光儲直柔
——助力實現零碳電力的新型建筑配電系統

清華大學 江 億

1 什么是建筑的光儲直柔配電系統

典型的光儲直柔配電系統如圖1所示?！肮狻敝傅氖墙ㄖ蓓敼夥l電，通過DC/DC(直流到直流的變流器)接入375 V直流母線。“儲”則是指由直流母線通過DC/DC連接的、布置于一處或多處的蓄電池組，以及由這條直流母線連接的布置在鄰近停車場的若干個充電樁，通過這些充電樁為停車場電動汽車蓄電池充/放電?！爸薄笔侵笇崿F直流供電，包括動力和充電設備的375 V直流，以及通過DC/DC變換得到的供小功率電器使用的48 V直流分支。375 V直流母線通過AC/DC(交流到直流變流器)與交流380 V的外電網連接，從外電網輸入電量以滿足建筑的用電需求。“柔”是指這一系統對電網來說，不是供電量必須等于此時負載側消耗電量的剛性負載，而是從電網的取電量可以根據電網的供需關系在較大范圍內調節，從電網側看，這一用電系統成為電網的柔性負載。柔性的實現主要通過各用電設備的“需求側響應”實現，各設備可以根據電網的供需關系自動改變其瞬時用電功率；還包括各蓄電池的“需求側響應”，系統內所連接的蓄電池和電動汽車蓄電池可以根據電網的供需狀況調節充電/放電功率，從而改變AC/DC處從外電網進入系統的電功率。所以光儲直柔配電系統的最終目標是使建筑用電系統由目前的剛性負載變為柔性負載，可以根據電力系統的供需關系隨時調整用電功率，而不決定于當時系統內各用電設備的用電功率。

圖1 建筑光儲直柔配電系統原理

光儲直柔配電系統的工作原理如下。電力系統根據電網的電力供需關系，要求光儲直柔配電系統某時刻的用電功率為P0，此時AC/DC可恒定輸出功率P0。直流母線輸入功率為P0+PV，其中PV為光伏發電的輸入功率。由于各用電設備和蓄電裝置的功率隨直流母線電壓的變化而自行變化，所以當包括蓄電池和充電樁在內的各用電設備的總功率等于P0+PV時，如果直流母線電壓處于要求的上限電壓Vmax和下限電壓Vmin之間，則系統維持平衡。當某用電設備試圖增大功率，使總功率高于P0+PV時，直流母線電壓下降，此時各用電設備將自動根據電壓下降程度減小自身用電功率；蓄電池、充電樁也根據電壓下降程度減小充電電流，甚至轉換為通過放電向系統提供部分功率。這樣，隨著直流母線電壓的下降，系統從外電網的取電功率不斷下降，最終重新平衡到P0+PV。反之，如果各用電設備試圖降低功率，從而使總功率低于P0+PV，母線電壓就會升高，各用電設備就會根據電壓的升高自動加大自身的用電功率，蓄電池、充電樁也會自動增大充電功率，這樣，從外網取電的功率就會重新平衡在P0上。

當外電網和光伏發電的供電功率P0+PV過大，而各用電設備和充電裝置功率過小時，直流母線電壓達到允許的上限Vmax，此時就要通過AC/DC減小從外電網引入的電功率P0和調節光伏發電的DC/DC，通過部分“棄光”使母線電壓穩定在Vmax；而當外電網和光伏發電的供電功率過小，小于當時各用電設備的總功率，而各蓄電裝置也已經無電可放時，AC/DC將加大供電功率，使直流母線電壓維持在Vmin，以保證基本的用電需求。在這2種情形下，系統從外電網的取電功率會出現小于或大于要求的用電功率P0的現象，此時光儲直柔配電系統就不能實現嚴格按照要求的取電功率從外電網取電。是否會出現這種工況取決于系統內各用電設備功率的可調節能力，也取決于系統設置的蓄電池和當時所連接的電動汽車的蓄電池容量。

建筑光儲直柔配電系統既然是為了配合電網進行功率調節，就要考察其在各種工況下從外電網取電功率的可調整范圍。而這一功率可調整范圍取決于建筑內部分布設置的蓄電池容量、建筑周邊停車場所連接的電動汽車電池總容量及各個用電裝置的功率可調節能力。這些都將在后文中進一步討論。

2 為什么要發展建筑光儲直柔配電系統

實現碳中和戰略的主要任務之一是實現從以化石能源為基礎的碳基電力系統轉為以可再生能源為基礎的零碳電力。表1給出了我國目前的電力系統電源構成和希望未來實現的零碳電力系統的電源構成。從表1可知，未來風電、光電的裝機容量要從目前的20%左右增加到80%左右，風電、光電提供的電量則要從目前的不到10%增加到60%左右。大規模發展風電、光電就必須解決以下問題：1) 風電、光電的安裝空間；2) 風電、光電的發電功率變化與終端用電功率變化的不同步性。光儲直柔配電系統恰恰是針對這2個問題給出的解決方案。

2.1 在哪里安裝風電、光電系統

風電、光電系統接收的是自然界風力能和太陽能，其發電功率與占地面積成正比。按照目前的風電、光伏發電技術水平，單位水平面積的發電能力約為100 W/m2，遠遠低于核電、火電和水電。按照表1的規劃，如果我國未來需要的風電、光電裝機容量為60億kW，則需要約600億m2的水平安裝空間，這約為1億畝土地。我國為了保證基本的糧食供應，需要12 000億m2(18億畝)農田[1]。相比之下為能源的需要所增加的600億m2土地是巨大的空間需求。

表1 我國2019年和2050年電力系統的裝機容量和發電量

由此就自然會想到在我國西部地區有大量的沙漠、戈壁灘可用來開發風電、光電。這也確實是近年來發展風電、光電的重要方向。然而，我國主要的用電負荷集中在胡煥庸線以東，可大規模開發利用的沙漠和戈壁灘則在胡煥庸線以西，二者距離幾千km。出于這一目的，我國近年來修建了多條超大功率長距離輸電線路，但為了有效發揮其作用并保證輸電過程的穩定性，需要用水電或火電與風電、光電“打捆”，形成相對穩定的輸電功率。根據一天內風電、光電的變化規律，需要投入的水電或火電功率與所輸送的風電、光電功率之比至少要達到1∶1[2]。盡管我國西部地區有豐富的水力資源，但其總量不超過5億kW，所以也就僅能為5億kW的風電、光電“打捆”。更多的風電、光電就需要由當地的燃煤燃氣產生的火電來匹配。這樣，就無法降低未來電力系統中燃煤燃氣火電的比例，也就不能實現零碳電力的目標。當然也可以在建設風電、光電基地的同時設置巨大的儲能設施，使一天的風電、光電經儲能調整，成為全天穩定的電力，如此，需要配備的儲能容量至少要達到全天發電總量的50%～60%。1 W太陽能光伏器件一天可發電10 W·h，需要的儲電容量為5～6 W·h，采用化學儲能裝置的成本在6元/W以上；而1 W的光伏器件目前成本不到1.5元，包括支架、逆變器、變壓器等全套光伏發電系統的成本也不超過4元/W。這樣，在電力產地采用化學儲能就使得系統成本由4元/W增加到10元/W。而另一方面，太陽能光伏電力的特點是白天大功率、晚上零功率，這又與東部終端用電的負荷特性接近。如果一天內恒定地西電東輸，東部地區就要在夜間把多出來的電力儲存起來，供白天用電高峰期使用。按照典型的一天內辦公建筑用電變化規律，夜間需要儲存的電量約為一天用電總量的30%～40%(見圖2)，這等于又要巨大的儲能資源來調節用電側的峰谷差。如此，西部光伏發電東輸的成本為：光伏發電成本(4元/W)+西部地區化學儲能成本(6元/W)+東部地區化學儲能成本(3～4元/W)。經過兩次疊加后的化學儲能成本幾乎為光伏發電系統本身成本的2.5倍。

圖2 典型辦公建筑用電負荷與光電發電曲線的耦合關系

如果在我國東部負荷密集區發展光電，如圖2所示，太陽能光電一天的變化與一天內建筑用電負荷的變化具有一定的耦合度，這時，每W光伏發電對應的化學儲能容量僅為2～3 W·h，遠低于在西部安裝時要求的西部5～6 W·h儲能加東部3～4 W·h儲能，共計8～10 W·h的儲能，從而使光伏系統所需要的儲能規模大幅度降低。并且儲放電量僅為在西部發電方式的1/3，儲放電損失和長途輸送損失的降低可使系統效率提高20%～30%，幾乎抵消了西部太陽輻射強度比東部高30%～40%的優勢。所以，至少對于太陽能光伏發電系統來說，可能更適合優先在東部負荷密集區域發展。

那么東部地區土地資源極度緊張，在哪里安裝光伏電站？可能的地方就是各類建筑的屋頂等各種目前尚閑置的空間。清華大學建筑節能研究中心、中國建筑設計研究院有限公司與自然資源部衛星信息研究所合作，利用高分衛星圖片和現場抽樣調查統計分析研究認為，我國城鄉可用的屋頂折合水平表面面積為412億m2，在充分考慮各種實際的安裝困難，留有充分余地后，可得到結論：城鎮空閑屋頂可安裝光伏發電容量8.3億kW，年發電量1.23萬億kW·h；農村空閑屋頂可安裝光伏發電容量19.7億kW，年發電量2.95萬億kW·h。這樣，城鄉可安裝光伏發電容量28億kW，超過我國規劃的未來光伏裝機總量的70%，潛在年發電量4.2萬億kW·h，超過我國規劃的未來光伏發電總量的70%。城鄉建筑屋頂及其他可獲得太陽輻射表面的光伏發電應是我國未來大規模發展光伏發電的主要方向。

發展屋頂光伏發電系統，或BIPV(建筑光伏一體化)，與發展邊遠地區集中式光伏基地相比，至少有如下優點：

1) 利用現有空閑空間，不需要三通一平整治荒地，安裝成本低。

2) 納入建筑的日常維護管理，只需要定期作表面清潔，大幅度降低維護成本。

3) 可接入建筑低壓配電系統中，尤其是可直接接入光儲直柔配電系統中。對于大多數城市建筑屋頂，無需送電上網。這就避免了集中式光伏發電層層逆變、升壓上網，然后再返回到用電終端這一過程，減少傳輸過程的初投資和傳輸損耗，并且不必改變當前城市電網單向受電的特性。對于鄉村屋頂光伏發電系統，其發電量大于當地生活、生產和交通需要的電力，必須發電上網。但發電上網的電量也僅為總發電量的1/3～1/2，同樣可減少電力輸送的初投資和損耗。

4) 避免巨大投資建設超大功率的西電東輸系統，節省投資和土地。

因此，我國太陽能光伏發電未來最主要的發展方向是建筑屋頂和其他表面，最主要的接入方式是優先自發自用。光儲直柔的配電方式完全適合于這種建筑光伏發展模式。

2.2 如何破解風電、光電不可調控的難題

以化石能源和水電為主的傳統電力系統的基本調控模式是“源隨荷變”，任何負載側的變化都要由電源側的實時調節來平衡，調節過程中的變化則依靠發電機組轉子系統巨大的轉動慣量來平衡。當風電、光電成為主要電源后，其發電功率由天氣狀況決定，只有棄風棄光減小發電功率的調控手段。這樣就要求“荷隨源變”，或者增加巨大的蓄能環節來平衡源與荷之間的功率差別。

一種方式是在電源側或關鍵的電網節點處設置巨大的蓄能裝置，通過調節蓄能裝置的儲放電量，使風電、光電加上蓄能裝置，仍然維持“源隨荷變”的功能。實現這種蓄能功能的技術途徑有：

1) 抽水蓄能電站。盡管蓄能電站儲放綜合效率不到70%，但已是最好的蓄能裝置，也是靈活電源。而蓄能電站只有在合適的地理環境資源條件下才能建設。如果未來全國風電、光電年發電量8萬億kW·h，則僅實現一天內調節就需要蓄能300億kW·h，我國目前滿足建設抽水蓄能電站條件的資源不足30億kW·h，僅能滿足1/10的需要。包括土木工程建設，每百萬kW·h的抽水蓄能電站建設費用超過10億元，300億kW·h的抽水蓄能電站需要30萬億元，這是一筆巨大的投資。

2) 空氣壓縮儲能。其儲放綜合效率也不到70%，每百萬kW·h的投資與抽水蓄能電站相當。在儲電的同時要釋放大量低品位熱量，而釋放能量發電時需要注入大量熱量。當空氣壓縮儲能用于一天內的電力平衡時，很少能找到一天內同時需要冷量和熱量的場景，這樣，儲放電過程中的冷量和熱量就很難全部有效利用。

3) 電解水制氫、儲氫，再通過燃料電池發電。這一儲放綜合效率不到60%，并且3個環節的裝置成本都遠高于上述2種方式。因此，這一技術路線不是大規模風電、光電發展中解決一天內電源調控的方法，而只是用于消納高峰期過多的電力，為各類需要燃料的工業生產等過程提供零碳燃料。

4) 各種化學儲能方式。也就是各種類型的蓄電池，其儲放綜合效率可達80%以上，優于上述各種方式。根據目前的技術發展態勢判斷，其初投資還將持續下降，300萬億kW·h的化學儲能通過30萬億元的投資規?？梢詫崿F。但其存在耐久性問題，目前維持其容量的充放電壽命在幾千次的水平。如果每天儲放一次，則其使用壽命僅為10年，而抽水蓄能電站的綜合壽命是幾十年，因此，大規模集中式化學儲能方式很難和抽水蓄能電站競爭。

在電源側僅設置部分應急儲能設施，把破解問題的聚焦點轉移到用電終端，也就是“荷”側，使目前的“源隨荷變”改為“荷隨源變”，則是通過光儲直柔建筑配電系統破解這一問題的思路。這就是不依靠電源側或“電源+儲能側”而是根據荷側的變化進行相應調節，由用電終端即荷側根據電源側的變化而自動調整其用電功率，實現系統每個瞬間的供需平衡。光儲直柔建筑配電系統通過其所連接的蓄能裝置和可隨時改變自身用電功率的用電設備實現柔性用電，“荷隨源變”既可平衡源與荷之間的矛盾，還由于實現了分布式光伏產能和分布式化學儲能，依靠自身的裝置提高終端用電的可靠性和安全性，減少為了追求高標準的供電可靠性而對配電網不斷加碼的多路冗余供電要求。光儲直柔配電系統增加的光伏投資可從其獲得的發電收益中得到回報，直流配電系統在大規模發展后，其低壓配電器件成本將會降低。直流系統增加的投資可從獲得同樣供電安全性但減少了冗余配電從而減少的成本中回收；增加設置的分布式蓄電池組容量僅為實現集中蓄能蓄電池容量的1/4～1/3，所以增加的初投資也僅為設置集中的蓄電池機組的1/4～1/3；而增加的鄰近停車場的智能充電樁初投資則可從所提供的充電服務費中回收。光儲直柔系統最主要的蓄能能力將來自鄰近停車場電動汽車的蓄電池，而這又是由汽車車主所投資。后文分析表明，接入光儲直柔系統的電動汽車并不會因為參加儲能而減少壽命。光儲直柔系統使得電動汽車內配置的蓄電池這一資源得到充分利用。

因此，光儲直柔建筑配電系統是通過柔性負載實現“荷隨源變”，破解電源側大比例的風電、光電導致電網上源與荷瞬間不平衡的難題的有效途徑，為大規模的風電、光電有效消納給出新的途徑。并且光儲直柔配電系統還能大幅度提高建筑用電可靠性，對于已依靠外電網實現99.9%供電可靠性的建筑，一年中可能出現的累計9 h停電期間完全可通過自身蓄電池和所連接的電動汽車蓄電池實現獨立供電。根據蓄電池容量和所連接的電動汽車數量的不同，供電可靠性可由99.9%提高到99.99%～99.999%。

以上討論說明，發展建筑光儲直柔配電系統是為了破解新型的零碳電力系統要大規模發展風電、光電所面臨的光電安裝空間和風電、光電調控這兩大難題；是調度各方面資源，降低成本，助力新型零碳電力系統建設的有效途徑，也是建筑實現全面電氣化和用電零碳化可采用的措施。

3 建筑光儲直柔配電系統如何實現柔性用電

3.1 光儲直柔配電系統調控原理

由圖1可知，光儲直柔配電系統包括其與交流外網的接口AC/DC、與光伏電池的接口DC/DCP，與蓄電池的接口DC/DCB，與電動汽車的接口DC/DCC，以及與其他用電終端的接口DC/DCT。這些接口都是帶有可編程控制器的智能變流器。以下分別討論各個接口的調控邏輯。

1) 交流外網的接口AC/DC。如圖3所示，外界調度系統通過通訊給定此時要求的從外電網進入的交流電功率設定值P0s，AC/DC按照恒定輸出電壓的模式控制直流母線電壓VD。當測量出實際輸入的交流功率P0不等于P0s時，根據二者的差修正直流母線電壓VD。當實測的P0高于功率設定值P0s時，降低直流母線電壓以減小P0；當實測的P0低于設定值P0s時，提高直流母線電壓以提高P0。當調整的VD達到直流母線電壓上限Vmax時，維持電壓在Vmax，此時輸入功率將小于要求的輸入功率設定值P0s。這是由于負載太小，無法消納這樣多的外來電力，只能違約。當然，如果違約要付出的代價高于少消耗電力節省的電費，也可以調整光伏電池接口DC/DCP，通過棄光減少所接納的光電，而AC/DC仍然按照要求的取電功率P0s控制。當調整的VD已達直流電壓母線的下限Vmin，而輸入功率P0仍大于要求的設定值P0s時，就只能維持直流母線電壓于Vmin以保證正常的電力供應需求。當經過AC/DC的輸入功率為零時(外網要求或外網供電故障)，AC/DC失去對直流母線電壓的控制權。而此時母線所連接的其他變流器仍按照原來的方式工作。此時如果光伏電池、蓄電池及電動汽車電池的功率能夠滿足用電終端功率，直流母線電壓將在Vmax和Vmin之間浮動。當光伏輸出功率過高時，光伏電池控制器將通過棄光把母線電壓維持在Vmax；當光伏電池功率不足時，母線電壓會不斷下降；當母線電壓下降到Vmin時，蓄電池控制器DC/DCB承擔起母線電壓控制權，維持電壓在Vmin，直到電池電量進一步釋放完畢。

圖3 交流外網的接口處AC/DC調控方式示意圖

2) 光伏電池的接口DC/DCP?？赏耆捎媚壳暗墓夥姵卣{控接口。其原理是不斷地改變DC/DC的升/降壓比以調整輸入到直流母線的電流，最終使其從光伏電池接收最大的功率。同時，DC/DCP還要檢測母線電壓，當發現母線電壓VD高于Vmax時，改為按照電壓設定值Vmax控制輸出電壓的模式，光伏電力過高時棄光。當發現已無法維持Vmax時，就放棄母線電壓的控制權，返回按照最大接收功率模式調控。

3) 蓄電池的接口DC/DCB。基本原理是通過監測直流母線的電壓，確定充/放電功率?？紤]到直流母線的沿程壓降，由于蓄電池組可能在任何位置連接，所以要設置一個電壓死區，只有當母線電壓高于電壓死區上限時才開始充電，低于電壓死區下限時才開始放電。在實際運行中，按照上述簡單邏輯調控，也有可能在需要蓄電以滿足消納電網電量的需求時電池已充滿，或在需要蓄電池放電以滿足用電末端需求時電池已無電可放。為了避免出現上述問題，也可以采用AI(人工智能)的方式通過連續監測直流母線電壓變化，掌握建筑全天電力供需關系的變化。識別出可能出現需要加大蓄電功率(母線出現高電壓)和需要加大放電功率(母線出現低電壓)的時間段，從而對全天的充/放電策略進行優化，在需要大功率充電前留出足夠的充電容量，在需要大功率放電前蓄存足夠的電量。

4) 充電樁接口DC/DCC。作為智能充電樁，與目前傳統的充電樁的最大區別就是由電力系統的供需關系決定充/放電與否和充/放電電流，而不是由電動汽車中的電源管理系統(battery management system, BMS)決定。與前面所討論的蓄電池接口控制邏輯的區別是在判斷直流母線電壓高低的同時，還要考慮所連接的各電動汽車電池的電量，優先保證電量偏低的車先充電。智能充電樁要先獲取所連接的電動汽車電池參數，包括允許的最大和最小充電電流和電池當前的電量(百分比)。不同的電量百分比對應不同的開始充電的直流母線電壓設定值，電池電量百分比越高，開始充電的直流母線電壓設定值越高。只有測出直流母線電壓VD高于這一可開始充電的直流母線電壓設定值時，充電樁才開始充電，并且其充電電流也隨電壓VD變化，VD越高充電電流越大。對于允許放電的汽車，開始放電的直流母線電壓設定值也由電池的相對電量決定，相對電量越大，則開始放電的直流母線電壓設定值越高。這就意味著，當直流母線電壓不是太低的時候，只有相對電量很高的汽車電池向直流母線放電；只有當測出直流母線電壓很低時，更多的汽車電池才參與通過放電向建筑提供電力的行動。無論充電還是放電，電流都要隨母線電壓變化而變化，充電時電壓越高充電電流越大；放電時電壓越低放電電流越大。

5) 建筑內用電電器。根據其調節性能和調節方式可分為：平移延時型、變功率型、可切斷型負載3種類型。

平移延時型設備包括蓄熱水箱、空調冰/水蓄冷系統、冰箱、冷柜、洗衣機、排污泵等及自身帶有蓄電池的可充電電子電器設備。使用AI技術通過學習直流母線一天內的電壓變化規律，識別出一天內需要多用電和盡可能避免用電的時間段；通過學習設備自身的運行規律，得到其需要的連續運行時長及開停時間比。根據這些信息即可制定一天內的優化運行規劃，避開在電力緊缺時段運行，盡可能將設備自行調整到在電力過剩時段用電。

變功率型設備包括可通過變頻或其他方式進行功率調節的用電設備，如分體空調機、多聯機式空調機、風機、水泵、變頻扶梯、電梯等。這些設備自身都帶有控制調節裝置，可通過變頻或其他方式改變用電功率。在光儲直柔配電系統中，可測量直流母線電壓，根據電壓高低決定運行功率的修正系數。直流母線電壓高，則修正系數就高，可高達1.1，表明要在控制器輸出的調節指令基礎上進一步加大輸出，以增大用電功率10%；當直流母線電壓低時，修正系數就低，最低可至0.5，也就是降低轉速或通過其他手段降低實際的用電功率。

可切斷型負載則在母線電壓降低到預設值后切斷，以降低系統用電功率。

上述3種類型的用電終端又都可以各自設置一個調節旋鈕，使用者可在0～1之間選擇。0表示該設備不參與調節，無論直流母線電壓如何變化，都按照正常要求運行；1則表示該設備參與深度調節，按照上面的方法，根據母線電壓的變化改變運行狀態；0到1之間則表示不同的參與調節程度。這樣，廠家通過修改產品的控制策略并改變直流接口產生適合光儲直柔配電系統使用的用電設備，而每臺設備又可隨時由使用者通過調節旋鈕改變其可參與的調節深度，以滿足各自和各個不同場合的需要。上面對控制策略的描述僅僅是簡單的原則和原理，每個產品的控制策略細節都與產品本身的調節特點有關，需要生產企業單獨研究開發，其性能的差別又可以成為同類產品的競爭點。好的調控策略既不影響產品本身的功能與使用效果，又具備較大的靈活調節用電功率的性能，從而可以增大系統柔性或者在同樣的系統柔性下減少對蓄電池容量的需求。這也是調控策略優化可以獲取的經濟效益。

3.2 多個光儲直柔微網的互聯互通

圖4顯示了一個光儲直柔單元的拓撲結構。其入口AC/DC的容量可設置范圍為100～500 kW。系統容量過大，則要求的電力電子器件容量大、成本高。由于需要更多的蓄電池組接入，多個蓄電池組的DC/DCB接口也存在相互協調的問題。于是，對于一座大型建筑，可以分成若干個光儲直柔單元，各自通過AC/DC接入交流網，同時各個光儲直柔單元之間可通過聯絡線互聯互通，如圖4所示。一片區域的多座建筑之間也可以分別建成光儲直柔的微網，然后按照圖4的方式互聯互通。

圖4 多個建筑直流微網單元的互聯互通

這種互聯互通就是通過專門的雙向DC/DCL連接2個單元的直流母線。每個單元的直流母線可以通過這種方式與其他2個或3個單元互聯互通。DC/DCL內的調控邏輯決定其工作方式：當兩側的直流母線電壓差小于某預定的設定值時，關斷DC/DCL，2個單元相互獨立；當一側的直流母線電壓高于另一側，且高出量超過預定的設定值時，開通這個DC/DCL，從高電壓側向相對低電壓側供電，供電電流也由兩側的電壓差決定，電壓差越大，供電電流越大。

這樣，供電側的DC/DCL對于其所在微網，就等效于一個用電單元，且用電功率隨母線電壓而變化。當該微網光伏發電功率PV和網上的供電功率P0之和高于當時各個用電末端功率時，可以幫助其消納剩余電量。而對于DC/DCL的受電側，則相當于一個光伏電源或放電的蓄電池，可提供額外的功率以緩解其電力供應的不足。

這種“手拉手”的互聯互通的目的是使得各個直流微網相互協調，使各自的儲能能力和調節能力得到充分利用。但并不是通過這樣的連接來保障某個微網從外電網取電回路出現故障時的供電可靠性。這樣，互聯的DC/DC功率僅需要為該回路總功率的20%～30%即可，否則不僅增大系統投資，還會盲目加大各微網的AC/DC容量，導致其控制邏輯復雜化。

多個光儲直柔微網通過這種方式的互聯互通，可以提高各個設備的利用率，并在不增加系統冗余備用容量的前提下顯著提高供電可靠性。

3.3 光儲直柔配電系統與大電網的協同

光儲直柔配電系統內部各個發電、用電和蓄電環節都是根據母線電壓的變化而自行調控的，不需要統一決策，也不需要各個用電單元的相互通訊。系統通過其交流入口的AC/DC，根據要求的輸入功率設定值P0s調節直流母線電壓來實現輸入功率的調整。根據情況，從交流網輸入的功率設定值P0s有3種確定方式：

1) 根據預定的分時電價，盡可能避開電價高峰期用電，盡可能使用低谷電力。這時在AC/DC控制中設定高、中、低電價的時段，每天晚上根據全天的用電狀況估計第2天用電量，然后根據自身的最大用電功率，對各時段的用電功率作出規劃，盡可能在低谷時段從交流網獲取全天的用電量；不足時，再從次低谷時段補充。按照這一規劃，得到第2天每個時刻取電功率的設定值P0s。第2天按照這一P0s曲線嚴格控制從外電網的取電功率P0。這樣的調控，可以在目前的分時電價政策下使光儲直柔配電系統獲得最大的經濟收益。

2) 納入當地電網的調度系統，實時根據調度要求調整P0，使光儲直柔建筑成為一個虛擬的靈活電源或柔性負載。這時電網調度可以根據電網供需狀況隨時下達光儲直柔配電系統從網上取電的設定值P0s，系統可及時響應，按照要求的P0s運行。一座1萬m2的辦公建筑采用光儲直柔配電系統后，如果連接100個智能充電樁及電動汽車，其瞬態功率可以在0～1 MW間靈活調節。當有100座這樣的采用光儲直柔配電系統的建筑(以下簡稱光儲直柔建筑)，對其進行聯合調度，就相當于一個功率為10萬kW的靈活調節負載，且具有很快的瞬時調節能力。這對參與電網的平衡調節，為電網調頻、調壓可以起到很大作用。

3) 如果在與光儲直柔系統同一個電網中有集中的風電和/或光電基地，則可以很容易地建立光儲直柔系統與風電、光電基地之間的互動關系：根據風電、光電發電狀況動態分配每個瞬間光儲直柔系統從電網的取電量P0s，如果光儲直柔系統能夠準確地按照這一要求的取電功率運行，就可以認為這座光儲直柔建筑使用的完全是風電、光電，屬于零碳運行建筑。當一個電網上連接多座光儲直柔建筑，并同時連接集中的風電、光電基地時，可以要求每天晚上各座建筑向風電、光電調度中心提交第2天在不作調節時全天需要從電網取電的取電曲線。風電、光電調度中心根據氣象中心預報的第2天天氣狀況、各座建筑上報的取電曲線和每座建筑具有的調節能力，可通過優化分析，扣除在用電高峰時段需要為電網提供的電量，將剩余電量合理地分配給每座光儲直柔建筑。為每座建筑提供要求的從電網取電的日變化曲線，使其日總量與申報值相同，而設定的取電曲線與上報的取電曲線之差的絕對值積分面積就是光儲直柔系統需要通過其柔性進行的調節任務。各座光儲直柔建筑嚴格按照這一曲線運行調節，就可以認為其運行用電完全源于風電、光電基地，從而可以實現風電、光電的有效消納。根據上述兩曲線之差的絕對值積分面積，也就是光儲直柔系統所完成的調節任務，電網可支付其調節費用。而如果光儲直柔建筑不能嚴格地按照要求的取電曲線從外網取電，則其偏差部分的絕對值積分，又可作為依據，由光儲直柔建筑交納罰金。

根據當地的電力政策，采用光儲直柔系統的建筑可選擇不同的模式與電力部門協調，協助解決當地電力系統的主要矛盾，并從參與調節中獲取收益。

我國目前煤電仍然是電力系統的主要電源。這就導致白天由于用電負荷高而供應側不足，夜間煤電難以下調而供應側過剩。此時，光儲直柔系統就可大幅度減少自身的日間負荷，而加大夜間的用電功率。這就是上述第1種按照分時段電價的調節模式。

隨著風電、光電在電源中的比例增加，風電、光電的有效消納逐漸轉變為發展新型電力系統的瓶頸問題。此時，采用上述第3種模式，就可以準確地通過電網接收風電、光電，實現風電、光電的有效消納，并使得自身建筑成為完全依靠零碳電力運行的建筑。

4 光儲直柔配電系統的可行性及其對發展新型電力系統的貢獻

光儲直柔建筑的“柔性”有多大，也就是其對電力供需平衡的調節潛力有多大，對建立以零碳電力為基礎的新型電力系統可以起多大作用，這是本章重點討論的問題。

4.1 光儲直柔建筑對電網供需平衡的調節能力

為光儲直柔建筑提供蓄能能力最重要的資源是電動汽車。目前的純電動車電池容量為50～100 kW·h/輛，采用慢充方式，充電功率可根據電力供需關系在0～10 kW之間調節。如果每100 m2建筑有1輛電動汽車(對居住建筑而言，相當于一戶一車；對辦公建筑而言，相當于每2～3人一車)，則每1萬m2建筑可連接100輛車，瞬態充放電能力為0～1 MW，最大日儲電能力在5 MW·h以上。每1萬m2建筑自身用電功率為0～1 MW，日用電量4 MW·h左右，100輛汽車的日用電量1 MW·h左右。每1萬m2建筑如果安裝50 kW光伏板，保守估計每年發電量60 MW·h，夏季每天發電量至少0.25 MW·h，約為建筑和車輛用電量的1/20。如果認為每天從電網的取電量等于除自身光伏發電量之外的全天建筑用電和車輛用電之和，則每天需要從電網取電4～5 MW·h。從電網取電的最不利工況是連續從電網按照最大功率取電，而在取電時段各類設備用電量為零；配合電網調節的另一個最不利工況則為要求從電網取電量為零，而建筑處于用電高負荷。

如果建筑入口配電容量為1 MW，全天建筑和汽車用電總量為4～5 MW·h，當停車場停滿車輛時，為汽車電池充電的充電功率可達1 MW，滿足消納要求；可消納的電量為2～4 MW·h(取決于各輛汽車中蓄電池的狀態)，有1～2 MW·h的缺口，需要建筑內分布式蓄電和其他用電設備消納。

在要求從電網取電功率為零時，100輛電動汽車可提供的功率可達1 MW，滿足建筑最大用電功率的需要。如果車輛內蓄電池平均電量為50%(2.5 MW·h)，而極端狀況下此時段內建筑需要電量4 MW·h。這樣，缺口也在2 MW·h左右，需要依靠建筑內分布式蓄電池和通過減少此時間段用電設備的用電功率來解決。當停車場車輛不足時(如辦公建筑夜間)，需要建筑內分布式蓄電提供電力，并盡可能降低此時的建筑用電功率。

為此，光儲直柔建筑需要根據具體的運行條件對1萬m2建筑配置至少1 MW·h的分布式蓄電池，再依靠各類用電設備的運行模式調整，把1 MW·h的電量需求轉移到外電網，由外電網提供。可以進行較長時間電量轉移的用電裝置(技術)包括：

1) 大型公共建筑、商業建筑的冰蓄冷、水蓄冷。這是已經發展了近30年的成熟技術，1萬m2的全空調建筑的冷源，包括冷卻塔、冷卻水泵，可轉移500 kW·h以上的電量。

2) 帶蓄熱水箱的生活熱水系統。無論是熱泵制熱水還是電熱制熱水，根據熱水系統容量不同，也可以轉移100～300 kW·h的電量。

3) 居住建筑的洗衣機、烘干機等。這些設備也可以實現長時間的部分電量轉移。

如果建筑內不具備足夠的可轉移電力負荷的用電裝置，可能就需要增加蓄電池容量，以滿足極端工況下的需求。

以上是針對極端工況下滿足外網功率調節能力的情況，多數的場景是需要應對短時間段(如1～2 h內)消納多余電量的需求或補充電量不足的需求。在后面的情況下，更多的用電設備可以參與用電功率調節，如各類風機水泵、分體或多聯機空調，都可以在短期內改變轉速或提高/降低設定溫度，對瞬時功率進行30%以上的調節，而在1～2 h的時間周期內這種調節幾乎很難被使用者感知。冰箱、冷柜等用電設備多為通斷式控制，根據功率調節的要求在1 h內平移運行時間也不會影響其儲藏功能。這些設備都需要設備制造企業根據自身產品性能研究開發帶有調控策略的接口。選用調節性能好的用電裝置，可以增加系統的柔性用電能力，或可在實現相同柔性能力的前提下適當減小蓄電池的裝機容量，節省投資。

根據以上分析，1萬m2的居住建筑或辦公建筑加上100個充電樁并連接電動汽車，在一天的任何時間都有可能實現1 MW功率調節能力，只要在一天中的任何一個或幾個時間段內從外網提供足夠電量，即可滿足建筑及所負責充電的電動汽車的全天用電。當建筑實現全面電氣化后，1萬m2居住建筑加50%的100輛電動汽車全年耗電60萬～70萬kW·h；1萬m2辦公建筑加50%的100輛電動汽車全年耗電100萬～120萬kW·h。如果在城市附近有1 MW集中光伏電站，全年發電120萬kW·h，就可以由這部分光伏電站專門供應上述1萬m2辦公建筑或2萬m2居住建筑及相應的電動汽車用電。光伏電站通過選擇合適仰角，可以獲得冬夏不同的發電功率比(仰角高于當地緯度可以使冬季發電量大于夏季，反之則夏季發電量大于冬季)，與建筑冬夏用電比例相匹配。在我國大多數地區，一年中可能會出現幾次連陰天，導致光伏發電不足，如果調峰火電在這幾天通過電網供電，就可以使這些建筑全年大部分時間依靠零碳的綠色電源運行。這就是如何通過光儲直柔配電系統實現建筑的近零碳運行(需要由調峰火電全年提供的調峰電力不超過電負荷的10%)。當具有大規模的光儲直柔建筑后，可以根據氣象預報獲知未來出現的連陰天狀況，從而得到光伏電力的短缺量。這時即使是啟動燃煤電廠，也可以使其在連陰的2～4天內連續穩定地在高效工況下運行，而不再是目前意義下的調峰電廠。穩定的功率送至光儲直柔建筑，滿足日總用電量需求，依靠光儲直柔系統自身的柔性解決一天內用電量的變化。

4.2 光儲直柔對發展新型電力系統的作用

我國未來的新型電力系統中，風電、光電每年提供約8萬億kW·h的電量，通過水電和抽水蓄能的協同調節，可以提供2萬億kW·h，剩余6萬億kW·h需要其他的調控資源。這6萬億kW·h的風電、光電，農村屋頂光伏及零散空地的風電發電約2.5萬億kW·h；城市周邊集中風電、光電(包括海上風電)和屋頂光伏發電約3.5萬億 kW·h。

農村如果建成如圖5所示的村級直流微網，除實現電氣化滿足自身生活、生產和交通用能外，每年還可以按照電網需求側要求而調整0.7萬億～1萬億kW·h電力輸出上網。依靠農村用電負載上占很大比例的各類車輛蓄電池及農業生產的需求側響應用電模式，再加上農村直流微網配置的分布式蓄電裝置，這0.7萬億～1萬億kW·h電力可以按照電網指定時段上網，有效用于電力調峰。

圖5 農村基于屋頂光伏的村級直流微網

如果城鎮的300億m2居住建筑和100億m2辦公建筑及其他功能建筑改造為光儲直柔配電，并且通過周邊停車場與2億輛電動汽車連接，則每年可消納自身和外界的風電、光電3萬億kW·h，可以完成風電、光電剩余部分85%的消納任務。剩余0.5萬億kW·h的風電、光電即可通過集中的空氣儲能、化學儲能和制氫等方式進行一周或更長的儲存周期來調整和消納，應對連陰天、靜風天等不利氣候因素，以保證電力的可靠供應。

由此可見，研究開發建筑的光儲直柔配電系統，在取得成熟經驗后全面推廣這一系統，對我國建設和發展以風電、光電為主要電源的新型電力系統有至關重要的作用，是能源消費側革命的重要內容。

新型電力系統將使電力系統的電源由目前的集中式轉為半集中、半分布式；電網將由目前的單向受電電網轉為雙向有源電網；系統的穩定性將由依靠電源側的轉動慣量和同步容量維持轉為較多地依靠負載側的分布式蓄電；系統的安全性則由目前的冗余備用轉為分布式電源和蓄電；電力的供需關系由目前的“源隨荷變”轉為“荷隨源變”；電力成本也由目前不同時段的2～3倍之差轉變為不同時段5倍以上的差別。建筑的光儲直柔配電方式全面迎合這些重大改變，是這些重大變化在建筑用電系統和用電方式中的體現。

未來電源的成本在一天內有巨大變化，當風電、光電可以滿足負荷需求時，電力成本低于目前的燃煤電力；而當風電、光電功率不足、需要依靠各種蓄電方式把風電、光電高峰期的剩余電量轉移過來應對負荷需求時，電力成本將是低成本時段的5～10倍。蓄能和用電側需求響應的功率調節將比用電效率還重要。光儲直柔系統的任務就是通過挖掘利用各種可能的蓄能資源，挖掘需求側可響應供需關系變化并進行實時功率調節的能力。以上討論僅是搭建了一個可開始嘗試這種新的運行方式的平臺，各種儲能和需求側響應的方式和潛力都還可以進一步深入挖掘，使建筑在新型電力系統的建設和發展中起到更大的作用。

目前我國電力系統的主導電源仍然是燃煤火電。由于燃煤鍋爐難以大范圍快速調節和城市電力負荷日夜間的巨大差別，導致目前大多數地方存在白天電少、晚上電多的現象，所謂峰谷時段電價差也主要是白天和晚上的電價差。隨著風電、光電在電源中的比例不斷增加和燃煤火電的比例逐漸減小，將逐漸出現白天電多、晚上電少的狀況，夜間蓄電、白天使用慢慢會改為白天蓄電、夜間使用。隨著供需關系的這種顛覆性變化，各種蓄能調節和用電功率的調節就不能是固定時段，而需要不斷根據電網供需關系的變化而變化。光儲直柔配電系統可以實現這種靈活性，可隨時根據供需關系的變化而改變自身的用電和蓄電調節策略。

4.3 發展建筑光儲直柔配電系統的迫切性

中央提出2030年碳達峰、2060年碳中和的戰略目標，與其對應的就是風電、光電的加速發展。有關規劃已經提出從2021年起，每年增加風電、光電裝機容量1億～1.5億kW，到2030年，使我國的風電、光電裝機容量由目前的5億kW增加到17億kW；從2030年起，每年新增2億kW以上的風電、光電，從而實現到2050年總裝機容量超過60億kW。

我國現有純電動汽車500萬輛，目前蓄勢待發，2021年將增加200萬輛，并將在今后幾年迅速達到每年新增1 000萬輛，到2030年，我國純電動汽車的保有量將達到5 000萬輛，到2050年將達到3億輛。

我國目前每年新竣工居住建筑15億～20億m2，各類公共建筑和商業建筑5億m2。以后新建量將逐漸減少，但大修、改造、提升功能將成為房屋建設的主要任務，每年修繕任務將在20億m2以上。

根據前述分析，1萬m2光儲直柔建筑加50輛電動汽車可消納1 MW風電、光電。這樣，新增1億kW風電光電就需要新增10億m2光儲直柔建筑和500萬輛電動汽車來有效消納。目前電動汽車的增長態勢與規劃的風電光電增長速度完全合拍，相對來說，光儲直柔配電建筑的規模遠遠落后于需求。近期要使50%左右的新建建筑按照這一新模式完成建筑配電，未來則在建筑改造時，要有50%以上的建筑改造成采用光儲直柔配電系統。這樣才可以使建筑和電動汽車擔負起消納風電光電的責任，從而實現我國電力系統的轉型。

5 發展光儲直柔建筑配電對暖通空調行業的新要求

暖通空調是建筑用能的最大用戶，電力供給方式轉變會給暖通空調帶來巨大變化。這將實現暖通空調設備用電由交流向直流的轉換，在直流化的同時實現設備自適應的功率調節，并且進一步發展各種可能的末端儲能方式和新型蓄能工藝流程。

5.1 暖通空調設備的直流化

暖通空調的主要動力設備都是由電動機驅動的。由永磁同步電動機替代傳統的異步電動機，已經成為暖通空調動力設備發展和更新換代的主要趨勢。永磁同步電動機要依靠電力電子技術把輸入的直流電變換為所要求頻率的交流電，再驅動自身運行，實現精準的轉速調節。異步電動機改為永磁同步電動機后，電動機效率提高，尤其是在低轉速下電動機效率可保持在高水平，具有顯著的節能效果、出色的調控效果和更低的噪聲水平。實際上這些年來變頻壓縮機的發展都是采用永磁同步電動機，根據壓縮機的動力特性確定變頻算法，各類壓縮機變頻后性能得到顯著提高。目前，各種風機水泵也開始由以往的異步電動機配置通用變頻器的方式改為專用的永磁同步電動機，這將成為今后動力設備發展的重要方向。永磁同步電動機目前驅動的方式是對三相交流電通過AC/DC整流，然后再根據要求的旋轉頻率逆變，得到要求頻率下的三相交流電，驅動電動機。所謂直流化就是去掉AC/DC整流器這一環節，降低成本，減少這一環節的轉換損失。目前各類壓縮機都已經有直流驅動的產品。對于風機水泵，由于其變頻器的算法與被驅動設備密切相關，因此所發展的將是機械設備、永磁同步電動機和變流控制調節器三位一體的集成化產品，所要求的驅動電源也是直流輸入。

除了動力設備外，還有控制調節儀表和各種閥類。控制調節儀表本身需要直流供電，不同的電壓需求通過DC/DC變流器可以很容易滿足。電動機驅動的旋轉式閥類改為同步電動機驅動將顯著改善調控性能；電磁通斷閥改用直流后，也可使其內部結構簡化，性能提高。雖然調控儀表和閥件的直流化需要對產品進行一些改進，但獲得的是技術進步，使得性能和可靠性都得到提高，而成本不升反降。

各類設備實現驅動電流直流化后，接入光儲直柔配電系統還需要增加自適應的需求側響應功能，也就是測出輸入的直流母線電壓，根據電壓自動調節用電功率。對于變頻壓縮機，功率的變化約與轉速的1.2～1.5次冪成正比；對于風機水泵，功率變化則與轉速的3次冪成正比。因此，根據母線電壓的變化適當改變轉速，對功率有很大的調節效果，而短期內對空調效果的影響很小。這樣就可以直接在逆變器控制信號的輸入端串接一個修正算法，使逆變器的頻率調節設定值fs為

fs=fs0(1+k1k2)

(1)

式中fs0為設備的控制系統要求的逆變器頻率；k1為根據實測的母線電壓變化對轉速的修訂值；k2為現場讀出的由使用者設定的0～1的調節深度。

式(1)中，直流母線電壓偏高時，k1大于0；直流母線電壓偏低時，k1小于0。具體的修訂程度依設備性能而異。當k2設定為0時，該設備不響應母線電壓的變化，不參加需求側響應調節；而當k2為1時，會最大程度進行需求側響應的調節。

對于如冰蓄冷、水蓄冷、水蓄熱等具有很大的用電負荷平移功能的系統和設備，不能簡單地按照上述方式對各個單體設備進行轉速修訂，而需要對整個系統進行智能化的需求側響應調節。因為直流母線電壓的變化給出要求末端用電設備增加/降低用電功率的信息，而每天電力系統供需關系的變化基本是相同的。這樣，就可以由水蓄冷、冰蓄冷系統的控制裝置通過持續監測直流母線的電壓變化，依靠AI識別出系統對用電功率調整要求在一天內的變化規律，同時通過建筑的冷熱負荷預測，得到未來一天需求側的要求。根據預測出的供電側和需求側的變化規律，通過優化決策，得到蓄冷蓄熱系統的運行方式，使其在最大程度上參與電力的調峰填谷。

5.2 挖掘暖通空調系統的蓄能調節能力

除了冰蓄冷、水蓄冷、水蓄熱等這些移峰填谷蓄能措施外，利用建筑本身的熱慣性、暖通空調系統其他可能挖掘的熱慣性，也可以協助產生很大的平移用電負荷的效果。

例如目前大量應用的地源熱泵系統，就具有很大的平移電負荷的潛力。地源熱泵系統的主要投資部分是地下埋管，其短期內的功率受與地下埋管垂直的徑向傳熱能力所制約。當停止從地下提取熱/冷量時，地下徑向傳熱過程并不停止，而是隨著時間的延長逐漸減小徑向溫度梯度。這樣，如果增加熱泵的裝機容量，系統采用間斷方式運行，并不需要增加地埋管數量，仍可保證全天提供的熱/冷量總量不變。這種間斷方式運行即可與光儲直柔配電系統協同工作，從而起到相當大的平移電力負荷的作用。這種調控方式將間歇地向建筑物提供冷/熱量，如果由此引起室內溫度波動影響舒適性，則還可以通過增加蓄冷蓄熱裝置加以改善。

由于建筑本身巨大的熱慣性，通過室內溫度的適當變化調節建筑的蓄熱量，其成本遠低于蓄電池蓄電，也低于集中的蓄熱蓄冷裝置。如何巧妙地開發利用好這一重要的蓄能資源，在不影響室內舒適度的前提下使建筑圍護結構的蓄熱能力發揮作用，從而增大光儲直柔配電系統的調節能力，有很多需要進一步開發、創新的技術和措施。

通過暖通空調系統的需求側響應模式運行，平移電力需求時間，可以大幅度提高光儲直柔配電系統的柔性，也就是功率調節能力；或者是在獲得同樣柔性的前提下，減少所需要的分布式蓄電池容量，從而降低光儲直柔配電系統的投資。

6 結語

本文介紹了建筑新型配電系統——光儲直柔系統的基本原理、目標、背景及其對未來發展建設零碳的新型電力系統的重要作用。

通過能源轉型實現低碳發展，是深刻影響能源生產、轉換、消費各方面的革命，將導致能源相關活動的巨大變化。對于建筑領域來說，就使其從單純的能源消費者轉為能源的生產者(光伏)、儲存者和消費者三位一體。在能源全產業鏈中地位的變化，使暖通空調行業面臨巨大挑戰：要適應新的能源環境，要發展新的產、儲、消一體化的系統方式，要開發與新方式、新系統相適應的新設備，要適應新系統要求導致運行模式的變化。這些都給暖通空調行業帶來巨大的創新機會和發展機遇，也將導致這一行業與電力系統的高度融合與共同發展。科學技術的發展需要打破專業限制，需要學科交叉和跨領域融合。光儲直柔配電將是建筑業、暖通空調、建筑配電及電力系統等相關專業相互融合、并通過相互滲透而產生出的新行業。