孫國杰

（礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160）

隨著碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的提出，中國密集出臺政策推進(jìn)能源革命，推動低碳發(fā)展。中國電力結(jié)構(gòu)低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵是可再生能源的發(fā)展?？稍偕茉次磥韺⒊尸F(xiàn)爆發(fā)性增長，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定帶來沖擊[1]。建筑結(jié)合零排放的光伏發(fā)電進(jìn)行能源供應(yīng)的系統(tǒng)中，無論是工業(yè)園區(qū)還是單棟建筑的微網(wǎng)系統(tǒng)，主流配電設(shè)計(jì)以交流配電或者直流配電的單一微網(wǎng)系統(tǒng)為主[2]。單一的微網(wǎng)系統(tǒng)無法根據(jù)接入負(fù)載進(jìn)行靈活配置，適用性較差，無法滿足不同的使用場景。本文提出一種交直流混合微網(wǎng)架構(gòu)及其控制系統(tǒng)，調(diào)配混合微網(wǎng)系統(tǒng)中所有電源側(cè)、負(fù)載側(cè)的變流器設(shè)備以及可調(diào)控末端電器，實(shí)現(xiàn)整個交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)的能源監(jiān)測、顯示管理和維護(hù)功能。

1 帶儲能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

工業(yè)園區(qū)屋頂光伏資源豐富，傳統(tǒng)光伏發(fā)電普遍采用直接并網(wǎng)方式。但是，太陽能的利用具有不可預(yù)測性，導(dǎo)致電網(wǎng)潮流波動異常，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致供電崩潰。另外，用電微網(wǎng)接入充電樁等大功率負(fù)載，會導(dǎo)致峰、谷差異增大，進(jìn)而導(dǎo)致電力系統(tǒng)供需不平衡[3-4]。因此，建立“光伏+儲能+充電站”（簡稱光儲充）一體化系統(tǒng)是一種很好的解決方案。

1.1 光儲充交流微網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

光儲充交流微網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的常見形式如圖1所示。光伏組件通過單向直流/交流（DC/AC）變換器，接入380 V 低壓交流母線；儲能裝置通過雙向DC/AC變換器與光伏組件并聯(lián)接入母線。此系統(tǒng)架構(gòu)下，分布式光伏就地消納，通過儲能的跨時調(diào)配，具備更平穩(wěn)的輸出特性，有效減輕對電網(wǎng)的沖擊。在電網(wǎng)故障情況下，儲能可作為備用電源，保證微網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷的供電穩(wěn)定[5]。但是，在此種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，無論來自光伏發(fā)電系統(tǒng)還是儲能裝置，交流負(fù)載/新能源汽車電源都經(jīng)過交流/直流（AC/DC）變換器、DC/AC 變換器多次交/直變換，能量轉(zhuǎn)換損耗大。另外，由于要考慮孤網(wǎng)運(yùn)行備用容量，光伏容量超配，在正常運(yùn)行模式下，光伏自發(fā)自用有巨大裕量，余電上網(wǎng)依然會造成一定的電網(wǎng)沖擊。

圖1 光儲充交流微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 光儲充交流微網(wǎng)運(yùn)行模式

微電網(wǎng)運(yùn)行模式需要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行工況和需求，運(yùn)行策略合理是微電網(wǎng)可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的保障[6]。常見的模式是并網(wǎng)運(yùn)行模式，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電、用電能量在并網(wǎng)點(diǎn)可以雙向流動。微電網(wǎng)對儲能充放電策略靈活調(diào)整，以彌補(bǔ)光伏發(fā)電量與負(fù)荷用量的不匹配[7]：當(dāng)光伏發(fā)電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)荷用電量時，在儲能雙向AC/DC 變換器的控制下，儲能充放電僅用來瞬時平滑光伏發(fā)電波動，大部分光伏發(fā)電直接上網(wǎng)；當(dāng)光伏發(fā)電量近似等于負(fù)荷用電量時，儲能模塊也主要用于平抑光伏發(fā)電波動，保障微電網(wǎng)電量實(shí)時平衡；當(dāng)光伏發(fā)電量遠(yuǎn)小于負(fù)荷用電量時，儲能裝置主要用于削峰填谷，即在晚上用電低谷時段充電，在白天用電高峰時段放電。

2 光儲直流配電微網(wǎng)系統(tǒng)

2.1 光儲直流配電微網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

一般民用建筑及工業(yè)園區(qū)供電距離近，多采用典型的鏈?zhǔn)街绷魍負(fù)浣Y(jié)構(gòu)[8-9]，如圖2所示。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，分布式光伏發(fā)電和儲能通過直流/直流變換器，以直流母線為分配核心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的智能調(diào)配[10]。此系統(tǒng)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)簡單，某些用電設(shè)備可很好兼容傳統(tǒng)的400 V 交流配電系統(tǒng)[11]。

圖2 直流配電微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

但是，此系統(tǒng)僅適用于分布式光伏發(fā)電與負(fù)載匹配性良好的情況。功率及電量均匹配良好，電能經(jīng)過直流/直流（DC/DC）變換器一次變換，供直流負(fù)載使用。在電源與負(fù)載時間不匹配的情況下，儲能裝置和少量交流負(fù)載發(fā)揮調(diào)蓄作用。電能發(fā)、儲、配、用過程僅執(zhí)行直/直轉(zhuǎn)換，省略直/交、交/直重復(fù)變換，大大減少能量轉(zhuǎn)換損耗[12]。分布式光伏發(fā)電與負(fù)載匹配性不好時，第一種情況是分布式光伏發(fā)電供能不足，直流負(fù)載、交流負(fù)載均需要從市電供能，電能經(jīng)過AC/DC 變換器、DC/DC 變換器或DC/AC 變換器兩次變換，能量轉(zhuǎn)換損耗大；第二種情況是分布式光伏發(fā)電供能過剩，交流負(fù)載消耗或送入電網(wǎng)，電能同樣經(jīng)過DC/DC 變換器、DC/AC 變換器兩次變換，能量轉(zhuǎn)換損耗大[13]。

2.2 直流配電微網(wǎng)運(yùn)行模式

直流微網(wǎng)配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，但是饋電線路有多個接入點(diǎn)，因此多換流器之間必然存在相互耦合的問題。研究表明[14]，直流配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、變流器的控制策略與參數(shù)、電源及負(fù)荷的位置等因素密切相關(guān)。

常用直流微網(wǎng)控制策略分為兩層。第一層為微網(wǎng)系統(tǒng)控制，主要是微網(wǎng)能量層級的調(diào)配，具體對發(fā)電、用電、儲電功率傳輸以及微網(wǎng)母線電壓的整體策略控制；第二層為單元控制，主要對各變流器及可調(diào)控末端電器進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)直流配電微網(wǎng)下層發(fā)生故障時，如分布式光伏發(fā)電發(fā)生故障，首先將故障線路切除，為避免整個微網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)短時功率跌落，控制儲能單元向直流母線傳輸功率，維持系統(tǒng)的功率平衡，減小電壓波動，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

直流微網(wǎng)系統(tǒng)中，變換器及可調(diào)末端電器設(shè)備核心為電力電子器件，采用網(wǎng)絡(luò)通信傳輸方式是更加方便的。因此，直流微網(wǎng)控制系統(tǒng)多采用本地工控機(jī)（或嵌入式控制器）+云端部署的方式，具備友好的人機(jī)交互界面（HMI），具備云端遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，具備必要的數(shù)據(jù)存儲和分析能力，具備開放通信協(xié)議及編程接口。

3 光儲交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)

3.1 交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

交直流混合微網(wǎng)是指部分用電負(fù)荷、充電樁接入直流母線，其余用電負(fù)荷、充電樁接入交流母線。無法消納的光伏電力優(yōu)先儲存于儲能裝置中，后根據(jù)微網(wǎng)用電需求，有效進(jìn)行跨時電力調(diào)節(jié)。交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)能量互濟(jì)。交直流混合微網(wǎng)配電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示[15]。

圖3 交直流混合微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在直流微網(wǎng)中，直流母線（可設(shè)定為750 V）是微網(wǎng)能量分配核心[16]，電源側(cè)包括光伏電源、放電狀態(tài)的儲能電源，通過AC/DC 變換器接入的市電電源；負(fù)載側(cè)包括空調(diào)等直流接口、汽車直流充電樁和其他直流接口等。在交流微網(wǎng)中，電源側(cè)包括光伏電源、放電狀態(tài)的儲能電源，并聯(lián)接入的市電電源；負(fù)載側(cè)包括建筑交流接口、電動汽車交流充電樁、其他交流接口等。

與傳統(tǒng)光儲充交流微網(wǎng)或直流配電微網(wǎng)相比，交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢：變換器設(shè)備高效合理利用，減少不必要的能量損失；交直流電源、負(fù)載根據(jù)需要，可靈活分別接入合適的系統(tǒng)；同時，通過交直流微網(wǎng)異構(gòu)互聯(lián)措施，使得兩套光儲系統(tǒng)互為備用電源，確保負(fù)荷的供電可靠性。針對不同類型交直流負(fù)載的用電峰谷差異，進(jìn)行負(fù)載跟蹤和輸出負(fù)荷校平，實(shí)現(xiàn)能源有效利用，增強(qiáng)交直流混合微網(wǎng)的柔性控制。

3.2 柔性能源管理平臺

交直流混合微網(wǎng)柔性能源管理系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)，整個系統(tǒng)分為頂層、中層、底層三個層級。其中，頂層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)及人機(jī)交互，中層為數(shù)據(jù)通信與系統(tǒng)軟件，底層為智能設(shè)備。

3.2.1 底層

底層主要由能源監(jiān)測與柔性控制兩部分組成。能源監(jiān)測包括建筑內(nèi)的各類智能儀表（如水表、電表、流量計(jì)、燃?xì)獗?、蒸汽表等），借助通信技術(shù)，將設(shè)備的用能數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳到本地或者云端數(shù)據(jù)中臺。柔性控制主要利用在設(shè)備端安裝的節(jié)能執(zhí)行設(shè)備（如執(zhí)行器、伺服器和控制器）或設(shè)備本身提供的遠(yuǎn)程控制端口，遠(yuǎn)程通過手動或自動（柔性用能策略或算法）的方式實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的控制調(diào)節(jié)。

3.2.2 中層

中層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和系統(tǒng)軟件相關(guān)功能，如能源數(shù)據(jù)存儲、分析、處理及設(shè)備控制。數(shù)據(jù)通信包括現(xiàn)場設(shè)備與本地或云端數(shù)據(jù)庫的通信、數(shù)據(jù)庫與頂層數(shù)據(jù)展示前端的通信。系統(tǒng)軟件功能層面，首先將設(shè)備上傳的能耗及運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲到平臺數(shù)據(jù)庫中，然后開展數(shù)據(jù)多維度統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)效率分析、用能趨勢分析、用能時空分布特性分析、節(jié)能減排潛力分析、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析等，最后根據(jù)能源數(shù)據(jù)分析結(jié)果，自適應(yīng)地制定并執(zhí)行相應(yīng)的處理策略，生成具體的設(shè)備控制流程和命令，分發(fā)給對應(yīng)底層設(shè)備，同時監(jiān)測設(shè)備返回的執(zhí)行結(jié)果，形成系統(tǒng)閉環(huán)控制。

3.2.3 頂層

頂層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和人機(jī)交互。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)主要包括系統(tǒng)及系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)呈現(xiàn)、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的多形式展示、系統(tǒng)運(yùn)行日志的可視化呈現(xiàn)。人機(jī)交互一般包括用戶通過云端可視化界面遠(yuǎn)程調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行模式和參數(shù)、按照用戶設(shè)定條件進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)、系統(tǒng)用戶信息管理、權(quán)限分配、日志查詢等。

4 交直流混合微網(wǎng)運(yùn)行實(shí)例

4.1 示范項(xiàng)目硬件平臺

示范項(xiàng)目為中國華南地區(qū)某綠色產(chǎn)業(yè)園綜合樓，范圍為2 層與4 層的8 個辦公區(qū)域，建筑面積為2 500 m2，使用凈面積為1 644.96 m2。光伏裝機(jī)峰值功率為56 kWp，配置光伏轉(zhuǎn)換器（DC/DC）的最大功率為55 kW；鋰電池儲能為300 kW·h，配置儲能變換器（雙向DC/DC）的功率為150 kW；直流母線接入負(fù)荷還包括2 臺功率60 kW 的直流充電樁、功率150 kW 的直流空調(diào)外機(jī)（恒壓750 V）；750 V 母線轉(zhuǎn)240 V 傳輸母線的直流變換器功率為30 kW，傳輸至單元辦公區(qū)直流配電箱，每個配電箱配置240 V 轉(zhuǎn)48 V 直流變換器（功率4.2 kW），空調(diào)內(nèi)機(jī)及照明回路供電電壓均為直流48 V。

園區(qū)廠房屋頂敷設(shè)的光伏發(fā)電設(shè)備峰值功率共計(jì)1 173.15 kWp，3 個交流并網(wǎng)點(diǎn)與上述直流配電系統(tǒng)交流并網(wǎng)點(diǎn)位于同一變壓器下。因此，二者構(gòu)成交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，可根據(jù)微網(wǎng)具體用電需求，有效進(jìn)行跨時電力調(diào)節(jié)。同時，交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)亦可實(shí)現(xiàn)能量互濟(jì)。

4.2 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

典型氣象日夏日運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖4所示。通過運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，01∶00—08∶00，系統(tǒng)通過谷時電價向電池充電；08∶00—19∶00，日間電價逐步提高為峰時電價和平時電價，建筑主要通過光伏和電池供電，減少電網(wǎng)取電量；19∶00—23∶00 為夜間峰時電價，系統(tǒng)優(yōu)先利用電池供電，不足部分從電網(wǎng)獲?。?3∶00—24∶00，系統(tǒng)利用夜間谷時電價，開始利用電網(wǎng)電力向電池充電。該日光伏發(fā)電總量為384.62 kW·h，總負(fù)荷為1 153.60 kW·h，該時期，直流柔性建筑系統(tǒng)運(yùn)行，幫助建筑進(jìn)行充分光伏消納，實(shí)現(xiàn)削峰填谷的目標(biāo)。

圖4 典型氣象日系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)（2022年8月22日）

選取并對比全年多個典型氣象日運(yùn)行數(shù)據(jù)，得到以下規(guī)律：直流微網(wǎng)系統(tǒng)在夏、秋兩季的直流負(fù)荷較多，太陽輻射較強(qiáng)，儲能等削峰填谷成效顯著，因此會有較好的經(jīng)濟(jì)以及減碳效益；冬季，系統(tǒng)運(yùn)行的直流電負(fù)荷最少，太陽輻射最弱，經(jīng)濟(jì)以及減碳效益最差；春季，系統(tǒng)運(yùn)行成效有所提升。總體來看，直流柔性建筑系統(tǒng)運(yùn)行可節(jié)約建筑電費(fèi)日均322.98 元（每平方米0.20 元/d），減碳日均115.86 kg CO2（每平方米0.070 kg CO2/d）。

目前，光伏交流微網(wǎng)系統(tǒng)與示范項(xiàng)目直流微網(wǎng)系統(tǒng)柔性能源管理平臺尚未實(shí)現(xiàn)融合，因此無法取得混合微網(wǎng)綜合運(yùn)行數(shù)據(jù)。系統(tǒng)融合后，由于工業(yè)園區(qū)用電量大且負(fù)荷穩(wěn)定，可穩(wěn)定消耗交流以及直流微網(wǎng)中光伏發(fā)電，有效彌補(bǔ)原系統(tǒng)春季乃至冬季光伏發(fā)電量過剩的弊端。另外，由于光伏發(fā)電量充足，直流微網(wǎng)中300 kW·h 鋰電池可以更加高效利用，綜合調(diào)配電池充放策略，賺取更高的峰谷價差。因此，可以預(yù)見，系統(tǒng)融合實(shí)現(xiàn)交流微網(wǎng)、直流微網(wǎng)能量互濟(jì)，有效進(jìn)行跨時電力調(diào)節(jié)將帶來更高的經(jīng)濟(jì)、減碳效益，最終助力示范辦公樓實(shí)現(xiàn)零碳運(yùn)行。

5 結(jié)語

響應(yīng)“雙碳”目標(biāo)，建筑行業(yè)正向以可再生能源為基礎(chǔ)的零碳能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。在此大背景下，在建筑用能模式上創(chuàng)建一種新型的交直流混合微網(wǎng)架構(gòu)及其控制系統(tǒng)，在高效消納可再生能源、減少交直轉(zhuǎn)換電量損失、減輕城市電網(wǎng)負(fù)荷、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷削峰填谷等方面具有顯著優(yōu)勢，其必將成為新型建筑電力系統(tǒng)的重要支撐。