城市辦公樓光儲系統控制策略分析及應用

摘要：在“雙碳”目標提出后，“光儲直柔”技術逐漸成為建筑領域節能減碳、靈活用電的研究熱點。為深入探討城市辦公樓能源利用的控制策略，提升可再生能源的利用率，該文以深圳市某辦公樓的光儲系統為研究對象，首先，對其微電網的運行工況進行建模；然后，構建光儲系統的3種運行模式：簡單模式、經濟模式和節能模式，及與這3種運行模式對應的控制策略；最后，進行具體案例的分析對比。對比分析結果表明，提高光伏自用率有利于降低用電成本，提升光儲系統的可調節性，對同類建筑的光儲系統應用優化具有一定的參考價值。

關鍵詞：“光儲直柔”技術；光儲系統；運行模式；控制策略

中圖分類號：TU18文獻標志碼：A 文章編號：1674-2605（2023）06-0009-08

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2023.06.009

Analysis and Application of Control Strategies for Photovoltaic-storageSystem in Urban Office Buildings

ZHANG Yuansheng1LIN Hai2FENG Jiezhao2

（1.Guangzhou HuiJin Energy Efficiency Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510660， China

2.Schoolof Electric Engineering， South China Universityof Technology， Guangzhou 510641， China）

Abstract：After the proposal of the \"dual carbon\" goal， \"photovoltaic-storage-DC-flexible\" technology has gradually become a research hotspot in the field of energy conservation， carbon reduction， and flexible electricity use in the construction industry. To deeply explore the control strategies for energy utilization in urban office buildings and improve the utilization rate of renewable energy， this paper takes the photovoltaic-storage system of an office building in Shenzhen as the research object. Firstly， the operating conditions of its microgrid are modeled; Then， construct three operating modes of the photovoltaic-storage system： simple mode， economic mode， and energy-saving mode， and corresponding control strategies for these three operating modes; Finally， analyze and compare specific cases. The comparative analysis results show that improving the self use rate of photovoltaics is beneficial for reducing electricity costs， improving the adjustability of photovoltaic-storage systems， and has certain reference value for optimizing the application of photovoltaic-storage systems in similar buildings.

Keywords： photovoltaic-storage-DC-flexible technology; photovoltaic-storage system; operating mode; control strategies

0" 引言

“碳達峰”“碳中和”理念的提出，使我國太陽能光伏產業的發展模式發生了轉變，光伏發電技術也在不斷被突破[1]。據統計，目前我國建筑全過程碳排放量占全國碳排放量的比例超過50%，建筑行業是我國低碳發展的重要領域[2-3]，將“光儲直柔”技術與建

筑用電結合是研究熱點。“光儲直柔”技術即光伏發電、分布式儲能、直流配電、柔性控制技術，可實現光伏消納、儲能與市電用電之間的負荷動態匹配[4]。將光伏與建筑一體化，并配置儲能設備和直流供電配電系統，通過構建建筑光儲系統進行負荷柔性調節和智慧能源管控，對不同應用場景制定不同的光儲系統

控制策略，可實現建筑的綠色經濟用電[5-6]。

江億等[7]提出“光儲直柔”新型配電系統的蓄能能力和負荷側功率可調節能力，將在未來建筑零碳電力中發揮重要的作用。榮秀婷等[8]提出調控電動汽車充放電行為是調節商務樓宇負荷曲線的重要方法。目前，城市辦公樓光儲系統鋪設的光伏面積有限，且太陽能波動性較大，需要綜合的能源管理和光儲系統控制策略來提高系統的經濟性，降低系統能耗。

本文分別從經濟和節能的角度，對深圳市某辦公樓的光儲系統運行模式進行優化，提出3種運行模式和控制策略，可有效降低傳統商業用電能耗，促進建筑靈活用電和節能減碳。

1" 模型構建

1.1" 辦公樓光儲系統

本文以深圳市某辦公樓的光儲系統為研究對象，其系統架構如圖1所示。

該辦公樓光儲系統的特點如下：

1）辦公樓總建設面積為2 500 m2，在樓頂和停車坪共鋪設面積約500 m2的太陽能光伏陣列，裝機容量為150 kWp，樓宇總負荷容量為225kW；

2）辦公樓采用中小規模的電池儲能系統來平抑光伏的不穩定[9]；該辦公樓配置150 kW.h的電池儲能系統，放電深度設置為95%，最低荷電狀態（state of charge， SOC）設為5%；

3）辦公樓的用電負荷分為不可控和可控用電負荷，其中照明、辦公室設施、電子設備、電梯和安防系統等屬于不可控用電負荷；空調、電動汽車等屬于可控用電負荷[10-11]。根據《民用建筑電氣設計標準GB51348—2019》對辦公建筑內不同等級負荷的劃分標準，辦公室設施、樓宇主要通道的照明、電梯和安防系統等一級負荷采用市電供電；樓宇外部等場所的照明、部分可適時中斷的電子設備等二級負荷采用光伏供電；可控用電負荷結合實時的光伏出力可采取不同的配電供電策略；

4）停車場配置了25個快充直流充電樁，充電功率依據當天的供電情況設置為30～60kW，設定每天充電樁的使用率為80%，平均每個充電樁輸出電能為40kW.h，電動汽車平均每日總能耗為800kW.h。

1.2數學模型構建

1.2.1" 光伏模型

光伏發電的輸出功率受環境溫度、太陽光輻射強度和配置額定功率的影響，計算模型為

1.2.2" 儲能模型

儲能設備有充能、放能和靜置3種工作狀態。本文采用的儲能材料為鋰電池，主要考慮其充放電功率和當前電量。電池實際的SOC由起始SOC、充放電時間和電流大小決定，t-1時刻到t時刻的電池SOC為

式中：α1為電池的自放電率，由電池的累計電量及健康狀態（state of health， SOH）決定；βbat為電池充放電效率；Cbat為電池額定容量；Ibat為電池充放電的電流量。SOH代表電池當前的容量狀態，在計算中忽略電池的容量衰減。

1.2.3" 技術性及經濟性評價模型

本文以光伏自用率作為光伏發電的主要技術性評價指標。光伏自用率（Up，%）表示光伏電能自發自用所占的比例，計算公式為

式中：ci和ce分別為電網輸入系統電能及光伏并網電能，pi和pe分別為實時市電電價及光伏并網電價。

1.3運行模式及控制策略

根據該辦公樓的日照條件、光伏鋪設情況、用能特點等數據，通過Homerpro和MATLAB軟件進行模型計算。根據辦公樓用電的個性化需求，設計經濟模式和節能模式2種光儲系統運行模式。為了與經濟模式、節能模式進行對照，本文還討論了只有光伏發電和市電供電的簡單模式。

1.3.1 簡單模式及控制策略

簡單模式無儲能設備的參與，不考慮光伏上網、峰谷電價和節能管理策略，其控制流程如圖2所示。

不可控用電負荷中的一級負荷由市電供電，其余用電負荷優先考慮光伏供電，當光伏供電不足時，用市電作為補充，簡單模式控制策略如表1所示。

1.3.2 經濟模式及控制策略

經濟模式的控制策略是優先考慮用電成本，在盡可能低的成本下保證用電負荷的穩定供電。儲能設備結合峰谷電價進行移峰填谷，即在谷價段購入市電進行儲存，在峰價段由儲能設備放電。目前廣東省光伏上網電價為0.453元/kW.h，某些時段市電電價比光伏電價低，此時優先使用市電，光伏發電量上網，可節省用電成本。針對電動汽車的充電需求，根據分時電價制定價格優惠政策，引導車主在市電電價較低時段或辦公樓用電低谷時段為電動汽車充電。經濟模式控制流程如圖3所示，控制策略如表2所示。

根據市電電價與光伏上網電價的關系，經濟模式分為以下應用場景：

1）當市電電價低于光伏上網電價時，盡量讓光伏上網，不可控用電負荷由光伏供電改為市電供電；可控用電負荷供電根據儲能設備的狀態調整，若儲能設備的SOC未達到80%，則在市電電價較低的時段用市電為儲能設備充電，市電為可控用電負荷供電；若儲能設備電量充足即SOC達到80%以上，由儲能設備為可控用電負荷供電；

2）當市電電價高于光伏上網電價時，光伏出力優先滿足不可控用電負荷的二級負荷，若還有余力再

為可控用電負荷供電；若光伏出力不足，由儲能設備或市電補充供電；儲能設備主要接受光伏的余電，光伏出力不足時，在低電價時段接受市電。

1.3.3" 節能模式及控制策略

節能模式的控制策略是優先考慮光伏發電，提高光伏自用率，并考慮節能管理策略控制設備開關和調節設備的運行狀態，使該模式下的能耗最小；儲能設備只存儲光伏剩余出力。節能模式控制流程如圖4所示，控制策略如表3所示。

當市電電價低于光伏上網電價時，優先考慮光伏供電，由儲能設備或市電補充供電。節能模式在光伏出力不足時，對可控用電負荷以最低需求供電：優先降低充電樁的服務需求，適當下調充電樁的使用率和充電功率，另外由于電動汽車電池的SOC有一定范圍，考慮到電池性能和能源調度的最優方案，優先對SOC最小的電動汽車進行充電[12-13]；降低空調能耗，如人為調節空調溫度以降低空調功率或合理停用某些不影響正常工作區域的空調。

根據光伏出力大小和儲能狀態，節能模式分為以下應用場景：

1）光伏出力大于不可控用電負荷的二級負荷需求：若儲能電量充足，光伏為不可控用電負荷的二級負荷、可控用電負荷供電的優先順序為光伏＞儲能＞市電，若光伏仍有余電則為儲能充電；若儲能電量不足，光伏為不可控用電負荷的二級負荷供電后優先為儲能充電，可控用電負荷供電的優先順序與上述一致，當光伏出力不足，儲能設備處于低電量，可控用電負荷的需求應根據節能管理策略適當調整，并購入市電為其供電；

2）光伏出力小于不可控用電負荷的二級負荷需求：若儲能電量充足，不可控用電負荷的二級負荷供電的優先順序為光伏＞儲能，同時購入市電對可控用電負荷以最低需求供電；若儲能電量不足，可控用電負荷供電的優先順序與上述一致，而不可控用電負荷的二級負荷供電的優先順序為光伏＞市電。儲能設備應結合峰谷電價在用電低谷期充入市電。

2" 案例分析

本文選取深圳市2023年7月的氣象數據進行分析，平均日照時長約為7.5h，相關氣象數據如圖5所示。

從圖5中選取某一典型日24h的數據計算當日光伏每小時的輸出功率，結果如圖6所示。

由圖6可以看出，光伏出力時間為6～19時，在中午12時達到最大出力，1 h內最大出力約為118kW，當日光伏發電量為1230kW.h。

由于該辦公樓的光伏鋪設面積有限，一天的光伏發電量僅能滿足約2/3的辦公樓總用電負荷。典型日24h各類用電負荷逐時能耗如圖7所示。

由圖7可以看出，光伏出力和總能耗的峰谷時間點基本一致。電動汽車、空調、辦公室設施及電子設備是主要用電負荷，三者總耗電量分別約占總能耗的40.5%、36.9%和12.4%，其余用電負荷的耗電量大小順序為電梯＞照明＞安防系統。空調的用電高峰在11～14時；電動汽車充電密集時段在8～16時；辦公室設施及電子設備的用電高峰在8～18時，18時后辦公室內仍有加班負荷以及少數網絡設備和待機設備負荷用電。

深圳市工商業市電電價區間段如圖8所示。

由圖8可知，在10～12時、14～19時為峰價段，電價為1.355元/kW.h；在7～10時、12～14時、19～24時為平價段，電價為1.0元/kW.h；在24～次日7時為谷價期，電價為0.289元/kW.h。

根據深圳市峰谷電價政策，在光伏出力相同的情況下，分別分析簡單模式、經濟模式、節能模式下光伏、儲能供電及市電購入的情況。由于辦公樓的光伏裝置不變，故分析時忽略光伏發電及光伏設備維護的成本。

2.1簡單模式

簡單模式下各供電源逐時供電的情況如圖9所示。

由圖9可知，19～次日6時的所有用電負荷都由市電供電，14 ～17時市電供電有明顯下降趨勢。24h的總能耗為1966kW.h，其中光伏供電量約占60.7%，市電供電量約占39.3%，光伏的棄電量約為87.5kW.h，光伏發電的自用率為92.66%，市電購入的成本約為1011.35元。

2.2經濟模式

經濟模式下各供電源逐時供電的情況如圖10所示。為了更好地區分光伏總出力與光伏為辦公樓負荷的總供電量，圖10中光伏供電不包括光伏為儲能設備充電的部分，而市電供電包括了市電為儲能設備充電部分的所有購入電量。

由圖10可知，6～7時為市電谷價段，此時光伏發電量全部上網，由市電對可控用電負荷和不可控用電負荷補充供電，這相較于此1 h內的光伏發電全部自發自用節省了16.9元；光伏發電從7時開始為辦公樓負荷供電，剩余出力存儲在儲能設備，無棄電情況。由儲能電量曲線可知，儲能設備經過了4次充電，在7～8時由光伏余電和平價段市電充電；13 ～14時由平價段市電充電；15～18時由光伏余電充電；24～次日1時由谷價段市電充電。24h的總能耗為1966kW.h，其中光伏供電量約占55.4%，儲能供電量約占20%，市電供電量約占24.6%。光伏與市電為儲能設備的總充電量分別占39%和61%，光伏發電的自用率為95.88%，較簡單模式略有提高。計入上述節省的費用，市電購入成本為642.96元，加上儲能設備的平均維護成本，該24h的用電成本為891.54元，較簡單模式節省了約120元。

2.3節能模式

節能模式下各供電源逐時供電的情況如圖11所示。圖11中光伏供電與市電供電的曲線與經濟模式中所述內容一致。

由圖11可看出，儲能設備經過了3次充放電過程，在8～9時、12～14時，當光伏出力不足時由儲能設備補充供電，同時合理調低可控用電負荷的用電需求，減少了市電的使用量。

在節能模式下，24h的總能耗為1804kW.h，較之前有所下降，其中光伏供電量約占60.1%，儲能供電量約占13.6%，市電供電量約占26.3%，由于光伏的其余出力都通過儲能進行供電，故光伏發電的自用率達到100%。市電購入總電量約為588.9kW.h，相較于簡單模式和經濟模式分別減少了約183.7kW.h和134.6kW.h。隨著市電購入量的減少，購電成本也相應降低至551.2元，加上儲能設備的平均維護成本（不考慮光伏成本的情況下），該24h的用電成本投入為703.75元，較簡單模式和經濟模式分別節省了307.6元和187.8元。

3" 結論

本文根據“光儲直柔”技術在城市辦公樓光儲系統的應用情況，構建了簡單模式、經濟模式、節能模式3種運行模式，并制定了對應的控制策略，結合具體案例進行對比分析，結果如下：

1）相比于簡單模式，經濟模式加入了儲能設備進行移峰填谷，并考慮了光伏上網策略，使光伏發電自用率從92.66%提高至95.88%，且24h的用電成本減少了約11.87%；

2）節能模式在經濟模式的基礎上加入了節能管理策略，在不影響辦公樓正常運營的情況下，靈活調節可控用電負荷的用電需求，光伏發電自用率可達100%，且市電購入量減少，24h的用電成本較經濟模式和簡單模式分別減少了187.8元和307.6元；

3）光伏發電自用率越高，市電的使用越少，則用電成本越少，辦公樓的光儲系統可調節性越高。推進光伏建筑一體化，在辦公樓進行光伏立面鋪設可有效擴大光伏利用面積和提高每日光伏發電量，更有利于辦公樓的綠色經濟用電。

參考文獻

[1] 王捷，林余杰，吳成堅，等.碳中和背景下太陽能光伏產業現狀及發展[J].儲能科學與技術，2022，11（2）：731-732.

[2] 佚名.中國建筑能耗與碳排放研究報告（2022年）[J].建筑，2023（2）：57-69.

[3] 曹磊，袁天馳.“雙碳”目標下光伏建筑一體化發展現狀及前景分析[J].智能建筑電氣技術，2022，16（4）：42-45;54.

[4] 胡春雨.“光儲直柔”技術在“零碳”建筑中的設計與應用[J].安裝，2023（5）：80-82.

[5] 周微，王越.“光儲直柔”技術——基于“碳達峰、碳中和”目標的民用建筑電氣系統探索[J].建筑與預算，2023（5）：53-55.

[6] 況東.綠色低碳建筑電氣設計的幾大環節及“光儲直柔”系統的應用研究[J].電氣應用，2023，42（1）：54-59.

[7] 江億，胡姍.中國建筑部門實現碳中和的路徑[J].暖通空調，2021，51（5）：1-13.

[8] 榮秀婷，張輝，朱劉柱，等.“雙碳”目標下商務樓宇“光儲直柔”恒功率運行研究[J].機械制造與自動化，2022，51（5）：223-227.

[9] 孫偉卿，裴亮，向威，等.電力系統中儲能的系統價值評估方法[J].電力系統自動化，2019，43（8）：47-55.

[10]夏震，程若發.考慮用電特征的樓宇負荷分類優化調度仿真[J].計算機仿真，2023，40（4）：98-102.

[11] 楊俊，曾樂，何志勇.大型起豎裝備液壓系統設計與壓力切換控制[J].機床與液壓，2019，47（4）：137-140.

[12]周曉.需求響應在大型智能商業樓宇能量管理中的應用研究[D].武漢：華中科技大學，2019.

[13] 李俊，湯寶平，舒云龍，等.自供電無線振動傳感器網絡的雙模組振動能量收集與管理方法[J].中國測試，2019，45（9）：76-83.

作者簡介：

張淵晟，男，1984年生，本科，工程師，主要研究方向：能源管理和控制、低碳發展。E-mail： 17755580@qq.com

林海，男，1987年生，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：節能低碳、新能源及多能互補。E-mail：346099979@qq.com

馮杰釗，男，1998年生，在讀碩士研究生，主要研究方向：垃圾焚燒發電、數值模擬、風光火儲。Email： fengjiezhao98@163.com