基于“光储直柔”技术的智慧园区设计应用

江宇萌1，张玉婷2

（1.中交机电工程局有限公司，北京 100027；2.亚当森大学，菲律宾马尼拉 1000）

0 引言

随着国家战略上提出“双碳”发展目标，如何减少碳排放，助力国家早日实现碳中和，已成为各行各业发展的首要任务。建筑行业是电力能源消费的大户，截止2018年，建筑运行消耗的商品能源已到达10亿t标准煤，其中建筑运行消耗的电量已达到1.7万亿kW·h，占社会总用电量的26%［1］。这意味着，在绿色低碳发展的趋势下，提高可再生能源的利用比例，加大分布式光伏新能源的投资建设迫在眉睫，建筑电气化已成为必然趋势。江亿院士［2］提出的直流建筑概念能更好的做到“源网荷储”协同应用，“光储直柔”的建筑配电理念可就地高效消纳光伏，实现零碳建筑。国内首个全直流建筑深圳市未来大厦已于2019年完工，目前已投入使用，利用“光储直柔”技术实现绿色建筑的建设可行性进一步得到证实［3］。目前将“光储直柔”技术有机融合的示范项目依然很少，但未来绿色低碳建筑的发展趋势实属必然［4］。随着光伏发电的普及，建筑光伏一体化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）各种新型发电技术的兴起，储能与低压直流配电技术的进一步成熟，柔性负荷的用电能动性逐步灵活可靠，通过供给侧削峰可减少约15%的碳排放，“光储直柔”新型技术应用于建筑领域实为实现碳中和的一个有效路径。本文在智慧园区的方案设计中应用最新的“光储直柔”技术，可实现园区可再生能源100%本地全消纳，分布式资源接入类型全覆盖，用户友好双向互动。

1 “光储直柔”的优势与特点

1.1 技术简介

在未来新型智慧园区的可再生用能比例持续提高下，“光储直柔”技术可分解为光、储、直、柔4项新技术［5］。“光储直柔”的系统整体如图1所示。

图1 “光储直柔”系统整体示意图

“光”指的是发电端电源侧采用分布式光伏发电技术，采用屋顶分布式光伏或建筑光伏一体化技术。其中BIPV技术将光伏与建筑完美融合为一体，既能高效吸收太阳能转换电能，也能将透光、遮阳与光伏有机结合，增加整体展示度，是未来建筑和能源系统的融合发展趋势［6］。受益于光伏行业的蓬勃发展，光伏组件的成本在逐年降低，但BIPV技术还处于初期发展阶段，随着未来技术更加成熟，更为大众所接受后，投资收益会有显著改善。

“储”指的是新型中低压配电系统中的储能部分，通过多种储能形式进行可循环电能存储、电能变换以及电能释放。储能不仅仅承担着削峰填谷的角色，更重要的作为智慧园区能源灵活调度的中转站，优化负荷曲线，提升电能质量，提高供电可靠性。随着分布式光伏与新能源汽车的融合发展，光储充一体站的应用被逐步推广，未来储能技术的多维度发展更加迅猛。我国2050年的电化学储能容量有关预测能达到3.2亿kW［7］。

“直”指的直流配电技术，也是“光储直柔”技术的核心与动因。随着电源侧与负荷侧直流化程度越来越高，越来越多的建筑采用全直流配电或交直流混合配电系统。从新能源光伏的利用角度来看，采用分布式光伏技术的建筑电源侧为直流电，宜采用直流配电；从负载角度来看，传统灯具逐步被LED灯具所替代，各种电器与数字化设备也都是直流负载；从储能来看，大部分储能电池也都是输出直流电［8］。

“柔”指的负荷用电的灵活性，并且与电网实时交互，既能实现柔性用电，也是电网的实时备用灵活电源。特别是目前电动汽车的光伏使用，光储冲一体站的大量推广，电动车犹如小型充电宝一样，既是直流负载，也是小型直流电源，随时可对电网进行能量回馈。

1.2 技术优势

“光储直柔”技术利用“源网荷储”理念从建筑供能侧、传输侧、储能侧和用能侧进行全面优化。其中供能侧可提高可再生能源用能比例，全面就地消纳光伏能源，做到低碳、零碳供给；传输侧采用直流配电，系统效率得到很大提升，可省去较多整流AC/DC与逆变DC/AC等电力电子变换设备［9］，用户的安全性与使用便捷性也能得到很大提升，电气系统控制也会更加简单，母线电压允许更大范围的波动，实现供电可靠性的解耦；储能侧更容易在未来助力电动车实现能量的双向流动，不仅满足充电的需求，更能实现放电短暂供给；用能侧通过负荷与光伏、储能的动态匹配更容易实现与电网的柔性交互。

2 “光储直柔”系统设计

2.1 可行性分析

雄安新区在“绿色建筑发展的指导意见”与“上层规划纲要”的要求中，提到大力发展BIPV技术在建筑中的一体化应用，构建光伏薄膜发电系统与直流建筑，创建以太阳能与燃料电池耦合的智慧能源系统。这为“光储直柔”系统在雄安的应用试点奠定了良好的政策基础。

雄安光照资源具备开发潜力，国家气象局资料显示雄安年总辐射量为1450～1500（kW·h）/m2，属太阳能资源“丰富区”，可开发量约9000万kW。考虑屋顶分布式光伏作为可再生能源发电，采用BIPV、风光路灯等技术，作为示范项目进行建设。

并且随着分布式电源、BIPV、用户侧储能的大量接入以及对电能质量和系统整体效率要求的提升，直流系统具有更少的传输损耗，便于光伏、储能和充电桩装置的接入，对于绝大多数负荷，能够减少电能变换次数，提高用电效率［10］。光储直柔系统中增加了低压直流母线，通过AC/DC双向变流器构建出直流微电网，将直流负荷接入直流微电网中，从而减少电能变换环节，在结构上更加稳定，安全性更强。因此，考虑在雄安智慧园区中进行光储直柔配电方案的建设。

2.2 关键技术

2.2.1 BIPV技术

园区建面约11 339 m2，用能端主要在于冷水机组、空调、照明与充电桩上，根据建筑尺寸及设计组件串联数合理选择组件尺寸，理论上应选择大板组件减少安装工作量，同时考虑建筑的隔热供暖和成本因素，本项目采用100 Wp发电窗隔热光伏组件。相关参数如表1所示。

表1 100 Wp发电窗隔热光伏组件技术参数表

BIPV预估建设面积约2 680.3 m2，考虑安装面积损失及光伏幕墙间隔，预计可安装发电窗隔热光幕墙2400片，每片100 W，装机容量约240 kW，每8块100 W组件组成1个光伏组件串，每60串接至能源路由器一个DC/DC输入端口，再通过能源路由器输出端汇总5个光伏DC/DC输出口。光伏运行策略采用“本地消纳，余电上网”的思路，同时配置相应容量的储能系统对多余光伏电能进行存储，配合充电桩、储能进行源网荷储本地内循环。

2.2.2 储能系统

根据各种电芯安全性对比，磷酸铁锂材料热失控概率小（热失控温度在800℃以上），安全性能好，其释放热量温升较慢保证了系统安全。因此大型储能电站应该选择磷酸铁锂材料的储能电池，本项目选用的磷酸铁锂电池，其电芯规格为3.2 V/280 A·h，参数如表2所示。

表2 储能电池参数表

储能系统的设计原则为“光伏消纳、紧急备电、多能互补”，本项目展厅电负荷密度与一般商业楼宇比较低，电负荷密度暂取80 W/m2。建筑面积为11 339 m2，考虑最高充电同时率70%，预计最高负荷为1.327 MW，雄安地区平均每天光照时间为4.32 h，综合考虑光伏光照强度、时长、基本负荷、充电桩负荷情况以及地下停车厂的安装空间等，预计储能系统的配置容量为750 kW·h，分为5个150 kW·h的储能集装箱分布式安装在地下停车场，分别与光伏、能源路由器、充电桩组成分布式光储充一体化能源舱，并同时将5台能源路由器直流输出侧并联，组成光储直柔系统。

2.2.3 能源路由器

能源路由器是一种具有多端口柔性互动、敏感负荷电能质量管理、直流组网等功能的交直流配电网关键设备。多端口柔性互动可以实现所连接的多条交直流馈线之间的能量功率互动互济，灵活地支撑交流母线、直流母线上接入的发电设备和用电负荷，融合上层管理，实现交直流配电网内电能的动态管理。针对敏感负荷的电能质量保障需要，从电压、电流等多个方面对电能质量进行全方位的管理，实现高品质供电，降低分布式发电、突发负载的影响。同时，能源路由器可以实现直流组网，为光伏、储能等直流发电单元和直流负载提供稳定可靠的接入点，是光储直柔系统中的关键能量流设备。

考虑光储直柔系统的能量互联互济，本设计中须采用一台能源路由器，能源路由器装置在物理上能实现交流电网和直流用电网的连接，具有10个DC/DC功能模块、一个DC/AC功能模块，分别具备10个直流端口和一个交流端口，直流端口用于储能系统以及光伏系统的接入，交流接口用于并网。能源路由器信息采集如表3所示。

表3 能源路由器信息采集表

柔性调控策略的关键在于电力电子变换器的控制策略［11］及换流器的控制算法。可采用传统PI控制，也可采用新型无源控制算法及电压外环PI、电流内环无源控制结合的算法［12］。利用鲁棒性好、动静态性能优秀的控制策略来进行柔性调控，确保电压的稳定输出和抗干扰能力。

3 社会经济效益评估

3.1 经济效益

采用光储直柔方案后，配电网的经济性得到显著提高。以雄安新区智慧园区光储直柔建设为例，BIPV总装机容量240 kW，储能750 kW·h，年均发电量预计为120万kW·h，年累计节省电费约23万元，亦可收到政府的光伏补贴。

“光储直柔”技术通过源网荷储协调互动系统，实现园区内新型主体统一控制、灵活互补，充分发挥新型主体在电网移峰填谷的调节性能，在夜间用电低谷取能，降低运行费用，在用电高峰期亦可售电产生收益。

3.2 社会效益

“光储直柔”技术的使用使得配电网的安全性进一步提高，园区能源系统的韧性高（可独立于大电网运行数小时或数天），可自治、可自愈，具备自启动自恢复能力。因地制宜地建设分布式光伏，结合储能、蓄能配置定制化智能微电网，可实现园区零碳绿电自发自用，同时减少碳排放，年节约480 t标准煤，少产生1196.4 t二氧化碳，实现绿色低碳节能目标。

4 结束语

目前国内外“光储直柔”的应用案例依然较少，仍处于全新的探索阶段。本文在雄安智慧园区设计中融入新兴技术，预期能取得良好的社会经济效益。但受目前技术人员的研发能力、投资成本等条件制约，其应用价值与范围还有极大的提升空间。在未来随着技术的逐步成熟，社会认可度的进一步提升，可创新落地更多示范项目。相信随着成功应用的案例逐步增加，社会的普及度持续提升，“光储直柔”技术必将在智慧能源领域引起重大的影响，推动建筑绿色低碳产业链循环发展，助力国家早日实现“双碳”发展目标。