“光储直柔”助力实现零碳电力的新型建筑配电系统

　　摘要介绍了光储直柔建筑配电系统的基本概念。光既建筑光伏,储是建筑内分布式蓄电及利用邻近停车场电动汽车的电池资源,直指建筑内部采用直流供电,柔则是光储直柔的目的,既实现柔性用电,使其成为电网的柔性负载或虚拟灵活电源。介绍了光储直柔配电系统的架构,调节策略,可实现的功率调节范围和与电网相互协调的方式。指出未来新型电力系统的目标是建立以风电光电为主要电源的零碳电力系统,建筑光储直柔配电系统可解决发展风电光电中的两大瓶颈问题:安装空间和有效消纳,从而需要与风电光电装机容量的增长、电动汽车总量的增长同步发展和增长。

　　关键词光储直柔低碳建筑零碳电力需求侧响应风电光电

　　1什么是建筑的光储直柔配电系统

　　“光”指的是建筑屋顶光伏发电,通过DC/DC(直流到直流的变流器)接入375V直流母线。“储”则是指由直流母线通过DC/DC连接的、布置于一处或多处的蓄电池组,以及由这条直流母线连接的布置在邻近停车场的若干个充电桩,通过这些充电桩为停车场电动汽车蓄电池充/放电。“直”是指实现直流供电,包括动力和充电设备的375V直流,以及通过DC/DC变换得到的供小功率电器使用的48V直流分支。375V直流母线通过AC/DC(交流到直流变流器)与交流380V的外电网连接,从外电网输入电量满足建筑的用电需求。

　　电力论文范例：光伏发电站在纺织企业的应用

　　“柔”是指这一系统对电网来说,不是供电量必须等于此时负载侧消耗电量的刚性负载,而是从电网的取电量可以根据电网的供需关系在较大范围内调节,从电网侧看,这一用电系统成为电网的柔性负载。柔性的实现主要通过各用电设备的“需求侧响应”实现,各设备可以根据电网的供需关系自动改变其瞬间用电功率;还包括各蓄电池的“需求侧响应”,系统内所连接的蓄电池和电动汽车蓄电池可以根据电网的供需状况调节充电/放电功率,从而改变AC/DC处从外电网进入系统的电功率。所以光储直柔配电系统的最终目标是使建筑用电系统由目前的刚性负载变为柔性负载,可以根据电力系统的供需关系随时调整用电功率,而不决定于当时系统内各用电设备的用电功率。

　　光储直柔配电系统的工作原理如下。电力系统根据电网的电力供需关系,要求光储直柔配电系统某时刻的用电功率为P0,此时AC/DC可恒定输出功率P0。直流母线输入功率为P0+PV,其中PV为光伏发电的输入功率。由于各用电设备和蓄电装置的功率随直流母线电压的变化而自行变化,所以当包括蓄电池和充电桩在内的各用电设备的总功率等于P0+PV时,如果直流母线电压处于要求的上限电压Vmax和下限电压Vmin之间,则系统维持平衡。当某用电设备试图增大功率,使总功率高于P0+PV时,直流母线电压下降,此时各用电设备将自动根据电压下降程度减小自身用电功率;蓄电池、充电桩也根据电压下降程度减小充电电流,甚至转换为通过放电向系统提供部分功率。

　　这样,随着直流母线电压的下降,系统从外电网的取电功率不断下降,最终重新平衡到P0+PV。反之,如果各用电设备试图降低功率,从而使总功率低于P0+PV,母线电压就会升高,各用电设备就会根据电压的升高自动加大自身的用电功率,蓄电池、充电桩也会自动增大充电功率,这样,从外网取电的功率就会重新平衡在P0上。当外电网和光伏发电的供电功率P0+PV过大,而各用电设备和充电装置功率过小时,直流母线电压达到允许的上限Vmax,此时就要通过AC/DC减小从外电网引入的电功率P0和调节光伏发电的DC/DC,通过部分“弃光”使母线电压稳定在Vmax;而当外电网和光伏发电的供电功率过小,低于当时各用电设备的总功率,而各蓄电装置也已经无电可放时,AC/DC将加大供电功率,使直流母线电压维持在Vmin,以保证基本的用电需求。

　　在这2种情形下,系统从外电网的取电功率会出现低于或高于要求的用电功率P0的现象,此时光储直柔配电系统就不能实现严格按照要求的取电功率从外电网取电。是否会出现这种工况取决于系统内各用电设备功率的可调节能力,也取决于系统设置的蓄电池和当时所连接的电动汽车的蓄电池容量。建筑光储直柔配电系统既然是为了配合电网进行功率调节,就要考察其在各种工况下从外电网取电功率的可调整范围。而这一功率可调整范围是取决于建筑内部分布设置的蓄电池容量、建筑周边停车场所连接的电动汽车电池总容量及各个用电装置的功率可调节能力。这些都将在后文中进一步讨论。

　　2为什么要发展建筑光储直柔配电系统

　　实现碳中和战略的主要任务之一是实现从以化石能源为基础的碳基电力系统转为以可再生能源为基础的零碳电力。未来风电光电的装机容量要从目前的20%左右增加到80%左右,风电光电提供的电量则要从目前的不到10%增加到60%左右。大规模发展风电光电就必须解决以下问题:1)风电光电的安装空间;2)风电光电的发电功率变化与终端用电功率变化的不同步性。光储直柔配电系统恰恰是针对这2个问题给出的解决方案。

　　3建筑光储直柔配电系统如何实现柔性用电

　　平移延时型设备包括蓄热水箱、空调冰/水蓄冷系统、冰箱、冷柜、洗衣机、排污泵等以及自身带有蓄电池的可充电电子电器设备。使用AI技术通过学习直流母线一天内的电压变化规律,识别出一天内需要多用电和尽可能避免用电的时间段;通过学习设备自身的运行规律,得到其需要的连续运行时长及开停时间比。根据这些信息即制定一天内的优化运行规划,避开在电力紧缺时段运行,尽可能将设备自行调整到在电力过剩时段用电。

　　变功率型设备包括可通过变频或其他方式进行功率调节的用电设备,如分体空调机、多联机式空调机、风机、水泵、变频扶梯、电梯等。这些设备自身都带有控制调节,可通过变频或其他方式改变用电功率。在光储直柔配电系统中,可测量直流母线电压,根据电压高低决定对运行功率的修正系数。直流母线电压高,则修正系数就高,可高达1.1,表明要在控制器输出的调节指令基础上进一步加大输出,以增大用电功率10%;当直流母线电压低时,修正系数就低,最低可至0.5,也就是降低转速或通过其他手段降低实际的用电功率。

　　4光储直柔配电系统的可行性和其对发展新型电力系统的贡献

　　光储直柔建筑的“柔性”有多大,也就是其对电力供需平衡的调节潜力有多大,对建立以零碳电力为基础的新型电力系统可以起多大作用,这是本章节重点讨论的问题。

　　4.1光储直柔建筑对电网供需平衡的调节能力

　　为光储直柔建筑提供蓄能能力最重要的资源是电动汽车。目前的纯电动车电池容量为50~100kW·h/辆,采用慢充方式,充电功率可根据电力供需关系在0~10kW之间调节。如果每百m2建筑有一辆电动汽车(对居住建筑而言,相当于一户一车;对办公建筑而言,相当于每2~3人一车),则每万m2建筑可连接100辆车,瞬态充放电能力为0~1MW,最大日储电能力在5MW·h以上。每万m2建筑自身用电功率为0~1MW,日用电量4MW·h左右,100辆汽车的日用电量1MW·h左右。

　　每万m2建筑如果安装50kW光伏板,每年发电量6MW·h,每天发电量400kW·h左右,不到建筑和车辆用电量的1/10。如果认为每天从电网的取电量等于除自身光伏发电量之外的全天建筑用电和车辆用电之和,则每天需要从电网取电量4~5MW·h。从电网取电的最不利工况是连续从电网按照最大功率取电,而在取电时段各类设备用电量为零;配合电网调节的另一个最不利工况则为要求从电网取电量为零,而建筑处于用电高负荷。

　　5发展光储直柔建筑配电对暖通空调行业的新要求

　　暖通空调是建筑用能的最大用户,电力供给方式转变会给暖通空调带来巨大变化。这将是实现暖通空调设备用电由交流向直流的转换,在直流化的同时实现设备自适应的功率调节,并且进一步发展各种可能的末端储能方式和新型蓄能工艺流程。

　　5.1暖通空调设备的直流化

　　暖通空调的主要动力设备都是由电动机驱动。由永磁同步电动机替代传统的异步电机,已经成为暖通空调动力设备发展和更新换代的主要趋势。永磁同步电动机要依靠电力电子技术把输入的直流电变换为所要求频率的交流电,再驱动自身运行,实现精准的转速调节。异步电动机改为永磁同步电动机后,电动机效率提高,尤其是在低转速下电动机效率可保持在高水平,具有显著的节能效果、出色的调控效果和更低的噪声水平。

　　实际上这些年来变频压缩机的发展都是采用永磁同步电动机,根据压缩机的动力特性确定变频算法,各类压缩机变频后性能得到显著提高。目前,各种风机水泵也开始由以往的异步电动机配置通用变频器的方式改为专用的永磁同步电动机,这将成为今后动力设备发展的重要方向。

　　永磁同步电动机目前驱动的方式是对三相交流电通过AC/DC整流,然后再根据要求的旋转频率逆变,得到要求频率下的三相交流电,驱动电动机。所谓直流化就是去掉AC/DC整流器这一环节,降低成本,减少这一环节的转换损失。目前各类压缩机都已经有直流驱动的产品。对于风机水泵,由于其变频器的算法与被驱动设备密切相关,因此所发展的将是机械设备、永磁同步电动机和变流控制调节器三位一体的集成化产品,所要求的驱动电源也是直流输入。

　　除了动力设备外,再就是控制调节仪表和各种阀类。控制调节仪表本身需要直流供电,不同的电压需求通过DC/DC变流器可以很容易满足。电动机驱动的旋转式阀类改为同步电动机驱动将显著改善调控性能;电磁通断阀改用直流后,也可使其内部结构简化,性能提高。虽然调控仪表和阀件的直流化需要对产品进行一些改进,但获得的是技术进步,使得性能和可靠性都得到提高,而成本不升反降。

　　6结语

　　本文介绍了建筑新型配电系统———光储直柔系统的基本原理、目标、背景及其对未来发展建设零碳的新型电力系统的重要作用。通过能源转型实现低碳发展,是深刻地影响能源生产、转换、消费各方面的革命,将导致能源相关活动的巨大变化。对于建筑领域来说,就使其从单纯的能源消费者转为能源的生产者(光伏)、储存者和消费者三位一体。

　　在能源全产业链中地位的变化,使暖通空调行业面临巨大挑战:要适应新的能源环境,要发展新的产、储、消一体化的系统方式,要开发与新方式新系统相适应的新设备,要适应新系统系要求导致运行模式的变化。这些都给暖通空调行业带来巨大的创新机会和发展机遇,也将导致这一行业与电力系统的高度融合与共同发展。科学技术的发展需要打破专业限制,需要学科交叉和跨领域融合。光储直柔配电系统将是建筑业、暖通空调、建筑配电及电力系统等相关专业的相互融合,并通过相互渗透产生出的新行业。

　　参考文献:

　　[1]国土资源部.国土资源部关于印发全国土地利用总体规划纲要(2006—2020年)调整方案的通知[EB/OL].(2016-06-22)[2021-08-27].http:∥g.mnr.gov.cn/201701/t20170123_1430069.html.

　　[2]余贻鑫.智能电网基本理念与关键技术[M].北京:科学出版社,2019:1726

　　作者：江亿