摘要介紹了光儲直柔建筑配電系統的基本概念。光既建筑光伏,儲是建筑內分布式蓄電及利用鄰近停車場電動汽車的電池資源,直指建筑內部采用直流供電,柔則是光儲直柔的目的,既實現柔性用電,使其成為電網的柔性負載或虛擬靈活電源。介紹了光儲直柔配電系統的架構,調節策略,可實現的功率調節范圍和與電網相互協調的方式。指出未來新型電力系統的目標是建立以風電光電為主要電源的零碳電力系統,建筑光儲直柔配電系統可解決發展風電光電中的兩大瓶頸問題:安裝空間和有效消納,從而需要與風電光電裝機容量的增長、電動汽車總量的增長同步發展和增長。

　　關鍵詞光儲直柔低碳建筑零碳電力需求側響應風電光電

　　1什么是建筑的光儲直柔配電系統

　　“光”指的是建筑屋頂光伏發電,通過DC/DC(直流到直流的變流器)接入375V直流母線。“儲”則是指由直流母線通過DC/DC連接的、布置于一處或多處的蓄電池組,以及由這條直流母線連接的布置在鄰近停車場的若干個充電樁,通過這些充電樁為停車場電動汽車蓄電池充/放電。“直”是指實現直流供電,包括動力和充電設備的375V直流,以及通過DC/DC變換得到的供小功率電器使用的48V直流分支。375V直流母線通過AC/DC(交流到直流變流器)與交流380V的外電網連接,從外電網輸入電量滿足建筑的用電需求。

　　電力論文范例：光伏發電站在紡織企業的應用

　　“柔”是指這一系統對電網來說,不是供電量必須等于此時負載側消耗電量的剛性負載,而是從電網的取電量可以根據電網的供需關系在較大范圍內調節,從電網側看,這一用電系統成為電網的柔性負載。柔性的實現主要通過各用電設備的“需求側響應”實現,各設備可以根據電網的供需關系自動改變其瞬間用電功率;還包括各蓄電池的“需求側響應”,系統內所連接的蓄電池和電動汽車蓄電池可以根據電網的供需狀況調節充電/放電功率,從而改變AC/DC處從外電網進入系統的電功率。所以光儲直柔配電系統的最終目標是使建筑用電系統由目前的剛性負載變為柔性負載,可以根據電力系統的供需關系隨時調整用電功率,而不決定于當時系統內各用電設備的用電功率。

　　光儲直柔配電系統的工作原理如下。電力系統根據電網的電力供需關系,要求光儲直柔配電系統某時刻的用電功率為P0,此時AC/DC可恒定輸出功率P0。直流母線輸入功率為P0+PV,其中PV為光伏發電的輸入功率。由于各用電設備和蓄電裝置的功率隨直流母線電壓的變化而自行變化,所以當包括蓄電池和充電樁在內的各用電設備的總功率等于P0+PV時,如果直流母線電壓處于要求的上限電壓Vmax和下限電壓Vmin之間,則系統維持平衡。當某用電設備試圖增大功率,使總功率高于P0+PV時,直流母線電壓下降,此時各用電設備將自動根據電壓下降程度減小自身用電功率;蓄電池、充電樁也根據電壓下降程度減小充電電流,甚至轉換為通過放電向系統提供部分功率。

　　這樣,隨著直流母線電壓的下降,系統從外電網的取電功率不斷下降,最終重新平衡到P0+PV。反之,如果各用電設備試圖降低功率,從而使總功率低于P0+PV,母線電壓就會升高,各用電設備就會根據電壓的升高自動加大自身的用電功率,蓄電池、充電樁也會自動增大充電功率,這樣,從外網取電的功率就會重新平衡在P0上。當外電網和光伏發電的供電功率P0+PV過大,而各用電設備和充電裝置功率過小時,直流母線電壓達到允許的上限Vmax,此時就要通過AC/DC減小從外電網引入的電功率P0和調節光伏發電的DC/DC,通過部分“棄光”使母線電壓穩定在Vmax;而當外電網和光伏發電的供電功率過小,低于當時各用電設備的總功率,而各蓄電裝置也已經無電可放時,AC/DC將加大供電功率,使直流母線電壓維持在Vmin,以保證基本的用電需求。

　　在這2種情形下,系統從外電網的取電功率會出現低于或高于要求的用電功率P0的現象,此時光儲直柔配電系統就不能實現嚴格按照要求的取電功率從外電網取電。是否會出現這種工況取決于系統內各用電設備功率的可調節能力,也取決于系統設置的蓄電池和當時所連接的電動汽車的蓄電池容量。建筑光儲直柔配電系統既然是為了配合電網進行功率調節,就要考察其在各種工況下從外電網取電功率的可調整范圍。而這一功率可調整范圍是取決于建筑內部分布設置的蓄電池容量、建筑周邊停車場所連接的電動汽車電池總容量及各個用電裝置的功率可調節能力。這些都將在后文中進一步討論。

　　2為什么要發展建筑光儲直柔配電系統

　　實現碳中和戰略的主要任務之一是實現從以化石能源為基礎的碳基電力系統轉為以可再生能源為基礎的零碳電力。未來風電光電的裝機容量要從目前的20%左右增加到80%左右,風電光電提供的電量則要從目前的不到10%增加到60%左右。大規模發展風電光電就必須解決以下問題:1)風電光電的安裝空間;2)風電光電的發電功率變化與終端用電功率變化的不同步性。光儲直柔配電系統恰恰是針對這2個問題給出的解決方案。

　　3建筑光儲直柔配電系統如何實現柔性用電

　　平移延時型設備包括蓄熱水箱、空調冰/水蓄冷系統、冰箱、冷柜、洗衣機、排污泵等以及自身帶有蓄電池的可充電電子電器設備。使用AI技術通過學習直流母線一天內的電壓變化規律,識別出一天內需要多用電和盡可能避免用電的時間段;通過學習設備自身的運行規律,得到其需要的連續運行時長及開停時間比。根據這些信息即制定一天內的優化運行規劃,避開在電力緊缺時段運行,盡可能將設備自行調整到在電力過剩時段用電。

　　變功率型設備包括可通過變頻或其他方式進行功率調節的用電設備,如分體空調機、多聯機式空調機、風機、水泵、變頻扶梯、電梯等。這些設備自身都帶有控制調節,可通過變頻或其他方式改變用電功率。在光儲直柔配電系統中,可測量直流母線電壓,根據電壓高低決定對運行功率的修正系數。直流母線電壓高,則修正系數就高,可高達1.1,表明要在控制器輸出的調節指令基礎上進一步加大輸出,以增大用電功率10%;當直流母線電壓低時,修正系數就低,最低可至0.5,也就是降低轉速或通過其他手段降低實際的用電功率。

　　4光儲直柔配電系統的可行性和其對發展新型電力系統的貢獻

　　光儲直柔建筑的“柔性”有多大,也就是其對電力供需平衡的調節潛力有多大,對建立以零碳電力為基礎的新型電力系統可以起多大作用,這是本章節重點討論的問題。

　　4.1光儲直柔建筑對電網供需平衡的調節能力

　　為光儲直柔建筑提供蓄能能力最重要的資源是電動汽車。目前的純電動車電池容量為50~100kW·h/輛,采用慢充方式,充電功率可根據電力供需關系在0~10kW之間調節。如果每百m2建筑有一輛電動汽車(對居住建筑而言,相當于一戶一車;對辦公建筑而言,相當于每2~3人一車),則每萬m2建筑可連接100輛車,瞬態充放電能力為0~1MW,最大日儲電能力在5MW·h以上。每萬m2建筑自身用電功率為0~1MW,日用電量4MW·h左右,100輛汽車的日用電量1MW·h左右。

　　每萬m2建筑如果安裝50kW光伏板,每年發電量6MW·h,每天發電量400kW·h左右,不到建筑和車輛用電量的1/10。如果認為每天從電網的取電量等于除自身光伏發電量之外的全天建筑用電和車輛用電之和,則每天需要從電網取電量4~5MW·h。從電網取電的最不利工況是連續從電網按照最大功率取電,而在取電時段各類設備用電量為零;配合電網調節的另一個最不利工況則為要求從電網取電量為零,而建筑處于用電高負荷。

　　5發展光儲直柔建筑配電對暖通空調行業的新要求

　　暖通空調是建筑用能的最大用戶,電力供給方式轉變會給暖通空調帶來巨大變化。這將是實現暖通空調設備用電由交流向直流的轉換,在直流化的同時實現設備自適應的功率調節,并且進一步發展各種可能的末端儲能方式和新型蓄能工藝流程。

　　5.1暖通空調設備的直流化

　　暖通空調的主要動力設備都是由電動機驅動。由永磁同步電動機替代傳統的異步電機,已經成為暖通空調動力設備發展和更新換代的主要趨勢。永磁同步電動機要依靠電力電子技術把輸入的直流電變換為所要求頻率的交流電,再驅動自身運行,實現精準的轉速調節。異步電動機改為永磁同步電動機后,電動機效率提高,尤其是在低轉速下電動機效率可保持在高水平,具有顯著的節能效果、出色的調控效果和更低的噪聲水平。

　　實際上這些年來變頻壓縮機的發展都是采用永磁同步電動機,根據壓縮機的動力特性確定變頻算法,各類壓縮機變頻后性能得到顯著提高。目前,各種風機水泵也開始由以往的異步電動機配置通用變頻器的方式改為專用的永磁同步電動機,這將成為今后動力設備發展的重要方向。

　　永磁同步電動機目前驅動的方式是對三相交流電通過AC/DC整流,然后再根據要求的旋轉頻率逆變,得到要求頻率下的三相交流電,驅動電動機。所謂直流化就是去掉AC/DC整流器這一環節,降低成本,減少這一環節的轉換損失。目前各類壓縮機都已經有直流驅動的產品。對于風機水泵,由于其變頻器的算法與被驅動設備密切相關,因此所發展的將是機械設備、永磁同步電動機和變流控制調節器三位一體的集成化產品,所要求的驅動電源也是直流輸入。

　　除了動力設備外,再就是控制調節儀表和各種閥類。控制調節儀表本身需要直流供電,不同的電壓需求通過DC/DC變流器可以很容易滿足。電動機驅動的旋轉式閥類改為同步電動機驅動將顯著改善調控性能;電磁通斷閥改用直流后,也可使其內部結構簡化,性能提高。雖然調控儀表和閥件的直流化需要對產品進行一些改進,但獲得的是技術進步,使得性能和可靠性都得到提高,而成本不升反降。

　　6結語

　　本文介紹了建筑新型配電系統———光儲直柔系統的基本原理、目標、背景及其對未來發展建設零碳的新型電力系統的重要作用。通過能源轉型實現低碳發展,是深刻地影響能源生產、轉換、消費各方面的革命,將導致能源相關活動的巨大變化。對于建筑領域來說,就使其從單純的能源消費者轉為能源的生產者(光伏)、儲存者和消費者三位一體。

　　在能源全產業鏈中地位的變化,使暖通空調行業面臨巨大挑戰:要適應新的能源環境,要發展新的產、儲、消一體化的系統方式,要開發與新方式新系統相適應的新設備,要適應新系統系要求導致運行模式的變化。這些都給暖通空調行業帶來巨大的創新機會和發展機遇,也將導致這一行業與電力系統的高度融合與共同發展。科學技術的發展需要打破專業限制,需要學科交叉和跨領域融合。光儲直柔配電系統將是建筑業、暖通空調、建筑配電及電力系統等相關專業的相互融合,并通過相互滲透產生出的新行業。

　　參考文獻:

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　　[2]余貽鑫.智能電網基本理念與關鍵技術[M].北京:科學出版社,2019:1726

　　作者：江億