“双碳”背景下电气新产品新技术的应用实施

曹承属， 曹方莹

(华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002)

0 引言

在全球化石能源紧缺以及生态环境日益严峻的形势下，中国提出“双碳”战略，推进能源结构调整，推动绿色技术创新，倡导绿色、节能、环保、低碳的生活方式。 可再生能源、新能源汽车、智慧能源管理等技术广受关注并取得了长足的发展。

当“绿色建筑”撞上“智慧建筑”，以绿色能源应用为基础、以节能减排为目标、以能源监管为手段的绿色发展才是可持续发展之路。

1 微电网系统

微网系统，是指由分布式电源、能量转换装置、储能装置、监控和保护装置、负荷等组成的小型发配电系统。 随着光伏建筑一体化技术的发展，光伏发电系统在民用建筑中大量应用。 光伏发电系统作为分布式新能源系统，在一定形式上即为直流微电网系统。 它可以作为可控单元与电网并网运行，也可离网独立运行，如图1 所示。

图1 含光伏发电和储能装置的直流微电网系统

巨大的用电峰谷差是民用建筑的用电特点，而庞大的用电高峰又迫使电网及电厂装机容量大、投资增加，而用电低谷期时，电网及电厂的低负载运行又使能源利用率低。 基于建筑内的大量直流用电设备的使用、储能技术的飞速发展、信息通信技术的不断突破，可考虑建筑直流供电系统和储能装置的电力系统建立，能够使民用建筑设备用电就地充分消纳可再生能源电力，对电网取电实现移峰填谷，降低峰谷差，为城市、社会和环境的可持续发展作出贡献。

微电网系统的关键参数为储能电池的容量，如果容量选型过小，无法实现移峰填谷消除峰谷差及对可再生能源充分利用，同时过充电和过放电也将对系统造成巨大损失；如果容量选型过大，则会增加初始投资成本，影响系统的经济性[1]。

微电网的运行策略主要有以下几类。

(1)市政电网恒功率取电模式，即建筑以恒定不变的功率从市政电网取电，当负荷用电功率大于取电功率时，储能电池放电；反之储能电池蓄电[1]。虽然系统简单易行，但灵活性不够，若负荷用电增加，系统扩容不易。

(2)需求响应模式，即建筑微电网系统响应市政电网用电指令，当建筑负荷用电功率大于市政电网用电限值时，储能电池放电补充电网供电不足部分。 当负荷用电较小时，储能电池蓄电[1]。 该系统较为简易，市政电网供电的波动性对微电网的影响较大，对储能电池容量的选型有较大难度。

(3)自调度模式，即建筑微电网系统根据储能电池容量和当地电网分时电价灵活从市政电网取电。 低谷电价时，储能电池蓄电；波峰电价时，以储能电池最大功率放电，可以实现电费最低、最经济的运行模式。 系统较复杂，需要解决储能容量与电费最低相结合的优化问题，动态规划实现最优运行方式。

2 直流电能路由器

微电网系统要想实现最优运行方式，需借助电能管理系统及可靠稳定的控制设备。 电能管理以通讯方式监测微电网需要测量且可测量部件的电气、温度等参数，进而对微网状态进行判断，然后根据判断进行发生报警、停机、启动、潮流调节、柔性联动控制等信息或指令；并且可以与外界上一级能量管理系统交互信息，也可以接受上一级指令条件运行状态(如与市政电网交换功率大小、方向)。 微电网电能管理通讯/监控系统架构图如图2 所示。

图2 微电网电能管理通讯/监控系统架构图

电能路由器是将微电网系统电控部分集合成一体的配电装备，是带有智能能量管理的多端口变流器。 它借鉴了信息路由器的理念和功能，可以将新能源发电、储能、负荷便捷接入，并控制电能分配和保护的中枢，利用微电网运行控制器进行潮流控制和算法保护，达到可再生能源利用最大化，实现新能源发电的控制、并网控制、微网功率控制、系统监控、配电保护，同时实现后备电源(EPS)等功能。

直流电能路由器组网型交直流微网与光储一体机及传统逆变器组网型交流微网的优势比较[2]，详见表1。

表1 直流电能路由器组网型交直流微网与光储一体机及传统逆变器组网型交流微网优势比较

3 智慧物联充电系统

在政策的推动下，目前新能源汽车在我国呈井喷式发展。 其配套设施充电站(桩)的规划建设也在政策规定下不断兴建。 同时，为满足人们高速的生活节奏，快充的比例也在不断的提高，导致建筑申请的用电容量巨幅提升，但常出现一段时间内，大量充电桩资源闲置浪费，同时造成变压器容量设置浪费的现象。 另一方面，由于充电桩位置较分散、单一建筑内充电桩数量有限以及缺乏整体调度等问题，充电汽车充电的便捷性受到严重影响。

基于智能充电桩的电动充电系统集合5G、人工智能、物联网、云计算等信息化技术，通过运用智能充电桩进行数据参数采集，运用信息通信技术完成信息交互并上传管理平台，再由平台对数据进行实时处理分析。 它能实现主要功能有:(1)集合多区域建筑充电信息，实施可视化，精准定位；(2)利用智能充电桩的功率调节功能，为建筑配电提供灵活性；(3)结合微电网以及建筑柔性用电技术，促进建筑光伏的就地高效利用，采取削峰填谷，改变建筑负荷运行规律；(4)通过有序充电技术，避开用电高峰，在保障电力安全的同时还可以让用户享受低电价[3]；(5)当有大型用电设备或大功率用电时，采用有计划地报备工作制等技术或管理，使之能满足建筑自身的用电使用需求，又能提高供电的可靠性和经济性；(6)通过双向充放电技术，电动汽车还可以在用车需求之余，利用富余的电池容量为微电网存储剩余电力或反向输出电力，充当可移动的蓄电池设备[3]。

4 结束语

直流微电网的建立，可降低建筑对市政电网的用电需求，是一种综合能源系统，提供多能源供需互动技术的同时，还能促进分布式新能源、储能电池和直流负载间的连接更为直接、便捷、节能。 直流电能路由器与智慧物联系统的结合，能够有助于配电系统电能的高效分配，实现绿色能源管理，加速推动绿色建筑、绿色城市的建立。