基于绿色建筑内分布式电源的整体设计规划

邱令枫

1背景及意义

进入21世纪，世界对能源的需求不断增加，将使人们最终面临能源危机。据统计建筑每年消耗的能量占全球總耗能的50%以上并逐年上升。

分布式电源在未来的推广趋势主要是集中在低电压等级的电力系统，而建筑供配电系统是10kV以下电压等级的建筑电气系统，两者在电压等级上完全契合。所以从分布式电源的角度上讲，分布式电源接入建筑必将成为未来分布式电源的发展趋势。

建筑的发展趋势是以节能的绿色环保建筑为主，而分布式电源正是一种新型清洁能源，可以利用可再生能源给建筑内部发电，实现建筑能源的自给自足，节约能源，降低污染的目的。所以从建筑的角度上讲，分布式电源接入建筑具有领导意义。

2 分布式电源的接入

2.1 分布式电源发电系统

本文分布式电源的规划设计结合了独立与并网光伏发电方法。其中并网光伏发电采用的是独立建筑并网光伏发电，但国内电力市场并未形成有效机制，则需采用通过无逆流系统。无逆流系统是指光伏发电量始终小于（等于）负荷用点，电量不够时由电网提供，即光伏发电与外部市电形成并联，再向建筑负荷供电。

结合工程实例，7000平方米的博物馆屋顶和10000平方米的博物馆部分幕墙铺设光伏发电装置。所需安装光伏方阵（容量为 Wp）约480块，其中198块方阵铺设于屋顶，余下282块方阵铺设于五层建筑玻璃幕墙，平均每层幕墙安装约57块方阵。如图2-1：所示。

图2-1 联合系统原理图

发电系统以两块光伏方阵（ Wp）为一组，屋顶光伏发电系统共99组。如图2-2所示，每一组都设置数据采集终端，分为光伏采集终端和储能采集终端，将光伏-储能发电系统所采集的实时数据通过智能建筑网络通信系统发送至分布式电源监控系统。当光伏发电运行时，每一组分别接入直流汇流箱，然后通过组合系统元器件，接入6kW并网逆变器（PVI-6000），经逆变后分三相（L1，L2，L3）进入光伏配电交流柜，该配电柜设有电压表、电流表、微机保护装置和电能计量装置，在经过交流配电柜接入低压电网。图2-2只绘制了博物馆屋顶光伏发电系统的接入建筑的供配电示意图，玻璃幕墙光伏发电系统供配电示意图与之类似，但每层约57块光伏方阵发电系统（分为29组）经过交流配电柜直接进入该层的智能低压配电柜。博物馆每层设置四处低压配电箱，容量设定为150～200kW，为该楼层的各类型负荷提供电能，楼层供配电平面图呈现发散性树形结构。

图2-2 光伏-储能发电系统供配电示意图

2.2 建筑微网

对分布式电源的接入问题，可将分布式电源发电系统接入建筑供配电系统，利用光伏-储能发电系统实现对可再生能源的利用；从智能建筑角度，可将分布式电源监系统集成进BAS系统，但其仅能完成对各分布式电源的监控，无法形成各分布式电源的协调联动，这使得能源的利用有限。为了实现智能绿色建筑的要求，高效利用可再生能源，工程结合微网技术，提出了建筑微网的概念，建筑微网定义如下：以建筑为单元独立建设的微网，其由分布式电源、储能装置、用户负荷及相关的监控装置共同组成的有机体系，具有灵活运行和调度性能，可实现建筑微网内各分布式电源的协调运行。建筑微网的提出是把微网技术应用于建筑电气领域。

对建筑微网进行协调控制和监测的系统定义为建筑微网控制系统，它具有微网控制中心（Micro Grid Control Center，MGCC）、微电源控制器（Micro Control，MC）和负荷控制器（Local Control，LC）。建筑微网及其控制系统的结构如图2-3所示。在图2-3中，实线部分表示建筑微网的供配电网络，接入绿色建筑的分布式电源为光伏发电装置、储能装置与微型燃气轮机。结合工程实例，搭建建筑微网是为建筑提供动力，以建筑微网的形式智能协调控制各分布式电源。绿色动力来源采用光伏-储能发电系统，微型燃气轮机作为故障备用电源、应急电源，保障消防负荷与一级负荷在故障时不间断供电。在图2-3中，虚线部分表示建筑微网的网络通信系统，实现对建筑微网各分布式电源实时监控。建筑微网控制中心MGCC为监控层控制器，完成建筑微网各分布式电源的综合管理，通过集成于内的中央处理单元，对建筑供配电母线和外部市电进行采集并处理，完成孤岛运行与并网运行的智能转化；并接收由现场层发送的采集信息，经处理后发送现场层控制命令。微电源控制器MC为现场层控制器，作用是将采集电源信息发送至监控层，接收监控层发送的控制命令，并对电源运行开关量进行有效的控制。本地负荷控制器LC为现场层控制器，作用是采集用电负荷的大小，监测电力参数，保证建筑微网电能质量的稳定、安全、可靠。

图2-3 建筑微网及其控制系统结构示意图

在图2-3中，智能断路器K1为外部市电接入建筑供配电主接口，由MGCC控制，判断是否接入外部市电；智能断路器K2为分布式电源发电主接口，由MGCC控制，判断是否接入光伏-储能发电系统；在博物馆绿色工程中，智能断路器组1由智能断路器N1～N244（控制光伏方阵接入）与智能断路器M1～M244（控制储能装置接入）共同构成，其由光伏发电MC与储能装置MC共同控制，决定光伏-储能发电系统的工作模式；备用微型燃气轮机组采用一投一备接入方式，MTG1主投，MTG2备用；智能断路器组2由微型燃气轮机MC控制，在故障时，决定微型燃气轮机主投或备用的接入。

其中外部市电智能采集终端A1安装0kV/0.4kV变压器高压侧母线，功能为采集外部市电电流电压，故障时断开K1；建筑微网智能采集终端B1安装10kV/0.4kV变压器低压侧母线，采集建筑微网电流电压，故障时断开K2；光伏采集终端C1～C244安装于光伏-储能发电单元（屋顶和幕墙），功能为采集光伏方阵发电组输出的电流、电压信息；光照采集终端CC1～CC244安装于光伏-储能发电单元（屋顶和幕墙），功能为采集光伏方阵发电单元组外部光照等环境信息；储能采集终端D1～D244安装于光伏-储能发电单元（屋顶和幕墙），功能为采集该组储能装置电能盈余量，作为判断；负荷采集终端E1～E35安装于每层低压配电箱进线母线，采集用电量；备用电源采集终端F1～F2安装于微型燃气轮机组出线母线，采集两台电源故障信息，采用一投一备运行方式。

3 结论

本文结合工程实例，具体介绍了分布式电源监控系统在智能建筑中的集成和分布式电源发电系统接入绿色建筑的规划方案。通过分析分布式电源，结合微网控制应用，以智能绿色建筑的角度提出建筑微网的概念，并规划建筑光伏-储能发电系统。