基于“光儲直柔”技術的智慧園區設計應用

江宇萌1，張玉婷2

（1.中交機電工程局有限公司，北京 100027；2.亞當森大學，菲律賓馬尼拉 1000）

0 引言

隨著國家戰略上提出“雙碳”發展目標，如何減少碳排放，助力國家早日實現碳中和，已成為各行各業發展的首要任務。建筑行業是電力能源消費的大戶，截止2018年，建筑運行消耗的商品能源已到達10億t標準煤，其中建筑運行消耗的電量已達到1.7萬億kW·h，占社會總用電量的26%［1］。這意味著，在綠色低碳發展的趨勢下，提高可再生能源的利用比例，加大分布式光伏新能源的投資建設迫在眉睫，建筑電氣化已成為必然趨勢。江億院士［2］提出的直流建筑概念能更好的做到“源網荷儲”協同應用，“光儲直柔”的建筑配電理念可就地高效消納光伏，實現零碳建筑。國內首個全直流建筑深圳市未來大廈已于2019年完工，目前已投入使用，利用“光儲直柔”技術實現綠色建筑的建設可行性進一步得到證實［3］。目前將“光儲直柔”技術有機融合的示范項目依然很少，但未來綠色低碳建筑的發展趨勢實屬必然［4］。隨著光伏發電的普及，建筑光伏一體化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）各種新型發電技術的興起，儲能與低壓直流配電技術的進一步成熟，柔性負荷的用電能動性逐步靈活可靠，通過供給側削峰可減少約15%的碳排放，“光儲直柔”新型技術應用于建筑領域實為實現碳中和的一個有效路徑。本文在智慧園區的方案設計中應用最新的“光儲直柔”技術，可實現園區可再生能源100%本地全消納，分布式資源接入類型全覆蓋，用戶友好雙向互動。

1 “光儲直柔”的優勢與特點

1.1 技術簡介

在未來新型智慧園區的可再生用能比例持續提高下，“光儲直柔”技術可分解為光、儲、直、柔4項新技術［5］。“光儲直柔”的系統整體如圖1所示。

圖1 “光儲直柔”系統整體示意圖

“光”指的是發電端電源側采用分布式光伏發電技術，采用屋頂分布式光伏或建筑光伏一體化技術。其中BIPV技術將光伏與建筑完美融合為一體，既能高效吸收太陽能轉換電能，也能將透光、遮陽與光伏有機結合，增加整體展示度，是未來建筑和能源系統的融合發展趨勢［6］。受益于光伏行業的蓬勃發展，光伏組件的成本在逐年降低，但BIPV技術還處于初期發展階段，隨著未來技術更加成熟，更為大眾所接受后，投資收益會有顯著改善。

“儲”指的是新型中低壓配電系統中的儲能部分，通過多種儲能形式進行可循環電能存儲、電能變換以及電能釋放。儲能不僅僅承擔著削峰填谷的角色，更重要的作為智慧園區能源靈活調度的中轉站，優化負荷曲線，提升電能質量，提高供電可靠性。隨著分布式光伏與新能源汽車的融合發展，光儲充一體站的應用被逐步推廣，未來儲能技術的多維度發展更加迅猛。我國2050年的電化學儲能容量有關預測能達到3.2億kW［7］。

“直”指的直流配電技術，也是“光儲直柔”技術的核心與動因。隨著電源側與負荷側直流化程度越來越高，越來越多的建筑采用全直流配電或交直流混合配電系統。從新能源光伏的利用角度來看，采用分布式光伏技術的建筑電源側為直流電，宜采用直流配電；從負載角度來看，傳統燈具逐步被LED燈具所替代，各種電器與數字化設備也都是直流負載；從儲能來看，大部分儲能電池也都是輸出直流電［8］。

“柔”指的負荷用電的靈活性，并且與電網實時交互，既能實現柔性用電，也是電網的實時備用靈活電源。特別是目前電動汽車的光伏使用，光儲沖一體站的大量推廣，電動車猶如小型充電寶一樣，既是直流負載，也是小型直流電源，隨時可對電網進行能量回饋。

1.2 技術優勢

“光儲直柔”技術利用“源網荷儲”理念從建筑供能側、傳輸側、儲能側和用能側進行全面優化。其中供能側可提高可再生能源用能比例，全面就地消納光伏能源，做到低碳、零碳供給；傳輸側采用直流配電，系統效率得到很大提升，可省去較多整流AC/DC與逆變DC/AC等電力電子變換設備［9］，用戶的安全性與使用便捷性也能得到很大提升，電氣系統控制也會更加簡單，母線電壓允許更大范圍的波動，實現供電可靠性的解耦；儲能側更容易在未來助力電動車實現能量的雙向流動，不僅滿足充電的需求，更能實現放電短暫供給；用能側通過負荷與光伏、儲能的動態匹配更容易實現與電網的柔性交互。

2 “光儲直柔”系統設計

2.1 可行性分析

雄安新區在“綠色建筑發展的指導意見”與“上層規劃綱要”的要求中，提到大力發展BIPV技術在建筑中的一體化應用，構建光伏薄膜發電系統與直流建筑，創建以太陽能與燃料電池耦合的智慧能源系統。這為“光儲直柔”系統在雄安的應用試點奠定了良好的政策基礎。

雄安光照資源具備開發潛力，國家氣象局資料顯示雄安年總輻射量為1450～1500（kW·h）/m2，屬太陽能資源“豐富區”，可開發量約9000萬kW。考慮屋頂分布式光伏作為可再生能源發電，采用BIPV、風光路燈等技術，作為示范項目進行建設。

并且隨著分布式電源、BIPV、用戶側儲能的大量接入以及對電能質量和系統整體效率要求的提升，直流系統具有更少的傳輸損耗，便于光伏、儲能和充電樁裝置的接入，對于絕大多數負荷，能夠減少電能變換次數，提高用電效率［10］。光儲直柔系統中增加了低壓直流母線，通過AC/DC雙向變流器構建出直流微電網，將直流負荷接入直流微電網中，從而減少電能變換環節，在結構上更加穩定，安全性更強。因此，考慮在雄安智慧園區中進行光儲直柔配電方案的建設。

2.2 關鍵技術

2.2.1 BIPV技術

園區建面約11 339 m2，用能端主要在于冷水機組、空調、照明與充電樁上，根據建筑尺寸及設計組件串聯數合理選擇組件尺寸，理論上應選擇大板組件減少安裝工作量，同時考慮建筑的隔熱供暖和成本因素，本項目采用100 Wp發電窗隔熱光伏組件。相關參數如表1所示。

表1 100 Wp發電窗隔熱光伏組件技術參數表

BIPV預估建設面積約2 680.3 m2，考慮安裝面積損失及光伏幕墻間隔，預計可安裝發電窗隔熱光幕墻2400片，每片100 W，裝機容量約240 kW，每8塊100 W組件組成1個光伏組件串，每60串接至能源路由器一個DC/DC輸入端口，再通過能源路由器輸出端匯總5個光伏DC/DC輸出口。光伏運行策略采用“本地消納，余電上網”的思路，同時配置相應容量的儲能系統對多余光伏電能進行存儲，配合充電樁、儲能進行源網荷儲本地內循環。

2.2.2 儲能系統

根據各種電芯安全性對比，磷酸鐵鋰材料熱失控概率小（熱失控溫度在800℃以上），安全性能好，其釋放熱量溫升較慢保證了系統安全。因此大型儲能電站應該選擇磷酸鐵鋰材料的儲能電池，本項目選用的磷酸鐵鋰電池，其電芯規格為3.2 V/280 A·h，參數如表2所示。

表2 儲能電池參數表

儲能系統的設計原則為“光伏消納、緊急備電、多能互補”，本項目展廳電負荷密度與一般商業樓宇比較低，電負荷密度暫取80 W/m2。建筑面積為11 339 m2，考慮最高充電同時率70%，預計最高負荷為1.327 MW，雄安地區平均每天光照時間為4.32 h，綜合考慮光伏光照強度、時長、基本負荷、充電樁負荷情況以及地下停車廠的安裝空間等，預計儲能系統的配置容量為750 kW·h，分為5個150 kW·h的儲能集裝箱分布式安裝在地下停車場，分別與光伏、能源路由器、充電樁組成分布式光儲充一體化能源艙，并同時將5臺能源路由器直流輸出側并聯，組成光儲直柔系統。

2.2.3 能源路由器

能源路由器是一種具有多端口柔性互動、敏感負荷電能質量管理、直流組網等功能的交直流配電網關鍵設備。多端口柔性互動可以實現所連接的多條交直流饋線之間的能量功率互動互濟，靈活地支撐交流母線、直流母線上接入的發電設備和用電負荷，融合上層管理，實現交直流配電網內電能的動態管理。針對敏感負荷的電能質量保障需要，從電壓、電流等多個方面對電能質量進行全方位的管理，實現高品質供電，降低分布式發電、突發負載的影響。同時，能源路由器可以實現直流組網，為光伏、儲能等直流發電單元和直流負載提供穩定可靠的接入點，是光儲直柔系統中的關鍵能量流設備。

考慮光儲直柔系統的能量互聯互濟，本設計中須采用一臺能源路由器，能源路由器裝置在物理上能實現交流電網和直流用電網的連接，具有10個DC/DC功能模塊、一個DC/AC功能模塊，分別具備10個直流端口和一個交流端口，直流端口用于儲能系統以及光伏系統的接入，交流接口用于并網。能源路由器信息采集如表3所示。

表3 能源路由器信息采集表

柔性調控策略的關鍵在于電力電子變換器的控制策略［11］及換流器的控制算法。可采用傳統PI控制，也可采用新型無源控制算法及電壓外環PI、電流內環無源控制結合的算法［12］。利用魯棒性好、動靜態性能優秀的控制策略來進行柔性調控，確保電壓的穩定輸出和抗干擾能力。

3 社會經濟效益評估

3.1 經濟效益

采用光儲直柔方案后，配電網的經濟性得到顯著提高。以雄安新區智慧園區光儲直柔建設為例，BIPV總裝機容量240 kW，儲能750 kW·h，年均發電量預計為120萬kW·h，年累計節省電費約23萬元，亦可收到政府的光伏補貼。

“光儲直柔”技術通過源網荷儲協調互動系統，實現園區內新型主體統一控制、靈活互補，充分發揮新型主體在電網移峰填谷的調節性能，在夜間用電低谷取能，降低運行費用，在用電高峰期亦可售電產生收益。

3.2 社會效益

“光儲直柔”技術的使用使得配電網的安全性進一步提高，園區能源系統的韌性高（可獨立于大電網運行數小時或數天），可自治、可自愈，具備自啟動自恢復能力。因地制宜地建設分布式光伏，結合儲能、蓄能配置定制化智能微電網，可實現園區零碳綠電自發自用，同時減少碳排放，年節約480 t標準煤，少產生1196.4 t二氧化碳，實現綠色低碳節能目標。

4 結束語

目前國內外“光儲直柔”的應用案例依然較少，仍處于全新的探索階段。本文在雄安智慧園區設計中融入新興技術，預期能取得良好的社會經濟效益。但受目前技術人員的研發能力、投資成本等條件制約，其應用價值與范圍還有極大的提升空間。在未來隨著技術的逐步成熟，社會認可度的進一步提升，可創新落地更多示范項目。相信隨著成功應用的案例逐步增加，社會的普及度持續提升，“光儲直柔”技術必將在智慧能源領域引起重大的影響，推動建筑綠色低碳產業鏈循環發展，助力國家早日實現“雙碳”發展目標。