楊將鐸, 張改景, 王利珍

(上海市建筑科學(xué)研究院, 上海 201108)

0 引 言

我國(guó)計(jì)劃2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》中“城鄉(xiāng)建設(shè)碳達(dá)峰行動(dòng)”部分明確指出:“提高建筑終端電氣化水平,建設(shè)集光伏發(fā)電、儲(chǔ)能、直流配電、柔性用電于一體的‘光儲(chǔ)直柔’建筑”[1]。

柔性用電的主要功用并非節(jié)能降耗,而是以時(shí)間換空間,降低與電網(wǎng)的交互強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)較高水平的電力自治,達(dá)到撫平用電峰谷,最大限度消納可再生能源,響應(yīng)電網(wǎng)需求的功用,進(jìn)而促進(jìn)系統(tǒng)性的減碳降耗。本文探究了光儲(chǔ)直柔技術(shù)的減碳技術(shù)優(yōu)勢(shì)、合理應(yīng)用場(chǎng)景及未來(lái)發(fā)展形態(tài)。

1 交直流配電應(yīng)用對(duì)比

民用級(jí)市場(chǎng)需求中的交直流系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)對(duì)比如表1所示。分析項(xiàng)目對(duì)各項(xiàng)需求的關(guān)切水平,可以判斷該項(xiàng)目是否適合采用直流系統(tǒng)。

在樓宇配電中,直流系統(tǒng)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)可以歸結(jié)為:電力自治能力、系統(tǒng)效率、可靠性和安全性。隨著分布式能源的比重上升,減少與電網(wǎng)交互能明顯提升區(qū)域電力效率。當(dāng)組件耦合在母線周圍時(shí),直流可以很好地應(yīng)對(duì)無(wú)功功率流、電能質(zhì)量和能源消納等問(wèn)題,使得控制系統(tǒng)復(fù)雜性明顯降低。

2 直流系統(tǒng)組成及報(bào)價(jià)

常規(guī)的光儲(chǔ)直柔系統(tǒng)通常以直流配電柜(也稱能量路由器)為核心,銜接直流母線、變換器、整流器、保護(hù)裝置等,外接儲(chǔ)能、光伏和負(fù)載。若項(xiàng)目直流配電功率較低(通常低于60 kW),可采用標(biāo)準(zhǔn)化的一體式直流配電柜,內(nèi)置電力電子器件,另外預(yù)留儲(chǔ)能柜和管線空間即可。某直流配電柜組成示意圖如圖1所示。

表1 民用級(jí)市場(chǎng)需求中的交直流系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)對(duì)比

若項(xiàng)目直流配電功率較高(通常大于60 kW),部分模塊體積大幅增加,直流配電柜無(wú)法容納,會(huì)單獨(dú)將光伏變換器、市電整流器、直流保護(hù)裝置等單獨(dú)做成柜體。通過(guò)系統(tǒng)拆分,可以對(duì)直流系統(tǒng)的造價(jià)進(jìn)行估計(jì),大功率直流配電系統(tǒng)組成及硬件價(jià)格區(qū)間如圖2所示(實(shí)際價(jià)格依據(jù)項(xiàng)目直流配電功率、線路長(zhǎng)度、工程實(shí)施難度、特殊要求而有所不同)。此外,直流配電系統(tǒng)的投入還包括直流配電電路設(shè)計(jì)、直流電器采購(gòu)或改造溢價(jià)、每戶進(jìn)線配電箱、專項(xiàng)驗(yàn)收費(fèi)用等。

圖1 某直流配電柜組成示意圖

圖2 大功率直流配電系統(tǒng)組成及硬件價(jià)格區(qū)間

3 直流技術(shù)發(fā)展階段

國(guó)內(nèi)具有代表性的低壓直流配電標(biāo)準(zhǔn)包括GB/T 35727—2017《中低壓直流配電電壓導(dǎo)則》,TCECS 705—2020《直流照明系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》,T/CABEE 030—2022《民用建筑低壓直流配電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容范疇的擴(kuò)大體現(xiàn)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)直流系統(tǒng)應(yīng)用深度的變化。江億院士認(rèn)為,可預(yù)期的光儲(chǔ)直柔系統(tǒng)在現(xiàn)有實(shí)踐基礎(chǔ)上,還將發(fā)展出網(wǎng)內(nèi)變功率設(shè)備、動(dòng)力電池/暖通設(shè)備儲(chǔ)能、多直流微網(wǎng)互聯(lián)互通、電力需求側(cè)響應(yīng)等特征[1]。低壓直流系統(tǒng)分階段發(fā)展如表2所示,可描述為單一負(fù)載、綜合負(fù)載、小型組網(wǎng)等階段,本文預(yù)期還包括柔性用能、動(dòng)力電池儲(chǔ)能、直兼交、批量組網(wǎng)、交直融合等重要節(jié)點(diǎn)。

4 兼容交流的低壓直流配電

建筑中空調(diào)負(fù)載能耗占比高,以上海為例,公共建筑全年能耗中空調(diào)動(dòng)力用電分項(xiàng)占比達(dá)到40%以上[5],且實(shí)際電力設(shè)計(jì)功率分配上,空調(diào)動(dòng)力配電功率遠(yuǎn)大于照明插座和其他配電功率?？紤]到未來(lái)新能源汽車的快速普及,充電樁配電將成為建筑配電的重要組成部分。

期望的建筑能量體系如圖3所示,該體系能夠高質(zhì)量納入分布式能源,為大功率負(fù)載提供穩(wěn)定電力,提升系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率,且不影響民用交流末端負(fù)載客觀壟斷條件下的用戶體驗(yàn)。

母線側(cè)和用戶末端柔性的不同實(shí)現(xiàn)方式如圖4所示。在該體系中,空調(diào)動(dòng)力、儲(chǔ)能、充電樁等用能設(shè)備可以依據(jù)直流母線電壓變化的物理特性實(shí)時(shí)調(diào)整用電工況,實(shí)現(xiàn)分布式能源的有效管理;而包括空調(diào)末端在內(nèi)的照明插座用電,通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算方式,在不影響用戶體驗(yàn)的前提下主動(dòng)調(diào)控,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

5 展 望

分布式能源及新能源充電樁的快速發(fā)展推動(dòng)了建筑配電邏輯的改變,在交流配電處于絕對(duì)壟斷優(yōu)勢(shì)的客觀條件下,直流配電以其符合未來(lái)能源需求的特性被人們廣泛關(guān)注。在光儲(chǔ)直柔系統(tǒng)區(qū)域性普及的基礎(chǔ)設(shè)施背景下,可能存在產(chǎn)生幾種新的應(yīng)用場(chǎng)景,促進(jìn)能源更高效的利用。

(1) 建筑儲(chǔ)能(及動(dòng)力電池)同標(biāo)準(zhǔn)換電。

在配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高度柔性和電力自治能力時(shí),間歇性的余電上網(wǎng)需求目前只能通過(guò)微網(wǎng)體系進(jìn)行能量交換,但是當(dāng)中等距離區(qū)域組網(wǎng)存在布線阻力時(shí),可換電的微網(wǎng)系統(tǒng)將提升區(qū)域能源利用效率。特別地,未來(lái)電池能量密度還將大幅提升,且氫能及其燃料電池很有可能成為標(biāo)準(zhǔn)更加統(tǒng)一的移動(dòng)能源,如果建筑儲(chǔ)能能夠與動(dòng)力電池同標(biāo)準(zhǔn)換電,將有效促進(jìn)(建筑和區(qū)域)充電柔性、電池使用效率和出行效率。

(2) 可批量組網(wǎng)的直流配電系統(tǒng)。

受限于高度定制的現(xiàn)狀,當(dāng)前直流系統(tǒng)落地后難以在用電容量上拓展。另外,若光伏及儲(chǔ)能功率較大,大功率電力電子變換器促進(jìn)系統(tǒng)體積上升。若依托直流母線電壓變化的物理特性,完全可以利用多個(gè)具有無(wú)線通信功能的小功率變換器將光伏和儲(chǔ)能分流并聯(lián)到直流母線上。這樣可大幅降低空間要求,方便分布式能源并網(wǎng)和微網(wǎng)容量變更。

(3) 交直流通用的負(fù)載設(shè)計(jì)。

受限于交流220 V的壟斷地位,即便直流電壓統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),民用直流末端負(fù)載也難以獨(dú)樹一幟。目前較好的策略是在特定直流電壓水平下實(shí)現(xiàn)負(fù)載交直流通用。只有明顯降低用戶對(duì)于直流系統(tǒng)學(xué)習(xí)的成本,直流配電的市場(chǎng)化應(yīng)用才能暢通無(wú)阻。

6 結(jié) 語(yǔ)

隨著分布式能源和大功率直流負(fù)載的發(fā)展,行業(yè)對(duì)低壓直流配電優(yōu)勢(shì)的理解逐漸清晰。為更好地順應(yīng)時(shí)代需求,在早期探索階段,光儲(chǔ)直柔系統(tǒng)還將呈現(xiàn)多樣化的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)或組織形式。無(wú)論是技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)還是應(yīng)用,這個(gè)新興行業(yè)都在快速發(fā)展,并期望為清潔、低碳、柔性用能的社會(huì)貢獻(xiàn)關(guān)鍵力量。