張 強(qiáng)

(中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司, 江蘇 南京 211100)

0 引 言

在“雙碳”目標(biāo)的背景下,建筑行業(yè)的節(jié)能減排壓力巨大。2020年全國建筑全過程碳排放總量為50.8億t CO2,占全國碳排放的比重為50.9%。建筑全過程碳排放包括建材生產(chǎn)、建筑施工和建筑運(yùn)行3個(gè)階段。2020年中國建筑全過程碳排放總量及占比情況中,建筑運(yùn)行階段碳排放為21.6億t CO2,占全國碳排放總量的比重為21.7%,建筑運(yùn)行的節(jié)能減排是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要一環(huán)[1]。《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》中指出:“建筑深化可再生能源建筑應(yīng)用,推廣光伏發(fā)電與建筑一體化應(yīng)用……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。到2025年,城鎮(zhèn)建筑可再生能源替代率達(dá)到8%,新建公共機(jī)構(gòu)建筑、新建廠房屋頂光伏覆蓋率力爭達(dá)到50%?！?/p>

目前,國內(nèi)學(xué)者對“光儲(chǔ)直柔”配電系統(tǒng)已展開了初步研究,也建成了一些示范性建筑,但總體來看仍處于探索階段,本文探討了“光儲(chǔ)直柔”建筑電氣的設(shè)計(jì)方法,就一些關(guān)鍵技術(shù)提出分析思路。

1 光儲(chǔ)直柔建筑電氣系統(tǒng)概述

建筑的“光儲(chǔ)直柔”配電系統(tǒng):“光”指結(jié)合建筑安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng);“儲(chǔ)”指布置于一處或多處的儲(chǔ)能裝置(蓄電池組),以及不僅作為負(fù)載,還可根據(jù)電網(wǎng)調(diào)動(dòng)情況靈活調(diào)整充放電策略而作為儲(chǔ)能裝置的電動(dòng)汽車蓄電池;“直”指建筑內(nèi)配電系統(tǒng)以直流微網(wǎng)作為架構(gòu)主體,直接連接光伏發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元及直流負(fù)荷,減少了光儲(chǔ)系統(tǒng)以交流微網(wǎng)為架構(gòu)主體而大量使用的逆變裝置,提高了系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率;“柔”指該直流微網(wǎng),通過直交變換裝置連接外部電網(wǎng)后,不再是單純消耗能量而不可調(diào)節(jié)的剛性負(fù)載,而是因?yàn)榫哂蟹植际诫娫?、?chǔ)能裝置及可調(diào)負(fù)荷且具備可調(diào)能力,能根據(jù)電網(wǎng)供需關(guān)系在較大范圍內(nèi)調(diào)整用電量的柔性負(fù)荷[2]。

“光儲(chǔ)直柔”配電系統(tǒng)典型架構(gòu)如圖1所示。

圖1 “光儲(chǔ)直柔”配電系統(tǒng)典型架構(gòu)

“光儲(chǔ)直柔”建筑的電氣設(shè)計(jì)主要包含以下內(nèi)容。

(1) “光”。根據(jù)建筑外形環(huán)境等選擇合適的光伏組件類型、數(shù)量,確定安裝方式及裝機(jī)容量,設(shè)計(jì)合理的組串、匯流、變換及接線等電氣方案。

(2) “儲(chǔ)”。按照光伏發(fā)電消納分析、移峰填谷效益分析等能量管理策略確定分布式儲(chǔ)能容量,選擇適合建筑的蓄電池類型及安裝方式,設(shè)計(jì)系統(tǒng)接入等電氣方案;設(shè)計(jì)具有V2G功能的電動(dòng)汽車直流充電樁的合理接入方式。

(3) “直”。根據(jù)光伏單元、儲(chǔ)能單元及直流用電設(shè)備的情況,綜合確定低壓直流微網(wǎng)的電壓等級和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),盡量減少變換次數(shù),使系統(tǒng)高效、安全、可靠和經(jīng)濟(jì)。

(4) “柔”。高效的能量管理系統(tǒng),不僅可以提高光伏發(fā)電的消納率、合理利用儲(chǔ)能充放電穩(wěn)定直流母線電壓及實(shí)現(xiàn)電價(jià)峰谷套利,還能響應(yīng)電網(wǎng)側(cè)需求成為可調(diào)的柔性負(fù)載。

2 光儲(chǔ)直柔系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑上的安裝形式一般分為兩種:① 光伏組件自身作為建材與建筑有機(jī)結(jié)合,比如光伏幕墻;② 光伏組件作為設(shè)備直接在建筑物上安裝,比如屋頂架設(shè)的光伏板[3]。兩種類型的結(jié)合方式使用的組件材料不盡相同。

2.1.1 光伏組件的選型

太陽能光伏電池分類如圖2所示。

圖2 太陽能光伏電池分類

晶體硅電池是目前的主流產(chǎn)品,其中單晶硅電池本身轉(zhuǎn)換效率較高,多晶硅電池制備成本相對較低,一般屋頂光伏組件采用晶體硅類型;薄膜涂層電池具有薄、柔性及半透明等特點(diǎn),可以結(jié)合幕墻使用在建筑光伏一體化設(shè)計(jì)中。此外,還有染料敏化光伏電池、鈣鈦礦光伏電池、有機(jī)太陽電池及量子點(diǎn)太陽電池等新型光伏電池技術(shù)較為熱門。

2.1.2 光伏組件的串并聯(lián)方案

光伏方陣由光伏組件通過一定串并聯(lián)規(guī)則組成,同一組件串中各個(gè)光伏組件的電性能參數(shù)宜保持一致,串聯(lián)數(shù)可以按照下列公式計(jì)算:

(1)

(2)

式中:N——光伏組件的串聯(lián)數(shù);Vdcmax——逆變器允許的最大直流輸入電壓;

Voc——光伏組件的開路電壓;

t——光伏組件工作條件下的極限低溫值;

Kv——光伏組件的開路電壓溫度系數(shù);

Vmpptmin——逆變器MPPT電壓的最小值;

Vpm——光伏組件的工作電壓;

t′——光伏組件工作條件下的極限高溫值;

Vmpptmax——逆變器MPPT電壓的最大值。

選用某610 Wp N型單晶硅組件試算組串?dāng)?shù)。610 Wp N型單晶硅組件參數(shù)如表1所示。

表1 610 Wp N型單晶硅組件參數(shù)

逆變器選用50 kW組串式逆變器。50 kW組串式逆變器參數(shù)如表2所示。

表2 50 kW組串式逆變器參數(shù)

將表1和表2相關(guān)數(shù)據(jù)代入計(jì)算公式(1)和(2),可得到如下結(jié)果:

5.3≤N≤18.2

組串?dāng)?shù)還需考慮工程實(shí)際情況,比如光伏組件的排布、匯流、安裝條件等因素,一般N為偶數(shù)布置時(shí)更加對稱和方便。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 蓄電池種類的選擇

儲(chǔ)能是通過物理或化學(xué)手段將電、熱等形式的能量儲(chǔ)存起來,在出現(xiàn)用能需求時(shí)釋放的過程。目前化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)主要包括鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池和鈉硫電池。鉛酸及鉛炭電池充放電倍率較低;全釩液流電池能量密度低,占地面積大,系統(tǒng)配置容量很大時(shí)才具有經(jīng)濟(jì)性;鈉硫電池需要高溫運(yùn)行,安全風(fēng)險(xiǎn)較高,對環(huán)境有一定影響。一般建筑配置儲(chǔ)能主要考慮鋰電池。鋰電池的主流產(chǎn)品包括磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池和鈦酸鋰電池。3種鋰離子電池技術(shù)參數(shù)對比如表3所示。

表3 3種鋰離子電池技術(shù)參數(shù)對比

磷酸鐵鋰電池技術(shù)成熟,國內(nèi)生產(chǎn)廠家眾多,示范項(xiàng)目選用較多,成本較低,一般可作為建筑光儲(chǔ)系統(tǒng)的首選類型。

2.2.2 蓄電池容量的配置策略

微電網(wǎng)的儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)最重要的是確定配置容量。光儲(chǔ)直柔配電系統(tǒng)功率流向示意圖如圖3所示。

圖3 光儲(chǔ)直柔配電系統(tǒng)功率流向示意圖

根據(jù)電力供給與需求平衡關(guān)系,可以得到儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)充/放電功率:

Pbat=Pgrid-(Pload-PPV)

(3)

式中:Pbat——正值表示蓄電池充電功率;Pgrid——電網(wǎng)提供的功率;Pload——建筑用電負(fù)荷功率;PPV——光伏發(fā)電功率。

如果考慮儲(chǔ)能解決建筑一天內(nèi)的平滑光伏出力或者移峰填谷,那么對式(3)進(jìn)行0～24 h逐時(shí)積分可得到蓄電池容量[4]:

(4)

蓄電池組的功率和容量配置與能量調(diào)度策略息息相關(guān),容量配置的基本原則是:光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)先滿足建筑負(fù)載,當(dāng)光伏發(fā)電量大于本地用電負(fù)荷時(shí),余電優(yōu)先對電池進(jìn)行充電而不上電網(wǎng);當(dāng)光伏系統(tǒng)發(fā)電量不能滿足建筑負(fù)載,在電價(jià)較高時(shí)優(yōu)先使用儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)電量,電價(jià)較低時(shí)優(yōu)先使用電網(wǎng)供電,同時(shí)對電池充電[5]。

儲(chǔ)能配置容量也與系統(tǒng)的“柔性”,也就是系統(tǒng)對電力供需平衡的調(diào)節(jié)潛力直接相關(guān)。更高的儲(chǔ)能容量配置可以使建筑在更大范圍內(nèi)配合電網(wǎng)的調(diào)度需求?？傮w而言,儲(chǔ)能配置容量需根據(jù)項(xiàng)目土建條件、負(fù)荷需求、光伏發(fā)電量、電價(jià)政策、投資與回收的經(jīng)濟(jì)性等因素綜合考量后確定。

2.2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝

GB 51048—2014《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》將鋰電池、鉛酸和液流電池室的火災(zāi)危險(xiǎn)性類別都?xì)w為戊類,但從實(shí)際情況來看,受熱、過充、外部刺激等情況可能導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生中間產(chǎn)物,進(jìn)而發(fā)生熱失控和爆燃;當(dāng)電池安全閥起動(dòng)釋放的可燃?xì)怏w集聚,遇高溫、明火易發(fā)生爆炸[6]。民用建筑內(nèi)配置儲(chǔ)能需考慮人員密集、運(yùn)維管理人員不專業(yè)等問題,一般不考慮在室內(nèi)設(shè)置較大規(guī)模蓄的電池裝置。國內(nèi)比較流行的做法是使用室外安裝的預(yù)制集裝箱式儲(chǔ)能裝置。一般儲(chǔ)能艙內(nèi)包含隔離變壓器、變流器、蓄電池、溫控系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等。儲(chǔ)能預(yù)制艙的平面布置圖如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)能預(yù)制艙的平面布置圖

2.3 直流微網(wǎng)的構(gòu)建

光儲(chǔ)直柔系統(tǒng)從架構(gòu)上看可以認(rèn)為是一種直流微網(wǎng)。直流微網(wǎng)的主要特征是系統(tǒng)中的光伏發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元、直流負(fù)荷單元等均通過電力電子變換裝置連接至直流母線,微網(wǎng)再通過逆變裝置連接至外部交流電網(wǎng)。直流微網(wǎng)兼具了直流配電和微型電力網(wǎng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢,主要包括以下幾個(gè)方面[7]。

(1) 直流微網(wǎng)相比交流微網(wǎng),可以減少光伏等直流電源的逆變環(huán)節(jié)、直流電器和變頻電器的整流環(huán)節(jié),但同時(shí)增加了直流系統(tǒng)與外部交流電網(wǎng)雙向互動(dòng)的整流逆變環(huán)節(jié)?？傮w來看,分布式直流電源發(fā)電消納量越大、直流負(fù)荷用電量越大則系統(tǒng)整體效率越高。

(2) 直流供配電系統(tǒng)能量平衡控制不需要考慮相位角、頻率、無功補(bǔ)償?shù)葐栴},基于直流母線電壓的能量控制策略簡單、高效。

(3) 當(dāng)公共網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障或者電能質(zhì)量明顯下降時(shí),直流微網(wǎng)可以迅速斷開PCC處并網(wǎng)開關(guān)而由內(nèi)部分布式電源供電,提高了供電可靠性。

(4) 直流電相比于交流電具有更高的安全性,比如能誘發(fā)相同心室纖維性顫動(dòng)概率的交流電流方均根值遠(yuǎn)高于直流電流值[8]。

2.3.1 直流負(fù)荷

現(xiàn)有負(fù)載都是為交流系統(tǒng)設(shè)計(jì)的,其在直流配電系統(tǒng)中的兼容性分析如下:① 阻性類負(fù)載。分為發(fā)熱負(fù)載和白熾光源負(fù)載,這類負(fù)載可以在交流和直流兩種電源下工作。② 旋轉(zhuǎn)電機(jī)類負(fù)載。分為感應(yīng)型電動(dòng)機(jī)(電冰箱、洗衣機(jī)等)負(fù)載和交直流兩用電機(jī)(家用食品攪拌機(jī)、吸塵器等)負(fù)載。其中,交直流兩用電機(jī)可以在直流條件下工作;而感應(yīng)型電動(dòng)機(jī)是交流電機(jī),雖無法直接接入直流電源工作,但目前很多感應(yīng)電動(dòng)機(jī)因調(diào)速需要,由變頻器供電,此時(shí)可直接接入直流電源工作。③ 電力電子類負(fù)載。分為開關(guān)電源負(fù)載和電子鎮(zhèn)流器熒光燈。開關(guān)電源通?？梢怨ぷ髟谥绷麟娫礂l件下,并呈現(xiàn)出恒功率特性。電子鎮(zhèn)流器熒光燈電路主要由整流和高頻逆變兩個(gè)環(huán)節(jié)組成,也可以在直流電源下正常運(yùn)行,并呈現(xiàn)出恒電流源特性,通常的工作電壓范圍是120～300 V[9]。

由此可見,建筑低壓負(fù)載采用直流配電系統(tǒng)前景較好。直流插座負(fù)荷調(diào)研表如表4所示。

表4 直流插座負(fù)荷調(diào)研表

目前,已經(jīng)有不少產(chǎn)品在直流實(shí)驗(yàn)室和直流示范工程中得到應(yīng)用和效果驗(yàn)證,但由于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不完善和市場規(guī)模不大,直流配電設(shè)備尚未有大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。

2.3.2 直流電壓等級的選擇

選擇系統(tǒng)的直流電壓等級首先需要區(qū)分系統(tǒng)架構(gòu),即按照直流母線極性分為單極系統(tǒng)和雙極系統(tǒng)。單極/雙極直流母線示意圖如圖5所示。

民用建筑直流供配電系統(tǒng)電壓等級推薦如表5所示[10]。光儲(chǔ)直柔系統(tǒng)中值得注意的電壓等級有750 V、375 V、220 V和48 V。幾個(gè)直流電壓等級的特點(diǎn)如表6所示[11]。其中,DC 750 V、DC 375 V、DC 48 V為T/CABEE 030—2022《民用建筑直流配電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的推薦值。

表5 民用建筑直流供配電系統(tǒng)電壓等級推薦表

表6 幾個(gè)直流電壓等級的特點(diǎn)

2.3.3 直流V2G充電樁

電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)(V2G)技術(shù)是指:在滿足電動(dòng)汽車充電需求的前提下,將電動(dòng)汽車視作移動(dòng)儲(chǔ)能,當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷或本地負(fù)荷過高時(shí),由電動(dòng)汽車向電網(wǎng)負(fù)荷或本地負(fù)荷饋電;當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷或本地負(fù)荷過低時(shí),可通過有序充電來調(diào)整負(fù)荷峰谷差[12]。V2G推廣的主要挑戰(zhàn)包括雙向信息流的通信協(xié)議、充放電設(shè)備雙向能量變換結(jié)構(gòu)等技術(shù)的研發(fā)以及更復(fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)控策略等。除此之外,放電對電池造成的損耗一直是車主參與V2G的最大顧慮。目前,國內(nèi)已有V2G試點(diǎn),如北京人濟(jì)大廈V2G示范項(xiàng)目和北京中再中心V2G示范項(xiàng)目。

直流V2G充電樁的技術(shù)要求主要包括如下內(nèi)容:具備恒流、恒壓、恒功率、MPPT模式等多種充放電模式;充放電模式無縫切換;可根據(jù)設(shè)定的策略實(shí)現(xiàn)能量的流向,實(shí)現(xiàn)車輛充電、車輛饋電、車輛能量的相互補(bǔ)給等;可根據(jù)直流母線運(yùn)行狀態(tài),自動(dòng)調(diào)節(jié)充放電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),如降功率運(yùn)行。功率控制器采用計(jì)算機(jī)控制,可獲取充電終端車輛充電需求信息、功率模塊狀態(tài)信息及運(yùn)行參數(shù),并接收能量管理系統(tǒng)后臺(tái)調(diào)度指令。根據(jù)車輛充電需求、功率模塊和整流模塊狀態(tài)以及電網(wǎng)側(cè)需求響應(yīng),進(jìn)行集中整流與多路充放電的協(xié)同控制,按預(yù)定的控制策略實(shí)施對多個(gè)功率模塊的輸出功率分配和充放電參數(shù)調(diào)控。

2.4 系統(tǒng)的柔性

光儲(chǔ)直柔配電系統(tǒng)的柔性關(guān)鍵在于變換器的選型及能量管理系統(tǒng)的設(shè)置。

2.4.1 變換器設(shè)備的技術(shù)要點(diǎn)

(1) 雙向變換器(AC 380 V/DC 750 V)。雙向變換器可實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)的互動(dòng),通過判斷交流側(cè)與直流側(cè)的潮流可實(shí)現(xiàn)互備互用功能。其技術(shù)特點(diǎn)如下:① 交流輸入與直流輸出完全隔離;② 可遠(yuǎn)程就地接受調(diào)控指令;③ 輸出電壓設(shè)定;④ 內(nèi)置防反保護(hù),具備失效自隔離功能;⑤ 完善的故障自檢測提示。

(2) DC/DC變換器(DC 750 V/DC 220 V)。DC/DC變換器裝置利用電力電子變換技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)直流保護(hù)和變換功能。針對直流母線接地、絕緣下降、交流竄入直流、短路和環(huán)網(wǎng)等問題,該裝置能夠準(zhǔn)確查找出現(xiàn)故障的支路,同時(shí)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào);另外,由于裝置帶有隔離功能,還能實(shí)現(xiàn)故障的隔離,防止直流故障向上一級傳遞,減小了故障影響的范圍。其特點(diǎn)如下:① 實(shí)現(xiàn)直流/直流功率變換;② 可遠(yuǎn)程就地接受調(diào)控指令;③ 輸出電壓、電流均可設(shè)定;④ 采用抽屜化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),支持熱插拔,可快速更換;⑤ 可并機(jī)使用,具有良好的擴(kuò)展性、互換性;⑥ 帶RS-485串口通信功能,遵循Modbus-RTU協(xié)議。

2.4.2 能量管理系統(tǒng)

能量管理系統(tǒng)(EMS)是根據(jù)園區(qū)光儲(chǔ)柔直系統(tǒng)架構(gòu),布置光伏、儲(chǔ)能、充電樁以及其他設(shè)備的信息采集和控制裝置。采用微網(wǎng)專用高級控制器,架設(shè)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集傳輸。建立數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái),把信息數(shù)據(jù)和自動(dòng)化數(shù)據(jù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)下設(shè)備的監(jiān)控。

能量管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)中所有設(shè)備的監(jiān)控和運(yùn)行策略執(zhí)行。系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和控制都可以在EMS的界面上進(jìn)行查看和下發(fā)。所有設(shè)備的異常告警信息都將被記錄在EMS中,可以存儲(chǔ)至少一年,以便于運(yùn)維人員進(jìn)行檢修。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控范圍包括:① AC/DC變換器設(shè)備;② DC/DC變換器設(shè)備;③ 儲(chǔ)能電池;④ 光伏設(shè)備;⑤ 直流負(fù)荷設(shè)備;⑥ 直流充電樁。

能量管理策略示意圖如圖6所示。該策略以充分利用可再生能源發(fā)電為目標(biāo),光伏發(fā)電一般工作在最大功率點(diǎn)追蹤模式[13]。當(dāng)光伏發(fā)電超過微網(wǎng)消納能力,光伏由MPPT轉(zhuǎn)為下垂控制模式,減少出力,使微網(wǎng)達(dá)到新的功率平衡。在并網(wǎng)模式下,儲(chǔ)能作為從控單元以恒功率模式運(yùn)行;在孤島模式下,儲(chǔ)能作為主控單元以恒壓模式運(yùn)行維持直流母線電壓的穩(wěn)定。AC/DC雙向變換器一般工作在恒壓模式,維持直流母線電壓穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng),在進(jìn)行峰谷電價(jià)調(diào)節(jié)時(shí)轉(zhuǎn)為恒功率控制。電動(dòng)汽車在并網(wǎng)模式下作為純負(fù)載消耗功率,在孤島情況下變?yōu)殡p向負(fù)載。

圖6 能量管理策略示意圖

3 結(jié) 語

本文就建筑“光儲(chǔ)直柔”配電系統(tǒng)的基本架構(gòu)和工作原理做了概述,就光伏組件選型、組串?dāng)?shù)的計(jì)算、蓄電池的選型、儲(chǔ)能容量的配置原則、儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝方式、低壓直流系統(tǒng)的電壓等級選擇、直流設(shè)備調(diào)研、柔性能量管理系統(tǒng)的設(shè)備選型和調(diào)度策略等技術(shù)要點(diǎn)提出了設(shè)計(jì)思路,以期為該項(xiàng)技術(shù)的深入研究提供參考。