建筑“光储直柔”配电系统设计要点浅析

张 强

(中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司, 江苏 南京 211100)

0 引 言

在“双碳”目标的背景下,建筑行业的节能减排压力巨大。2020年全国建筑全过程碳排放总量为50.8亿t CO2,占全国碳排放的比重为50.9%。建筑全过程碳排放包括建材生产、建筑施工和建筑运行3个阶段。2020年中国建筑全过程碳排放总量及占比情况中,建筑运行阶段碳排放为21.6亿t CO2,占全国碳排放总量的比重为21.7%,建筑运行的节能减排是实现“双碳”目标的重要一环[1]。《2030年前碳达峰行动方案》中指出:“建筑深化可再生能源建筑应用,推广光伏发电与建筑一体化应用……提高建筑终端电气化水平,建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的‘光储直柔’建筑。到2025年,城镇建筑可再生能源替代率达到8%,新建公共机构建筑、新建厂房屋顶光伏覆盖率力争达到50%。”

目前,国内学者对“光储直柔”配电系统已展开了初步研究,也建成了一些示范性建筑,但总体来看仍处于探索阶段,本文探讨了“光储直柔”建筑电气的设计方法,就一些关键技术提出分析思路。

1 光储直柔建筑电气系统概述

建筑的“光储直柔”配电系统:“光”指结合建筑安装的光伏发电系统;“储”指布置于一处或多处的储能装置(蓄电池组),以及不仅作为负载,还可根据电网调动情况灵活调整充放电策略而作为储能装置的电动汽车蓄电池;“直”指建筑内配电系统以直流微网作为架构主体,直接连接光伏发电单元、储能单元及直流负荷,减少了光储系统以交流微网为架构主体而大量使用的逆变装置,提高了系统整体的运行效率;“柔”指该直流微网,通过直交变换装置连接外部电网后,不再是单纯消耗能量而不可调节的刚性负载,而是因为具有分布式电源、储能装置及可调负荷且具备可调能力,能根据电网供需关系在较大范围内调整用电量的柔性负荷[2]。

“光储直柔”配电系统典型架构如图1所示。

图1 “光储直柔”配电系统典型架构

“光储直柔”建筑的电气设计主要包含以下内容。

(1) “光”。根据建筑外形环境等选择合适的光伏组件类型、数量,确定安装方式及装机容量,设计合理的组串、汇流、变换及接线等电气方案。

(2) “储”。按照光伏发电消纳分析、移峰填谷效益分析等能量管理策略确定分布式储能容量,选择适合建筑的蓄电池类型及安装方式,设计系统接入等电气方案;设计具有V2G功能的电动汽车直流充电桩的合理接入方式。

(3) “直”。根据光伏单元、储能单元及直流用电设备的情况,综合确定低压直流微网的电压等级和拓扑结构,尽量减少变换次数,使系统高效、安全、可靠和经济。

(4) “柔”。高效的能量管理系统,不仅可以提高光伏发电的消纳率、合理利用储能充放电稳定直流母线电压及实现电价峰谷套利,还能响应电网侧需求成为可调的柔性负载。

2 光储直柔系统设计的关键要点

2.1 光伏发电系统设计

光伏发电系统在建筑上的安装形式一般分为两种:① 光伏组件自身作为建材与建筑有机结合,比如光伏幕墙;② 光伏组件作为设备直接在建筑物上安装,比如屋顶架设的光伏板[3]。两种类型的结合方式使用的组件材料不尽相同。

2.1.1 光伏组件的选型

太阳能光伏电池分类如图2所示。

图2 太阳能光伏电池分类

晶体硅电池是目前的主流产品,其中单晶硅电池本身转换效率较高,多晶硅电池制备成本相对较低,一般屋顶光伏组件采用晶体硅类型;薄膜涂层电池具有薄、柔性及半透明等特点,可以结合幕墙使用在建筑光伏一体化设计中。此外,还有染料敏化光伏电池、钙钛矿光伏电池、有机太阳电池及量子点太阳电池等新型光伏电池技术较为热门。

2.1.2 光伏组件的串并联方案

光伏方阵由光伏组件通过一定串并联规则组成,同一组件串中各个光伏组件的电性能参数宜保持一致,串联数可以按照下列公式计算:

(1)

(2)

式中:N——光伏组件的串联数;Vdcmax——逆变器允许的最大直流输入电压;

Voc——光伏组件的开路电压;

t——光伏组件工作条件下的极限低温值;

Kv——光伏组件的开路电压温度系数;

Vmpptmin——逆变器MPPT电压的最小值;

Vpm——光伏组件的工作电压;

t′——光伏组件工作条件下的极限高温值;

Vmpptmax——逆变器MPPT电压的最大值。

选用某610 Wp N型单晶硅组件试算组串数。610 Wp N型单晶硅组件参数如表1所示。

表1 610 Wp N型单晶硅组件参数

逆变器选用50 kW组串式逆变器。50 kW组串式逆变器参数如表2所示。

表2 50 kW组串式逆变器参数

将表1和表2相关数据代入计算公式(1)和(2),可得到如下结果:

5.3≤N≤18.2

组串数还需考虑工程实际情况,比如光伏组件的排布、汇流、安装条件等因素,一般N为偶数布置时更加对称和方便。

2.2 储能系统设计

2.2.1 蓄电池种类的选择

储能是通过物理或化学手段将电、热等形式的能量储存起来,在出现用能需求时释放的过程。目前化学储能技术主要包括锂离子电池、铅酸电池、液流电池和钠硫电池。铅酸及铅炭电池充放电倍率较低;全钒液流电池能量密度低,占地面积大,系统配置容量很大时才具有经济性;钠硫电池需要高温运行,安全风险较高,对环境有一定影响。一般建筑配置储能主要考虑锂电池。锂电池的主流产品包括磷酸铁锂电池、三元锂电池和钛酸锂电池。3种锂离子电池技术参数对比如表3所示。

表3 3种锂离子电池技术参数对比

磷酸铁锂电池技术成熟,国内生产厂家众多,示范项目选用较多,成本较低,一般可作为建筑光储系统的首选类型。

2.2.2 蓄电池容量的配置策略

微电网的储能装置设计最重要的是确定配置容量。光储直柔配电系统功率流向示意图如图3所示。

图3 光储直柔配电系统功率流向示意图

根据电力供给与需求平衡关系,可以得到储能系统的实时充/放电功率:

Pbat=Pgrid-(Pload-PPV)

(3)

式中:Pbat——正值表示蓄电池充电功率;Pgrid——电网提供的功率;Pload——建筑用电负荷功率;PPV——光伏发电功率。

如果考虑储能解决建筑一天内的平滑光伏出力或者移峰填谷,那么对式(3)进行0～24 h逐时积分可得到蓄电池容量[4]:

(4)

蓄电池组的功率和容量配置与能量调度策略息息相关,容量配置的基本原则是:光伏发电系统优先满足建筑负载,当光伏发电量大于本地用电负荷时,余电优先对电池进行充电而不上电网;当光伏系统发电量不能满足建筑负载,在电价较高时优先使用储能系统内电量,电价较低时优先使用电网供电,同时对电池充电[5]。

储能配置容量也与系统的“柔性”,也就是系统对电力供需平衡的调节潜力直接相关。更高的储能容量配置可以使建筑在更大范围内配合电网的调度需求。总体而言,储能配置容量需根据项目土建条件、负荷需求、光伏发电量、电价政策、投资与回收的经济性等因素综合考量后确定。

2.2.3 储能系统的安装

GB 51048—2014《电化学储能电站设计规范》将锂电池、铅酸和液流电池室的火灾危险性类别都归为戊类,但从实际情况来看,受热、过充、外部刺激等情况可能导致化学反应,产生中间产物,进而发生热失控和爆燃;当电池安全阀起动释放的可燃气体集聚,遇高温、明火易发生爆炸[6]。民用建筑内配置储能需考虑人员密集、运维管理人员不专业等问题,一般不考虑在室内设置较大规模蓄的电池装置。国内比较流行的做法是使用室外安装的预制集装箱式储能装置。一般储能舱内包含隔离变压器、变流器、蓄电池、温控系统、能量管理系统、消防系统等。储能预制舱的平面布置图如图4所示。

图4 储能预制舱的平面布置图

2.3 直流微网的构建

光储直柔系统从架构上看可以认为是一种直流微网。直流微网的主要特征是系统中的光伏发电单元、储能单元、直流负荷单元等均通过电力电子变换装置连接至直流母线,微网再通过逆变装置连接至外部交流电网。直流微网兼具了直流配电和微型电力网的特点和优势,主要包括以下几个方面[7]。

(1) 直流微网相比交流微网,可以减少光伏等直流电源的逆变环节、直流电器和变频电器的整流环节,但同时增加了直流系统与外部交流电网双向互动的整流逆变环节。总体来看,分布式直流电源发电消纳量越大、直流负荷用电量越大则系统整体效率越高。

(2) 直流供配电系统能量平衡控制不需要考虑相位角、频率、无功补偿等问题,基于直流母线电压的能量控制策略简单、高效。

(3) 当公共网络发生故障或者电能质量明显下降时,直流微网可以迅速断开PCC处并网开关而由内部分布式电源供电,提高了供电可靠性。

(4) 直流电相比于交流电具有更高的安全性,比如能诱发相同心室纤维性颤动概率的交流电流方均根值远高于直流电流值[8]。

2.3.1 直流负荷

现有负载都是为交流系统设计的,其在直流配电系统中的兼容性分析如下:① 阻性类负载。分为发热负载和白炽光源负载,这类负载可以在交流和直流两种电源下工作。② 旋转电机类负载。分为感应型电动机(电冰箱、洗衣机等)负载和交直流两用电机(家用食品搅拌机、吸尘器等)负载。其中,交直流两用电机可以在直流条件下工作;而感应型电动机是交流电机,虽无法直接接入直流电源工作,但目前很多感应电动机因调速需要,由变频器供电,此时可直接接入直流电源工作。③ 电力电子类负载。分为开关电源负载和电子镇流器荧光灯。开关电源通常可以工作在直流电源条件下,并呈现出恒功率特性。电子镇流器荧光灯电路主要由整流和高频逆变两个环节组成,也可以在直流电源下正常运行,并呈现出恒电流源特性,通常的工作电压范围是120～300 V[9]。

由此可见,建筑低压负载采用直流配电系统前景较好。直流插座负荷调研表如表4所示。

表4 直流插座负荷调研表

目前,已经有不少产品在直流实验室和直流示范工程中得到应用和效果验证,但由于行业标准不完善和市场规模不大,直流配电设备尚未有大规模的生产应用。

2.3.2 直流电压等级的选择

选择系统的直流电压等级首先需要区分系统架构,即按照直流母线极性分为单极系统和双极系统。单极/双极直流母线示意图如图5所示。

民用建筑直流供配电系统电压等级推荐如表5所示[10]。光储直柔系统中值得注意的电压等级有750 V、375 V、220 V和48 V。几个直流电压等级的特点如表6所示[11]。其中,DC 750 V、DC 375 V、DC 48 V为T/CABEE 030—2022《民用建筑直流配电设计标准》的推荐值。

表5 民用建筑直流供配电系统电压等级推荐表

表6 几个直流电压等级的特点

2.3.3 直流V2G充电桩

电动汽车与电网互动(V2G)技术是指:在满足电动汽车充电需求的前提下,将电动汽车视作移动储能,当电网负荷或本地负荷过高时,由电动汽车向电网负荷或本地负荷馈电;当电网负荷或本地负荷过低时,可通过有序充电来调整负荷峰谷差[12]。V2G推广的主要挑战包括双向信息流的通信协议、充放电设备双向能量变换结构等技术的研发以及更复杂的多目标优化调控策略等。除此之外,放电对电池造成的损耗一直是车主参与V2G的最大顾虑。目前,国内已有V2G试点,如北京人济大厦V2G示范项目和北京中再中心V2G示范项目。

直流V2G充电桩的技术要求主要包括如下内容:具备恒流、恒压、恒功率、MPPT模式等多种充放电模式;充放电模式无缝切换;可根据设定的策略实现能量的流向,实现车辆充电、车辆馈电、车辆能量的相互补给等;可根据直流母线运行状态,自动调节充放电设备的运行状态,如降功率运行。功率控制器采用计算机控制,可获取充电终端车辆充电需求信息、功率模块状态信息及运行参数,并接收能量管理系统后台调度指令。根据车辆充电需求、功率模块和整流模块状态以及电网侧需求响应,进行集中整流与多路充放电的协同控制,按预定的控制策略实施对多个功率模块的输出功率分配和充放电参数调控。

2.4 系统的柔性

光储直柔配电系统的柔性关键在于变换器的选型及能量管理系统的设置。

2.4.1 变换器设备的技术要点

(1) 双向变换器(AC 380 V/DC 750 V)。双向变换器可实现交流系统与直流系统的互动,通过判断交流侧与直流侧的潮流可实现互备互用功能。其技术特点如下:① 交流输入与直流输出完全隔离;② 可远程就地接受调控指令;③ 输出电压设定;④ 内置防反保护,具备失效自隔离功能;⑤ 完善的故障自检测提示。

(2) DC/DC变换器(DC 750 V/DC 220 V)。DC/DC变换器装置利用电力电子变换技术能够实现直流保护和变换功能。针对直流母线接地、绝缘下降、交流窜入直流、短路和环网等问题,该装置能够准确查找出现故障的支路,同时发出故障报警信号;另外,由于装置带有隔离功能,还能实现故障的隔离,防止直流故障向上一级传递,减小了故障影响的范围。其特点如下:① 实现直流/直流功率变换;② 可远程就地接受调控指令;③ 输出电压、电流均可设定;④ 采用抽屉化结构设计,支持热插拔,可快速更换;⑤ 可并机使用,具有良好的扩展性、互换性;⑥ 带RS-485串口通信功能,遵循Modbus-RTU协议。

2.4.2 能量管理系统

能量管理系统(EMS)是根据园区光储柔直系统架构,布置光伏、储能、充电桩以及其他设备的信息采集和控制装置。采用微网专用高级控制器,架设工业通信网络实现数据实时采集传输。建立数据监控平台,把信息数据和自动化数据相结合,实现对系统下设备的监控。

能量管理系统负责系统中所有设备的监控和运行策略执行。系统的关键数据和控制都可以在EMS的界面上进行查看和下发。所有设备的异常告警信息都将被记录在EMS中,可以存储至少一年,以便于运维人员进行检修。

计算机监控系统的监控范围包括:① AC/DC变换器设备;② DC/DC变换器设备;③ 储能电池;④ 光伏设备;⑤ 直流负荷设备;⑥ 直流充电桩。

能量管理策略示意图如图6所示。该策略以充分利用可再生能源发电为目标,光伏发电一般工作在最大功率点追踪模式[13]。当光伏发电超过微网消纳能力,光伏由MPPT转为下垂控制模式,减少出力,使微网达到新的功率平衡。在并网模式下,储能作为从控单元以恒功率模式运行;在孤岛模式下,储能作为主控单元以恒压模式运行维持直流母线电压的稳定。AC/DC双向变换器一般工作在恒压模式,维持直流母线电压稳定实现能量的双向流动,在进行峰谷电价调节时转为恒功率控制。电动汽车在并网模式下作为纯负载消耗功率,在孤岛情况下变为双向负载。

图6 能量管理策略示意图

3 结 语

本文就建筑“光储直柔”配电系统的基本架构和工作原理做了概述,就光伏组件选型、组串数的计算、蓄电池的选型、储能容量的配置原则、储能系统的安装方式、低压直流系统的电压等级选择、直流设备调研、柔性能量管理系统的设备选型和调度策略等技术要点提出了设计思路,以期为该项技术的深入研究提供参考。