既有办公建筑供电系统的直流改造实践

蒋 锐, 刘 林

(四川省建筑设计研究院有限公司,四川 成都 610000)

0 引 言

在“双碳”目标大背景下,《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》中明确指出:“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”[1]。然而,目前“光储直柔”系统的应用局限在部分试点项目,未能广泛地推广。截至2023年7月,仅成都市办公楼市场全口径存量为2 331.9万m2,有巨大的存量空间来实现“光储直柔”碳达峰行动[2]。

如何在既有民用建筑的改造中,把“光储直柔”系统应用于建筑电气交流供电系统中,成为了存量建筑改造的新课题。针对供电系统,文献[3]对含多种分布式电源的交直流混合配电网进行了仿真研究;文献[4]提出基于多端口电能路由器的直流微电网典型拓扑结构,运行及测试结果表明,该系统可实现源荷储即插即用的接入,提高清洁能源的利用率,并保持安全、高效、可靠的运行,具有实际推广应用价值;文献[5]提出一种新的交直流混合配电系统网架结构规划方法,该方法考虑了网架交直流配置的所有可能性。文献[6]从民用的角度出发,对低压直流供电系统中涉及电气安全的保护策略、短路电流计算、直流灭弧问题、电容放电问题、电击防护、末端过电流保护和负载保护的特殊要求等方面的研究现状做了一个较为全面的阐述;相比于传统的纯交流规划方案具有更高的经济性和供电能力。

本项目采用交直流混合构架为光伏微电网系统供电。通过光伏系统的运行参数,从实践稳定运行的角度侧面验证了该系统的稳定性和可行性。运行数据与通过PVsyst软件对光伏系统进行仿真的数据进行对比分析[7]。

1 “光储直柔”系统难点分析

1.1 储能安全

既有建筑的电化学储能站房在设计层面缺乏有力的规范依据,无法清晰地定义储能电站的火灾危险性,因此无法为相关设计提供支撑。

目前,仅有部分地方规范有相关要求,具体项目需与项目所在地相关职能部门沟通协商后实施,存在权责方面的隐患,该问题亟待解决。

1.2 直流系统

T/CABEE 030—2022《民用建筑直流配电设计标准》对1 500 V及以下的直流配电设计进行了明确。但是,直流供配电系统与交流供配电系统如何在光伏建筑一体化建筑中合理地搭配,贯彻“光储直柔”建筑理念,直流系统架构的搭建等方面仍然存在需要解决的问题。直流电器、直流变换器等负荷设备未能规模化生产,经济性差亦制约了直流系统的推广。

1.3 柔性控制

目前,柔性控制系统在宏观的地区层面受电网调度、管理等影响,未能与各微电网贯通,亟须与地区电网合并控制形成地区级虚拟电厂[8-12]。

1.4 柔性控制现状

1.4.1 负荷的柔性控制

按照T/CABEE 030—2022《民用建筑直流配电设计标准》中第4.2条相关规定,仅三级用电负荷和建筑储能参与柔性控制。三级负荷按柔性特征可分为可中断负荷、可迁移负荷、可比例调节负荷。可中断负荷是指在用电过程中,可根据需求随时切断电源,停止运行的负荷,如自带电池的笔记本电脑、手机、平板,以及紧急情况下的不重要负荷;可迁移负荷是指在用电过程中,可根据需求调整运行时间的负荷,如空调、有预约功能的洗衣机、洗碗机、热水器等;可比例调节负荷是指在用电过程中,可根据需求消减或提升运行功率的负荷,如空调、照明以及建筑储能(含电动车)等[13-14]。可以在用电高峰时段根据负荷性质采取不同的控制策略,分时分区对设备进行控制。

1.4.2 储能的柔性控制

储能电池是直接储存电力的设备,它既可以作为建筑或者设备的备用电源,在电力供给故障时为建筑或者设备提供短暂的电力供给,还可以结合峰谷电价在低电价时段储存电力,在高电价时段释放电力,从而实现削峰填谷。蓄冷水箱或蓄热装置可以间接地储存电力,即把波谷时期的电能转化为冷量或者热量储存起来,在波峰时期释放。

1.4.3 电动汽车的柔性控制

电动车大部分时间停在住宅、办公、商业建筑周边的停车场。在充电桩设施健全后,电动车完全可以实现有序充电和双向充放电,与建筑用电负荷协同,利用冗余电池容量和循环次数可以为建筑提供柔性控制。

1.4.4 供电设备的柔性控制

目前在建筑电气设计过程中,装机容量普遍较大,在实际运行过程中,变压器的负载率偏低,具备柔性调整供电方案的空间。另外,项目的可调负荷亦未能根据总体供需关系调整,以减少用能需求。

在“光储直柔”系统引入后,可根据建筑既有楼宇控制系统的实时检测数据,对可调负荷进行控制,在负荷达到运行边界时,降低项目整体变压器投运数量,进而提高运行变压器的负载率,降低变压器损耗和基础电费。

2 实践和探索

在光伏建筑一体化改造项目中,对既有办公建筑供电系统的直流改造进行实践验证。

2.1 组件选择

为研究各种材质在当地的实际发电效率,本项目选择3种材质的组件进行安装。光伏组件安装情况如表1所示。

表1 光伏组件安装情况

单晶硅安装情况如图1所示。薄膜组件安装情况如图2所示。

图1 单晶硅安装情况

图2 薄膜组件安装情况

2.2 化学储能系统

采用一种基于场景线性化重塑的用户侧储能容量高效规划方法[15],结合文献[16],构建多网络节点的用户侧综合能源系统规划运行联合优化模型,对项目进行分析,该模型同时考虑设备配置优化、网络与储能优化以及可再生能源的充分利用,融合考虑季节变化和日内时序的运行优化。最终得到本项目最优配置为61.44 kWh。

2.3 交直流混合供电系统

本项目光伏发电各单元通过DC/DC换流器把电压升至DC 750 V后在母线汇集,直流空调设备直接采用DC 750 V系统电压为设备供电,屋面和零碳办公空间内照明设备分别通过DC/DC换流器把电压降至DC 220 V后对照明设备供电。各直流母线汇总,在楼层干线交流380 V低压并网。供电系统示意图如图3所示。该部分负荷避免了传统光伏供电系统“交-直-交”两次变流造成能源损耗,提高了系统的能效和可靠性,降低了经济成本。传统办公空间的负荷指标为30～70 W/m2,其中空调负荷指标约为40 W/m2,本项目在采用直流空调系统后空调部分负荷指标约为30 W/m2,降低约25%,在直流供电系统的加持下,经济效益显著。

图3 供电系统示意图

2.4 柔性控制系统

为减少投资、增强项目的可实施性,本项目仅对直流母线段的光伏发电量、储能容量与直流负荷进行匹配,暂时不考虑交流负荷参与下的动态平衡,亦不考虑地区级的虚拟电厂调度调节。仅通过对办公建筑楼宇管理系统的改造,达到直流段电能的动态平衡。

基于并网逆变器、储能管理系统的既有功能,制定控制策略。计算用户逐时负荷和建筑分布式光伏逐时出力,以便实现各类电源和负荷的合理容量配置。实时一、二级负荷分布、实时光伏系统发电量分布、实时可调负荷分布、实时空调蓄冷、热分布、实时蓄电池状态。采取范围内自我匹配消纳、节点检测控制的方式调整系统输入和储能输入、输出。电能流转示意图如图4所示。

图4 电能流转示意图

2.5 测试数据分析

项目涉及单晶硅、碲化镉(黑色)、碲化镉(橙色)、铜铟镓硒(黑色)4种材质,各组件产品参数如下:单晶硅组件产品标称效率21.10%,碲化镉组件产品标称效率14.06%,铜铟镓硒组件产品标称效率13.33%,北区单晶硅安装高度比其余组件高10 m,采用0角度敷设,等效峰值发电时间可作为各材质发电性能的对比。

取7月21日—8月8日的发电数据,分别对应7月、8月气象数据做对比分析。等效峰值发电时间统计表如表2所示。根据Meteonorm 8.1气象数据,系统效率按80%考虑,在5月的系统日等效峰值发电时间为2.86 h、6月的系统日等效峰值发电时间为2.89 h、7月的系统日等效峰值发电时间为2.91 h、8月的系统日等效峰值发电时间为3.24 h。

表2 等效峰值发电时间统计表

3 结 语

此次改造部分的空调和照明采用了直流供电,整个光伏系统采用自发自用、就地消纳、余电上网的理念搭建系统。直流设备的选用避免了传统光伏供电系统“交-直-交”两次变流造成能源损耗,提高了系统的能效和可靠性,降低了经济成本。

在直流供电系统的加持下,空调系统的用能降低约25%,经济效益显著,为后续全面推广零碳办公和光伏建筑一体化系统起到了建设示范作用。

通过对光伏系统PVsyst软件仿真数据与实测数据的对比分析,验证了光伏系统的稳定性和设计的合理性,同时对该交直流混合供电系统的稳定性和可行性侧面进行了验证。