基于“光储直柔”技术的建筑大厦低碳设计与应用

摘要： 随着全球对节能减排和可持续发展目标的不断追求，含多能源配电的新型建筑成为现代城市发展的新趋势。“光储直柔”技术作为推动建筑能源系统革新升级的关键，通过集成光伏发电、储能系统、直流配电和柔性控制于一体，为建筑大厦电气设计提供了全新的解决方案。探讨了“光储直柔”技术在某建筑大厦设计中的应用，分析了其技术原理、系统架构、设计要点、控制策略，为“光储直柔”建筑大厦的低碳设计及实践提供思路。关键词： 光储直柔; 绿色低碳; 分布式能源; 能源管理; 柔性控制

中图分类号： TU852文献标志码： A文章编号： 1674-8417（2024）10-0031-06

DOI： 10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.10.006

0引言

随着能源危机与环境污染问题日益严峻，建筑领域的能源转型迫在眉睫。2021年10月24日，《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》中明确要求：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。在建筑中采用直流供电系统，便于光伏、储能等分布式电源灵活、高效地接入和调控，实现可再生能源的大规模建筑应用。促进建筑能源系统向低碳、智能、自给自足的方向发展［1-5］。

本文以某建筑大厦为例，基于“光储直柔”技术进行系统架构、容量配置、系统保护、控制策略设计，为“光储直柔”建筑大厦设计及实践提供思路和参考。

1光储直柔技术

基于“光储直柔”技术的建筑大厦电气系统是充分利用可再生绿色能源“光能”来驱动建筑内的用电设备，实现光伏、储能、用电负荷之间的动态匹配，并与市电网络友好对接，实现柔性用电以及供电等［6-8］。

建筑光储直柔配电系统原理如图1所示［9-12］。“光”是指分布式太阳能光伏，“储”是指分布式储能（包括电化学储能、蓄冷、蓄热等）及利用邻近停车场电动汽车储能电池资源，“直”指建筑内部采用直流供电，“柔”则是建筑“光储直柔”的目标，即实现柔性用电，使其成为电网的柔性负载或虚拟灵活电源［13-17］。

柔性的实现主要通过自动改变各用电设备的瞬时用电功率，从而改变从外电网供给直流系统的电功率。因此建筑“光储直柔”的最终目标是使得建筑用电可以根据电力系统的供需关系和电价波动随时调整用电功率。

其主要优势如下：

（1） 光伏发电直接消纳，因光伏及储能都是直流形式，减少能量变换层级、降低线路损耗，实现高效消纳。

（2） 交流电网、光伏、储能多能源接入，为负荷的供电可靠性提供保障。

（3） 配置储能电池，可平抑建筑用电峰谷波动、提高供电可靠性，同时具备电网侧需求响应能力。

（4） 储能的便捷接入优先实现峰谷套利提高收益，并解决电网暂降和中断时的问题，保证了负荷可靠供电。

（5） 具备离网运行功能，大电网因能耗双控进行限电时，光储直柔系统自己形成独立直流微网，由储能和光伏承担所有负荷，可按照负荷等级和设定用电策略，对负荷进行调度切除，供电优先顺序：优先利用光伏，其次再利用储能对负荷进行供电，同时也会增加光伏的发电小时数。

（6） 光储直柔系统的运行数据可观、可测、可控，同时支持虚拟电厂调度功能，可接受电网的调度，后期可根据自身的需求和电网的需求做需求响应，获取利益。

（7） 光储直柔系统运行控制简单，通过光伏、储能、负荷（照明、空调、充电桩等）的综合调控，实现建筑用能系统的自我调节和柔性响应，对外电网发电（或用电）功率波动小、可预测，大大减少了电网调度的难度。

（8） 采用直流配电系统提高用电安全性，同交流相比，人体耐受直流漏电电流的能力高2～4倍，而且通过系统接地方式的调整，理论上通过触电人体的电流可完全控制在安全水平内，彻底消除触电现象。

总而言之，建筑“光储直柔”使得建筑从传统能源系统中刚性消费者的角色转变为未来整个能源系统中具有可再生能源生产、消费、能量调度功能“三位一体”的复合体，这也是建筑面向构建未来低碳能源系统应当发挥的重要功能。

2光储直柔系统应用

某建筑大厦位于深圳市，包含两栋楼，大楼供电采用380 V进线。大厦负荷需求清单如表1所示。

由表1可知，系统电压等级分为750 V、600 V、220 V。总的用电功率约为350 kW。

2.1系统设计

根据大厦的负荷组成，整个大厦的“光储直柔”构建的微电网，在考虑极端情况下的场景，市电与直流配电系统之间的变换器的功率设置为400 kW。

2.2光伏系统

本文针对两栋建筑，进行光伏系统设计。通过对楼顶实地测量结合建筑图纸，计算确定两座楼的楼顶光伏可安装面积。光伏可装面积如表2所示。

本项目在楼顶安装的光伏采用单晶硅组件。光伏组件主要参数如表3所示。

根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》规定：光伏组件安装要保证全年9∶00～15∶00（当地真太阳时）时段内前、后、左、右互不遮挡，即冬至日当天9∶00～15∶00时段内前、后互不遮挡。

阵列前后间距计算方法如下：

太阳高度角： sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω;

太阳方位角：cosγ=（sinαsinφ-sinδ）/（cosαcosφ）;

阵列间距： D=Hcosγ/tanα

其中，H为阵列高度;φ为纬度;δ为赤纬角;ω为时角。

由于阵列高度为1.4 m，该大厦经纬度为东经114°，北纬22°35′，则D约为1.89 m。

根据全国各省市光伏电站最佳安装倾角、峰值日照小时数、每瓦首年发电量、年有效利用小时数速查表可知，深圳最佳倾角为17°。

结合光伏组件尺寸参数，屋顶情况排布，1号楼顶共计安装1 152块光伏组件;2号楼顶共计安装622块光伏组件。两栋楼楼顶光伏装机容量如表4所示。

由表4可知，预计两栋大楼光伏总装机容量为443.5 kW。根据全国各省市光伏电站最佳安装倾角、峰值日照小时数、每瓦首年发电量、年有效利用小时数速查表可知，深圳年有效利用小时数为1 089.96 h，由此可得该大厦的光伏年发电量为483 419.06 kWh。

2.3储能系统

目前新型电化学储能技术中适用最为广泛的是磷酸铁锂电池，其热安全性强、循环寿命长且成本低，是用户侧储能的首选。

储能系统的主要作用是对光伏发的电进行存储，在需要的时候释放，以满足建筑大厦的用电需求。因此大厦储能的配置主要考虑光伏消纳、保障重要负荷的用电需求及电池充放电特性。

（1） 直流负荷供电。根据前期设计，该大厦的空调、地源热泵、新风系统为重要负荷。因此为防止由突发情况导致重要负荷功率缺失，储能系统必须提供快速功率支撑，即储能系统放电功率Pbatd不小于重要负荷最大功率Pload。经计算，Pload约为100 kW，因此，Pbatd至少为100 kW。

（2） 光伏消纳。为提高储能利用效率，考虑储能与基础负荷共同消纳光伏发电，通过储能消纳负荷未消纳的电量。大厦除常规负荷外，还有240 kW直流充电桩，对于深圳来说新能源汽车在全国范围内占有率较高，其利用系数较高，按照0.7取值计算，则充电桩用电功率约170 kW;结合光伏发电时段建筑直流负荷需求，按照总负荷的70%利用率，则建筑直流负荷约为80 kW，整体建筑直流负荷需求约250 kW。443.5 kW光伏系统的发电效率按照0.8计算，光伏发电峰值功率约为350 kW，则在光伏高发时段就会存在100 kW的功率剩余，即需要充电功率Pbatc为100 kW储能系统进行消纳，参照深圳的光伏有效利用小时数，每天需要消纳时长约3 h，需要消纳电量约300 kWh。

考虑到运行安全等因素，接入直流配电系统配电母线的储能系统（布置于楼宇配电室）功率原则上不超过总配电功率的50%，考虑总直流负荷功率为350 kW，则储能充放电功率小于175 kW。

另外，按照电力储能电池的充放电特性，取容量与功率比为2设计，确定储能系统的配置为150 kW/300 kWh。

2.4直流配电系统

直流配电技术是光储直柔技术的核心，将建筑内空调、新风机组与照明设备等替换为直流负载，直接接入直流母排可以提高用电效率，避免了交直流电转换造成的能量损耗［18-19］。针对电压等级，T/CABEE 303—2022《民用建筑直流配电设计标准》中规定：建议电压等级不多于3级，并推荐采用DC 750 V、DC 375 V和DC 48 V，并根据设备接入功率需求选取适宜的电压等级。

由于大厦内已经确定的新风机组、地源热泵的电压需求为DC 600 V，照明和其他负载为220 V，虽然不是常规的电压等级，但为了适应设备电压等级的需求，本系统设计不同功率和电压等级的DC/DC变换器接入建筑直流配电系统，并通过直流母线与外部交流电网之间的AC/DC变换器连接，满足各类负载设备的需求。系统变换器模块参数如表5所示。直流配电系统如图2所示。

其中，光伏分布在两栋的楼顶，光伏变换器分别安装在各自楼顶。按照组件布局，1号楼通过5台50 kW的光伏变换器汇流后接入750 V直流母线;2号楼通过3台50 kW的光伏变换器汇流后接入750 V直流母线。

2.5保护与控制

随着分布式能源的快速发展以及电力负荷的结构变化，电源、负荷及储能等设备的直流属性日益突出，低压直流继电保护被认为是直流配

电网发展的“最后一千米”，按照被保护对象划分，主要为线路保护、绝缘监测保护、接地保护等［20-21］。为保证本系统的安全可靠运行，配置的保护设备如下：

（1） 直流绝缘监测。为防止系统发生绝缘下降造成人身安全事故，在直流母线侧加装直流主动安全监测装置。通过对整个系统的绝缘阻抗监视和测量，判断系统绝缘状况，并在绝缘阻抗低于设定值时实现和接地选线断路器的联动，从而实现对故障支路的选择（告警和跳闸）。

（2） 直流剩余电流监测保护。由于本直流系统电压等级与回路较多，为更好地判断各支路的对地绝缘状态，在各直流回路加装剩余电流监测装置，实时检测各线路（或支路）的漏电流，判断各支路的对地绝缘状态。同时与绝缘监测装置相互配合，完成故障支路的选线（告警和跳闸）功能。

（3） 直流线路保护。针对系统在运行过程中存在的低压过流、过电压、低（欠）电压等情况，在直流配电系统中加装直流线路保护装置，实现多条低压直流线路（或重要支路）的电流、电压、功率等测量及故障保护。

（4） 防逆流保护。本“光储直柔”系统的运行模式为自发自用、余电不上网。因此，为避免系统出现逆流，在现场变压器低压侧加装防逆流装置，实时监测电源及电压、电流数据，进行判断系统逆流情况进行逻辑控制。

（5） 协调控制器。协调控制器获取“光储直柔”系统内市电的功率约束、分布式电源的出力、储能状态、负荷需求，通过智能算法制定最优控制策略，优化控制储能、分布式光伏出力、负荷投退、电网互动及充电桩的有序充电等，实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，满足甚至提高用户对电能质量、电能可靠性和安全性等要求，实现用能经济友好。

2.6管理系统

“光储直柔”监控系统对整个直流系统进行数据监测、运行模式和潮流控制，实现柔性用电，同时对并网系统的数据进行采集和展示。光储直柔系统组网图如图3所示。

光储直柔监控系统除了实现系统内发电、用电设备运行状态监测、运行数据存储和分析、远方通信、储能/负荷运行状态实时监控与展示外，还具有针对建筑大厦的能量优化管理的功能，系统综合考虑光储直柔的优先级、舒适度和功率相似度，并基于光伏优先、互补调配原则，同时控制储能削峰填谷，提供应急模式实现备用容量管理和负荷主动减载。帮助建筑大厦实现绿色、低碳、经济性运行。针对该建筑大厦存在的情况，其优化控制策略描述如下。

并网时，光伏优先满足建筑直流负荷需求，若建筑直流负荷消纳不掉，再由储能进行充电消纳;若光伏不足以支撑建筑直流负荷需求，此时若处于尖峰（高峰）电价时段，优先利用储能进行放电补充，不足再由市电经PCS自动补充，以降低尖峰（高峰）时段的用电成本;此时若处于低谷电价，则优先利用市电进行补充，储能处于充电或待机状态，以实现系统峰谷套利，优化建筑用电成本。

离网时，光伏优先满足建筑直流负荷需求，若建筑直流负荷消纳不掉，再由储能进行充电消纳;若光伏不足以支撑建筑直流负荷需求，此时储能进行放电补充，同时为了满足离网模式下重要负荷的供电时长，系统会主动减少非关键负荷（如空调、照明等）或者降低充电桩充电需求。

此外，“光储直柔”管理系统可根据历史的光伏发电与建筑用电数据、未来天气数据及储能使用频次，结合AI智能模型预测日前建筑直流负荷的需求、光伏发电和储能的状态，结合节假日、电价浮动等各种因素提前调整光伏和储能设备的充放电计划，以制定经济最优的调度策略。

3结语

“光储直柔”是我国达成“双碳”目标的一条路径和实现新型电力系统的突破口。本文通过在建筑大厦中引入“光储直柔”技术，从系统组成、电压等级设计、设备选型、容量设计、安全保护以及监控管理方面进行了探讨，并结合建筑大厦的柔性调节分析了其运行策略，旨在为“光储直柔”系统在建筑领域的普及与深化设计提供有价值的参考，为推动建筑直流配电系统与绿色建筑、国家“双碳”目标进行助力。

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收稿日期： 20240819

Low-Carbon Design and Application of Buildings Based on

“Photovoltaic-Storage-Direct-Flexible” Technology

SI Wenxu SHAO Ting

（1.Acrel Electric Co.， Ltd.， Shanghai 201801， China;

2.East China Construction Group Shanghai Branch of Science and

Technology Development， Shanghai 200041， China）

Abstract： As the global pursuit of energy conservation，emission reduction，and sustainable development goals continues，new buildings incorporating multi-energy distribution are emerging as a trend in modern urban development.Serving as a linchpin in driving the innovation and advancement of building energy systems，“photovoltaic-storage-direct-flexible” technology offers a novel solution for building electrical design by integrating photovoltaic power generation，energy storage systems，DC distribution，and flexible control.This paper explores the application of “photovoltaic-storage-direct-flexible” technology in the design of a specific building，analyzes its technical principles，system architecture，design considerations，and control strategies，and offers insights for the low-carbon design and implementation of “photovoltaic-storage-direct-flexible” buildings.

Key words： photovoltaic-storage-direct-flexible; green and low-carbon; distributed energy; energy management; flexible control