和能量控制智能化發展。隨著“光儲直柔”技術發展，未來建筑將成為用電、發電、調節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在建筑領域的新形態。