智能微電網(wǎng)在BIPV 建筑上的應(yīng)用研究

張騰，左元成，盧育發(fā)

（1.安徽天柱綠色能源科技有限公司，安徽 蚌埠 233000；2.安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

2021 年3 月15 日習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議中提出，我國(guó)力爭(zhēng)2030 年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060 年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。基于我國(guó)自然條件情況，建筑部門要實(shí)現(xiàn) “雙碳” 目標(biāo)，光伏建筑一體化（Building Integrated PV，BIPV）不可或缺。

1 智能微電網(wǎng)

智能微電網(wǎng)指由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)載、監(jiān)測(cè)及保護(hù)裝置等構(gòu)成的發(fā)配電系統(tǒng)[1]。智能微電網(wǎng)運(yùn)行模式主要有并網(wǎng)和孤島兩種模式，其中并網(wǎng)模式指智能微電網(wǎng)與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行；孤島模式為智能微電網(wǎng)在檢查到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量達(dá)不到要求的情況下，智能微電網(wǎng)立即從電網(wǎng)斷開，獨(dú)立運(yùn)行[2]。BIPV 建筑智能微電網(wǎng)可以作為一個(gè)可定制的電源，有效地解決分布式能源接入電網(wǎng)的問題[3]，并實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與用戶的雙向互動(dòng)，滿足用戶多元化需求，增強(qiáng)局部供電可靠性[4]，降低饋電損耗，提高一次能源利用率，提供電壓下陷的校正或作為不間斷電源，促進(jìn)電網(wǎng)的節(jié)能減排。

本文研究的智能微電網(wǎng)系統(tǒng)為交流微電網(wǎng)，研究?jī)?nèi)容主要包括BIPV 建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)、磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)載等，其系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1.1 BIPV 建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)

通過市場(chǎng)調(diào)研表明，目前BIPV 光伏組件主要分為彩色晶體硅組件、彩色異質(zhì)結(jié)光伏組件、銅銦鎵硒薄膜光伏組件、碲化鎘薄膜光伏組件和鈣鈦礦光伏組件等[5]。考慮光伏組件應(yīng)用在墻面需兼具建筑節(jié)能與美觀雙重特性，目前墻面光伏組件應(yīng)用較多的主要以薄膜光伏組件為主；考慮建筑美學(xué)性能，可選擇部分彩色光伏組件；建筑屋頂從成本、發(fā)電量等因素考慮，建議安裝晶硅組件。根據(jù)安徽天柱綠色能源科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱安徽天柱公司） 在蚌埠市承建并投運(yùn)的BIPV 建筑項(xiàng)目進(jìn)行光伏發(fā)電統(tǒng)計(jì)分析，BIPV 建筑南墻立面發(fā)電效率為屋頂發(fā)電效率的60% ～65% 左右，東西墻立面發(fā)電效率為屋頂發(fā)電效率的50% ～55% 左右,北墻立面發(fā)電效率為屋頂發(fā)電效率的20% ～25% 左右。

以安徽天柱公司兩棟BIPV 建筑、光伏車棚等為例，其光伏裝機(jī)規(guī)模共計(jì)約275 kW 左右，因光伏系統(tǒng)裝機(jī)規(guī)模較大，且其又無連續(xù)性生產(chǎn)負(fù)載，僅為辦公及宿舍食堂用電。通過分析BIPV 建筑光伏發(fā)電量和負(fù)荷用電需求[6]，要建設(shè)近乎零能耗BIPV建筑[7]，還存在約330 kW·h 電量缺口。

1.2 負(fù)載

本課題研究以單體BIPV 建筑辦公樓或研發(fā)樓為例（以下簡(jiǎn)稱BIPV 建筑），BIPV 建筑用電設(shè)備主要包括照明設(shè)備、電腦、通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、電梯和充電樁等[8]。通過統(tǒng)計(jì)用電分析，冬夏季節(jié)其主要負(fù)載為照明設(shè)備、電腦和通風(fēng)空調(diào)設(shè)備；春秋季節(jié)其主要負(fù)載為照明設(shè)備和電腦。其中照明設(shè)備為阻性負(fù)載，空調(diào)為感性負(fù)載，電腦為容性負(fù)載。在進(jìn)行光儲(chǔ)逆變器及儲(chǔ)能電池容量配置時(shí)需充分考慮各負(fù)載特性[9]，配置電池系統(tǒng)，尤其是感性負(fù)載，瞬時(shí)啟動(dòng)功率是額定運(yùn)行功率的3～7 倍。

1.3 磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

磷酸鐵鋰電池具有超長(zhǎng)壽命、使用安全、大容量、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，且國(guó)內(nèi)磷酸鐵鋰儲(chǔ)能在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域占比已達(dá)90% 以上。因此，本課題選擇磷酸鐵鋰電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。

以安徽天柱公司BIPV 建筑為例，通過上述分析，為建設(shè)近乎零能耗用電需求BIPV 建筑，考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電損耗及電池容量衰減，儲(chǔ)能電池總?cè)萘考s為360 kW·h；因白天光伏發(fā)電功率與負(fù)載用電功率最大相差為80 kW，考慮設(shè)備轉(zhuǎn)換效率等因素，則配置的光儲(chǔ)逆變器功率為100 kW。光儲(chǔ)逆變器、儲(chǔ)能電池等接入智能微電網(wǎng)[10]，由智能微電網(wǎng)根據(jù)光伏發(fā)電量、用電負(fù)荷需求和電價(jià)政策變化等因素，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行模式按下述方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）工作日運(yùn)行模式。白天當(dāng)光伏發(fā)電量超過用電需求時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)為充電模式，存儲(chǔ)光伏多發(fā)出的電量；其他時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載用電需求進(jìn)行放電，不足部分由市電補(bǔ)充。

（2）休息日運(yùn)行模式。全天將光伏多余發(fā)電量?jī)?chǔ)存。

1.4 智能充電系統(tǒng)

智能充電樁作為充電設(shè)備也是負(fù)載供電設(shè)備，其工作模式調(diào)整為在白天光伏發(fā)電時(shí)段以及夜間電價(jià)谷期，為公司或園區(qū)內(nèi)電動(dòng)車輛提供充電服務(wù)，降低車輛充電成本。

隨著新能源車輛的普及，BIPV 建筑可在停車場(chǎng)處新增智能充電樁及光伏車棚，為企業(yè)增加光伏發(fā)電及新能源汽車充電服務(wù)收入。

2 智能微電網(wǎng)運(yùn)行模式

微電網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)可查看各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，如光儲(chǔ)逆變器運(yùn)行狀態(tài)、光伏發(fā)電量、電池充放電量和電池運(yùn)行狀態(tài)等各種信息，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整運(yùn)行模式[11]。

若BIPV 建筑光伏發(fā)電量存在余電上網(wǎng)，則在白天利用BIPV 建筑光伏系統(tǒng)給電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)自動(dòng)充電，存儲(chǔ)多余光伏發(fā)電量；在夜間或光伏不發(fā)電時(shí)段，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，滿足負(fù)載用電需求；同時(shí)為保障重要負(fù)載供電可靠性，通過智能微電網(wǎng)可設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)放電量不超過50%，使其同時(shí)作為不間斷電源保障重要負(fù)載供電。

3 成本分析

以一個(gè)80 m×30 m×15 m 的BIPV 建筑為例，智能微電網(wǎng)投資成本分析如下。

（1）電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)為兩充兩放，峰谷套利模式。

光伏發(fā)電量小于負(fù)載用電量情況下，在低谷或平期電價(jià)時(shí)段對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電，峰期進(jìn)行放電[12]；減少建筑負(fù)載電費(fèi)支出。儲(chǔ)能系統(tǒng)工作時(shí)間如表1 所示，相關(guān)收益測(cè)算如表2 所示。

表1 儲(chǔ)能系統(tǒng)工作時(shí)間表

表2 收益測(cè)算表

由上述統(tǒng)計(jì)分析可知，若電化學(xué)儲(chǔ)能采用兩充兩放，峰谷套利模式，則靜態(tài)投資回收期約9 年，且通過更換儲(chǔ)能電池后，在25 年壽命周期仍獲得約983 萬(wàn)元收益，不僅可實(shí)現(xiàn)低碳建筑，還可獲得部分收益。

（2）電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)為發(fā)電時(shí)移模式。

光伏發(fā)電量大于負(fù)載用電量情況下，將光伏發(fā)電多余電量進(jìn)行存儲(chǔ)，在光伏不發(fā)電階段進(jìn)行放電[5]。儲(chǔ)能系統(tǒng)工作時(shí)間如表3 所示，相關(guān)收益測(cè)算如表4 所示。

表3 工作時(shí)間表

表4 收益測(cè)算表

由上述統(tǒng)計(jì)分析可知，若電化學(xué)儲(chǔ)能采用發(fā)電時(shí)移模式，則在項(xiàng)目投資靜態(tài)回收期較長(zhǎng)，但可實(shí)現(xiàn)近乎建筑零用電能耗建筑。

4 結(jié)語(yǔ)

通過統(tǒng)計(jì)分析蚌埠已建BIPV 建筑光伏發(fā)電實(shí)際情況，證明BIPV 建筑發(fā)電效益比較可觀，尤其是在具有專業(yè)運(yùn)維的情況下，遠(yuǎn)超預(yù)期。搭建智能微電網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)BIPV 建筑近乎零能耗，為建筑部門實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供切實(shí)可行的技術(shù)方案；另因極端天氣用電負(fù)荷增長(zhǎng)，優(yōu)先保障民生需拉閘限電，同時(shí)電化學(xué)儲(chǔ)能的應(yīng)用使得磷酸鐵鋰電池成本逐漸降低，智能微電網(wǎng)在BIPV 建筑的應(yīng)用將進(jìn)一步普及。