智能微电网在BIPV 建筑上的应用研究

张腾，左元成，卢育发

（1.安徽天柱绿色能源科技有限公司，安徽 蚌埠 233000；2.安徽电子信息职业技术学院，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

2021 年3 月15 日习近平总书记在中央财经委员会第九次会议中提出，我国力争2030 年前实现“碳达峰”，2060 年前实现“碳中和”，构建以新能源为主体的新型电力系统。基于我国自然条件情况，建筑部门要实现 “双碳” 目标，光伏建筑一体化（Building Integrated PV，BIPV）不可或缺。

1 智能微电网

智能微电网指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负载、监测及保护装置等构成的发配电系统[1]。智能微电网运行模式主要有并网和孤岛两种模式，其中并网模式指智能微电网与配电网并网运行；孤岛模式为智能微电网在检查到电网故障或电能质量达不到要求的情况下，智能微电网立即从电网断开，独立运行[2]。BIPV 建筑智能微电网可以作为一个可定制的电源，有效地解决分布式能源接入电网的问题[3]，并实现微电网与用户的双向互动，满足用户多元化需求，增强局部供电可靠性[4]，降低馈电损耗，提高一次能源利用率，提供电压下陷的校正或作为不间断电源，促进电网的节能减排。

本文研究的智能微电网系统为交流微电网，研究内容主要包括BIPV 建筑光伏发电系统、磷酸铁锂电池储能系统、负载等，其系统拓扑结构图如图1所示。

图1 智能微电网系统拓扑图

1.1 BIPV 建筑光伏发电系统

通过市场调研表明，目前BIPV 光伏组件主要分为彩色晶体硅组件、彩色异质结光伏组件、铜铟镓硒薄膜光伏组件、碲化镉薄膜光伏组件和钙钛矿光伏组件等[5]。考虑光伏组件应用在墙面需兼具建筑节能与美观双重特性，目前墙面光伏组件应用较多的主要以薄膜光伏组件为主；考虑建筑美学性能，可选择部分彩色光伏组件；建筑屋顶从成本、发电量等因素考虑，建议安装晶硅组件。根据安徽天柱绿色能源科技有限公司（以下简称安徽天柱公司） 在蚌埠市承建并投运的BIPV 建筑项目进行光伏发电统计分析，BIPV 建筑南墙立面发电效率为屋顶发电效率的60% ～65% 左右，东西墙立面发电效率为屋顶发电效率的50% ～55% 左右,北墙立面发电效率为屋顶发电效率的20% ～25% 左右。

以安徽天柱公司两栋BIPV 建筑、光伏车棚等为例，其光伏装机规模共计约275 kW 左右，因光伏系统装机规模较大，且其又无连续性生产负载，仅为办公及宿舍食堂用电。通过分析BIPV 建筑光伏发电量和负荷用电需求[6]，要建设近乎零能耗BIPV建筑[7]，还存在约330 kW·h 电量缺口。

1.2 负载

本课题研究以单体BIPV 建筑办公楼或研发楼为例（以下简称BIPV 建筑），BIPV 建筑用电设备主要包括照明设备、电脑、通风空调设备、电梯和充电桩等[8]。通过统计用电分析，冬夏季节其主要负载为照明设备、电脑和通风空调设备；春秋季节其主要负载为照明设备和电脑。其中照明设备为阻性负载，空调为感性负载，电脑为容性负载。在进行光储逆变器及储能电池容量配置时需充分考虑各负载特性[9]，配置电池系统，尤其是感性负载，瞬时启动功率是额定运行功率的3～7 倍。

1.3 磷酸铁锂电池储能系统

磷酸铁锂电池具有超长寿命、使用安全、大容量、绿色环保等特点，且国内磷酸铁锂储能在电化学储能领域占比已达90% 以上。因此，本课题选择磷酸铁锂电化学储能系统。

以安徽天柱公司BIPV 建筑为例，通过上述分析，为建设近乎零能耗用电需求BIPV 建筑，考虑储能系统的充放电损耗及电池容量衰减，储能电池总容量约为360 kW·h；因白天光伏发电功率与负载用电功率最大相差为80 kW，考虑设备转换效率等因素，则配置的光储逆变器功率为100 kW。光储逆变器、储能电池等接入智能微电网[10]，由智能微电网根据光伏发电量、用电负荷需求和电价政策变化等因素，进行实时控制。

储能系统运行模式按下述方案进行设计。

（1）工作日运行模式。白天当光伏发电量超过用电需求时，储能系统为充电模式，存储光伏多发出的电量；其他时段储能系统根据负载用电需求进行放电，不足部分由市电补充。

（2）休息日运行模式。全天将光伏多余发电量储存。

1.4 智能充电系统

智能充电桩作为充电设备也是负载供电设备，其工作模式调整为在白天光伏发电时段以及夜间电价谷期，为公司或园区内电动车辆提供充电服务，降低车辆充电成本。

随着新能源车辆的普及，BIPV 建筑可在停车场处新增智能充电桩及光伏车棚，为企业增加光伏发电及新能源汽车充电服务收入。

2 智能微电网运行模式

微电网监控管理系统可查看各设备运行状态，如光储逆变器运行状态、光伏发电量、电池充放电量和电池运行状态等各种信息，同时根据实际情况调整运行模式[11]。

若BIPV 建筑光伏发电量存在余电上网，则在白天利用BIPV 建筑光伏系统给电化学储能系统自动充电，存储多余光伏发电量；在夜间或光伏不发电时段，电化学储能系统放电，满足负载用电需求；同时为保障重要负载供电可靠性，通过智能微电网可设置储能系统放电量不超过50%，使其同时作为不间断电源保障重要负载供电。

3 成本分析

以一个80 m×30 m×15 m 的BIPV 建筑为例，智能微电网投资成本分析如下。

（1）电化学储能系统为两充两放，峰谷套利模式。

光伏发电量小于负载用电量情况下，在低谷或平期电价时段对储能系统进行充电，峰期进行放电[12]；减少建筑负载电费支出。储能系统工作时间如表1 所示，相关收益测算如表2 所示。

表1 储能系统工作时间表

表2 收益测算表

由上述统计分析可知，若电化学储能采用两充两放，峰谷套利模式，则静态投资回收期约9 年，且通过更换储能电池后，在25 年寿命周期仍获得约983 万元收益，不仅可实现低碳建筑，还可获得部分收益。

（2）电化学储能系统为发电时移模式。

光伏发电量大于负载用电量情况下，将光伏发电多余电量进行存储，在光伏不发电阶段进行放电[5]。储能系统工作时间如表3 所示，相关收益测算如表4 所示。

表3 工作时间表

表4 收益测算表

由上述统计分析可知，若电化学储能采用发电时移模式，则在项目投资静态回收期较长，但可实现近乎建筑零用电能耗建筑。

4 结语

通过统计分析蚌埠已建BIPV 建筑光伏发电实际情况，证明BIPV 建筑发电效益比较可观，尤其是在具有专业运维的情况下，远超预期。搭建智能微电网，可实现BIPV 建筑近乎零能耗，为建筑部门实现“双碳”目标提供切实可行的技术方案；另因极端天气用电负荷增长，优先保障民生需拉闸限电，同时电化学储能的应用使得磷酸铁锂电池成本逐渐降低，智能微电网在BIPV 建筑的应用将进一步普及。