智能微电网在近零能耗公共建筑中的应用

胡魁琦，劳大实，张谷成

(1. 中国中元国际工程有限公司，北京 100089； 2. 北京京能热力发展有限公司，北京 100013)

0 引言

2020年，我国为应对气候变化和极端天气、实现可持续发展战略，积极制定了“30.60双碳”发展目标。作为二氧化碳主要排放行业之一，为迎接全面低碳时代，建筑行业建立了适合本国特点的技术标准及技术体系，主要有超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑及被动房。

1 国内近零能耗建筑

2019年，国家标准GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技术标准》发布实施。标准根据建筑综合节能率、可再生能源利用率和建筑本体性能指标三部分对建筑等级进行考核，量化指标采用绝对能耗数值和相对节能率两种方式。建筑综合节能率是其中的核心指标，首先需要对建筑一次能源消耗进行统计，并剔除可再生能源发电所抵消的化石能源，得出建筑能耗综合值，再由建筑能耗综合值和基准建筑的能耗综合值的差值比基准建筑的建筑能耗综合值，方可得出。表 1为近零能耗公共建筑要求的能效指标。

近零能耗公共建筑能效指标表 表1

2 实现建筑近零能耗的关键技术

根据技术标准和测评标准可以看出，我国近零能耗建筑技术和评价体系已实现了建筑类型全覆盖和气候区全覆盖，提出了中国解决方案。根据《近零能耗建筑测评标准》提出的各项约束指标，结合我国近零能耗建筑的发展现状，评价体系可划分为四大指标：室内设计参数、能效指标、围护结构热工性能和建筑能源系统。当前近零能耗建筑采用的技术应用主要包括：高性能围护结构、高建筑气密性、其他被动式技术、主动式技术、可再生能源利用等。根据相关统计数据，采用上述技术后，建筑平均一次能源消耗可降至77kW·h(m2·a)，降幅53%，在设置一定量的可再生能源发电后，可有效实现建筑综合节能率≥60%的目标，达成近零能耗建筑的目标。

这也从侧面反应了，在当前技术水平、建设成本条件下，建设可再生能源发电系统，能有效提升建筑综合节能率，对于近零能耗公共建筑来说，是十分关键的一环。但当光伏、风电、市政电源等多种形式的能源存在时，运行控制存在诸多要点：(1)分布式能源网络间的耦合联系强，不同能源形式间的互补替代特性明显，但缺乏有效的协同调度机制；(2)分布式电源接入，改变了配电网的网架结构，由传统的辐射状结构变为多电源结构；(3)分布式电源的波动性和随机性导致配电网供电的电能质量下降，带来电压闪变、谐波注入等问题，对电网的安全、稳定运行带来不利影响。

为解决上述要点、难点，建设可多源协同优化控制的智能电网系统成为必不可少的重要环节。

3 实际项目案例

以北京某办公楼为例，具体阐述智能微电网在近零能耗公共建筑中的应用。

本项目建筑面积为5 208.3m2，地下建筑面积2 571.0m2，地上建筑面积2 637.3m2，总占地面积1 990.4m2。地上三层，地下两层，建筑高度为14.05m。原有方案为全幕墙建筑方案，且未采用热回收、无热桥、气密、可再生能源发电等技术，无法达到近零耗要求，建筑综合节能率仅为16.91%。

为实现近零耗建筑，全面进行了重新设计，但设计过程中发现，即便采用诸多被动式技术，仍无法满足近零能耗要求，项目至少需建设150kW可再生能源发电系统，方可满足建筑综合节能率≥60%的要求。由于项目不具备建设风力发电的条件，智能微电网系统的整体方案，全部围绕150kW光伏的建设及消纳展开。

4 光伏发电系统

根据项目情况，本办公楼屋顶条件较差，无法设置光伏组件，仅可在建筑南侧立面装设4.68kWp光伏，为解决光伏装机不足的问题，选择办公楼西侧停车棚顶建设54.45kWp光伏、北侧厂房屋顶建设100.80kWp光伏，光伏系统装机共计159.93kWp。其中办公楼南侧立面光伏采用65Wp BIPV薄膜光伏组件，共计安装72块，作为外立面幕墙装设与建筑结合为一体，同时对其安装做法进行优化，避免对建筑保温、气密性产生影响；停车棚顶采用450Wp单晶硅光伏组件，15°固定倾角安装，共计安装121块。厂房屋顶采用450Wp单晶硅光伏组件，在彩钢板屋面平铺安装，共计安装224块。光伏逆变器采用组串式逆变器，分别选择4kW、50kW、100kW逆变器，接入智能微电网系统。

光伏系统装机规模较大，对办公楼用、发电负荷平衡进行分析，对比夏季、冬季和过渡季工作日、休息日的光伏发电功率与用电负荷需求功率如图 1所示。

图1 典型日用发电功率对比图

冬季工作日内，大部分时段用电负荷需求量大于光伏发电量，需要市电给予供电支持；夏季、过渡季工作日内，部分时段光伏发电量明显超出负荷需求量，需要配置储能系统；冬季、夏季和过渡季的休息日，光伏发电量大于建筑的用电负荷需求。工作日夏季、冬季、过度季的日间未利用光伏发电量分别为174kWh、40kWh、182kWh。

5 电储能系统

为充分利用光伏发电、满足用电需求，配置磷酸铁锂电池储能系统给予移峰用电，考虑到储能系统损耗、衰减等原因，储能电池总容量配置为240kWh，可覆盖全年各典型日光伏超发的电量。日间光伏发电功率与负荷用电功率差最大为85kW，考虑光伏电力的充分存储以及放电是满足功率需求，因此储能系统配置PCS功率为100kW。储能系统接入智能微电网，由微网控制器根据光伏发电量、用电负荷情况、电价政策变化等边界条件，进行实时控制。

储能系统运行策略按下述方案进行设置：(1)工作日期间，在白天光伏发电量超过用电量时，储能系统进行充电，吸收未被消纳的光伏发电量，在其余时间进行使用，不足部分由市电补充。夜间谷电时段静置，也可根据第二天的负荷预测情况，适量充电，满足清晨光伏发电量不足时段的用电需求。(2)休息日，周六全天将光伏所发电能储存，在下午至周日上午9时前使用，周日将多余光伏发电量储存，周日夜间至周一上午进行使用。具体充放电策略见表 2。

电储能系统充放电策略 表2

6 智能微电网

基于大楼的能源系统，建立智能微电网，作为智慧能源在近零能耗建筑中应用的基础。通过设置光伏发电、电储能系统、用电负荷等，将能源设备靠近需求侧，充分利用新能源和可再生能源发电，实现本地用电、发电需求匹配的小型化系统，具有清洁环保、灵活性高、效率高等特点，在合理控制时，可以显著提高用能经济性、可靠性，降低输配电网络投资。智能微电网系统主接线如图2所示。

图2 智能微电网系统主接线图

由厂区10kV变电所内0.4kV系统引接电缆，将电源引至本次新建的0.4kV交流微电网母线，微电网的0.4kV母线接入的负荷包括：各分布式光伏系统、磷酸铁锂电池储能系统、充电桩、部分照明、空调负荷等。

微电网监控系统包括三个部分：过程层、间隔层和监控层。网络结构按分层分布式开放系统配置。监控与能量管理控制系统组态灵活，具有可维修性和可扩充性。

(1) 站控层

站控层配置工作站，供运行监视及操作控制用，并且完成对系统软件、数据库的在线维护和修改，完成功率预测等功能；站控层通过以太网将这些设备与现场测控单元互连，实现信息交换。

(2)间隔层

间隔层包括微电网集中控制器、工业交换机、本地配置设备等。接受过程层的遥测信息，并且向站控层进行信息交换，接受站控层的遥控信息。

(3)过程层

过程层中，微电网控制器下行通过屏蔽双绞线或工业以太网与智能断路器、逆变器、储能变流器、储能系统、各类模拟设备等通讯接口相联，采集交流电流、电压、开关设备位置、工作状态、逆变器状态等设备状态量和关键参数，并完成对其的控制。

系统依靠微电网集中控制器实现自动运行，其核心在于实时稳定微电网能量流动、电压、频率，同时联合楼控系统实现能源系统自主运行，构建建筑能源互联网。系统可实现分布式发电、储能、负荷等的监测、调控功能，并可联动空调、电动遮阳帘、照明等调节室内环境参数，以实现恒定潮流控制及自平衡控制。系统具备微电网启停控制、运行模式切换、上网功率控制、稳定控制、储能系统控制等功能。可最大限度消纳可再生能源发电，提高运行效率，降低整体用能成本，实现多能互补和供需互动，并提高整体供电的可靠性。

正常运行时，光伏逆变器处于MPPT模式，储能PCS处于P/Q模式，依靠储能系统的充放控制及部分负荷的调控，微网并网点处可根据需求实现定功率、限功率等运行策略，匹配负荷需求，可以实现并网点处功率自平衡运行策略。

如果上级电源突发故障，系统可实现离网运行，此时并网点接口测控保护装置检测到电网侧失电，断开进线开关，由微网运行控制器实施黑启动运行策略：先无载启动储能PCS，工作于V/F模式，再相应启动光伏、投入一定容量的重要负荷，整个微网经历停运-黑启动-离网运行状态。

7 成果及经验

项目经近零能耗优化后，建筑综合节能率为61.12%，其中建筑本体节能率49.34%，其余综合节能率均由光伏微电网系统支撑。具体评价结果见表 3。

本项目建筑能效指标表 表3

通过微电网技术的集成运用，本项目在建筑近零能耗设计方面收获如下经验：(1)近零能耗建筑应充分利用周边可再生资源，可采用BIPV、半片叠瓦技术高效光伏、追踪光伏等技术，在提升建筑可再生能源利用率、建筑综合节能率的同时，向产能建筑靠拢；(2)电储能系统的配置、运行策略需根据建筑用电负荷、使用业态、可再生能源发电量等条件进行综合对比分析，在满足智能微电网可靠稳定运行的同时，控制投资及运维成本；(3)设置可再生能源发电的建筑，建设智能微电网，可实现网络潮流优化，实现对可再生能源发电功率波动的平抑，动态调节无功电压，在网络正常运行状态时实现经济优化运行，在配电网故障状态下优先保障重要负荷的供电，提高系统的可靠性。

8 结束语