鄉(xiāng)村光儲(chǔ)直柔新型能源系統(tǒng)構(gòu)架與挑戰(zhàn)

郝斌

自2021年10月國(guó)務(wù)院發(fā)布《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，集光伏發(fā)電、儲(chǔ)能、直流配電、柔性用電于一體的“光儲(chǔ)直柔”建筑開(kāi)始進(jìn)入大眾視野。從2021年6月能源局發(fā)布《關(guān)于整縣屋頂分布式光伏開(kāi)發(fā)試點(diǎn)方案的通知》后，至2022年3月期間，各部委密集發(fā)文推進(jìn)農(nóng)村能源轉(zhuǎn)型發(fā)展，助力鄉(xiāng)村振興。

鄉(xiāng)村光儲(chǔ)直柔的主要貢獻(xiàn)與矛盾

不同于城市光儲(chǔ)直柔重在“柔”，鄉(xiāng)村光儲(chǔ)直柔重在“光”。隨著太陽(yáng)能光伏組件效率的顯著提升和成本的持續(xù)下降，分布式光伏發(fā)電已具備良好的應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)單高效，運(yùn)行維護(hù)要求較低，是可再生能源建筑應(yīng)用的主要技術(shù)選擇之一，鄉(xiāng)村光儲(chǔ)直柔將成為分布式光伏的主戰(zhàn)場(chǎng)。

目前市場(chǎng)上不同類(lèi)型的光伏組件已能夠?qū)崿F(xiàn)既滿(mǎn)足光伏建筑一體化與第五立面美觀(guān)性需求，也滿(mǎn)足發(fā)電效率的功能性要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年光伏新增并網(wǎng)裝機(jī)約5300萬(wàn)kW，其中分布式光伏新增約2900萬(wàn)kW，占全部新增光伏發(fā)電裝機(jī)的54.7%，光伏發(fā)電集中式與分布式并舉的發(fā)展趨勢(shì)明顯。同時(shí)，新增分布式光伏中，戶(hù)用光伏約2150萬(wàn)kW。戶(hù)用光伏已經(jīng)成為我國(guó)如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)和落實(shí)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要力量¹。

與此同時(shí)，難以消納與并網(wǎng)是鄉(xiāng)村分布式光伏發(fā)展的主要障礙。

首先，鄉(xiāng)村光伏發(fā)電能否自用消納完？從單個(gè)用戶(hù)來(lái)看，戶(hù)均光伏裝機(jī)容量至少為10kW/戶(hù)，投資3萬(wàn)～4萬(wàn)元/戶(hù)，年發(fā)電量8000～12000kWh/戶(hù)，這在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性上都具有可行性。而戶(hù)均生活用電量?jī)H為1500～2000kWh/戶(hù)，光伏發(fā)電除覆蓋日常用電、采暖用電等在內(nèi)的居民生活用電，仍有很大余量;從總量上來(lái)看，有相關(guān)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，“雙碳”目標(biāo)下，未來(lái)農(nóng)村光伏裝機(jī)容量有望達(dá)到20億kW，年發(fā)電量約2萬(wàn)億kWh，基本上和目前全國(guó)建筑運(yùn)行用電量相當(dāng)。而農(nóng)村建筑2020年用電量為3446億kWh ，未來(lái)城鄉(xiāng)一體化水平不斷提高，即使戶(hù)均用電量翻2～3倍也難以實(shí)現(xiàn)就地消納。

再者，鄉(xiāng)村用不了的電能否并網(wǎng)“送出去”？以目前農(nóng)村電網(wǎng)一個(gè)臺(tái)區(qū)為例，可供電范圍約100戶(hù)，則該臺(tái)區(qū)光伏總裝機(jī)容量約為1GW，發(fā)電高峰期可達(dá)800kW的出力，即使就地消納50%，但由于臺(tái)區(qū)變壓器容量限制，近400kW的光伏余電依然難以并網(wǎng)。

以“光伏+”模式解決“用不了”問(wèn)題

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鄉(xiāng)一體化的提高，農(nóng)村居民家用電器種類(lèi)逐漸接近城鎮(zhèn)居民，戶(hù)均光伏裝機(jī)10kW在冬季可基本實(shí)現(xiàn)就地消納。光伏余電問(wèn)題主要出現(xiàn)在夏季，可通過(guò)“光伏+”模式解決，且已在農(nóng)村部分地區(qū)有很好的試點(diǎn)和應(yīng)用。

第一，生活水平提升，電氣化率提高。農(nóng)村能源消費(fèi)模式近年來(lái)發(fā)生了顯著變化，主要能源從生物質(zhì)能轉(zhuǎn)變?yōu)榱松唐纺?，尤其以電能增長(zhǎng)最為迅速，從2001年的400kWh/戶(hù)增長(zhǎng)至2020年的2000kWh/戶(hù)。而2020年我國(guó)農(nóng)村電氣化率為18%，未來(lái)還有較大增長(zhǎng)空間。

第二，光伏+電采暖技術(shù)成熟。很多從前由于電力供應(yīng)緊張無(wú)法大面積推廣的電采暖技術(shù)，在需要提升光伏發(fā)電就地消納的今天具備了應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。未來(lái)隨著可再生電力占比的提高，建筑節(jié)能重點(diǎn)可能轉(zhuǎn)變?yōu)橐远竟夥嚯姙檫吔鐥l件，確定采暖怎么解決、建筑保溫怎么做、部分空間環(huán)境營(yíng)造該怎么設(shè)計(jì)和使用等。

第三，光伏+直流電器?，F(xiàn)階段農(nóng)村居民用電以照明插座、空調(diào)用電為主，常用家用電器絕大多數(shù)已實(shí)現(xiàn)了直流化，已解決了從0到1的工作。未來(lái)隨著“十四五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“建筑機(jī)電設(shè)備直流化產(chǎn)品研制與示范”的啟動(dòng)和完成，還會(huì)為農(nóng)村居民提供更多的直流電器產(chǎn)品選擇，價(jià)格也會(huì)隨著推廣使用具有優(yōu)勢(shì)，智能化水平比過(guò)去將有顯著提高。

第四，光伏+電動(dòng)車(chē)或電動(dòng)農(nóng)機(jī)農(nóng)具。清華大學(xué)建筑節(jié)能樓、深圳建科院未來(lái)大廈等開(kāi)展了大量的雙向充放電實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證了在光伏發(fā)電富余的時(shí)候向電動(dòng)車(chē)充電、光伏不出力且市政電網(wǎng)供電緊張時(shí)電動(dòng)車(chē)向建筑放電的可行性。這一從建筑光伏到電動(dòng)車(chē)再到建筑的過(guò)程稱(chēng)之為建筑電動(dòng)車(chē)交互（BVB），其不僅可以解決了電動(dòng)車(chē)有序充電問(wèn)題，也能夠?qū)﹄娋W(wǎng)起到重要的支撐作用。

以直流微網(wǎng)解決“出不去”問(wèn)題

光伏上網(wǎng)的難點(diǎn)主要在于村級(jí)電網(wǎng)變壓器容量有限。一方面，每戶(hù)光伏并網(wǎng)的時(shí)候都會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)較大挑戰(zhàn)，包括三相不平衡、諧波、電壓波動(dòng)、閃變等問(wèn)題，光伏出力高峰時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊影響也較大，這是現(xiàn)階段電網(wǎng)很難接入的技術(shù)難點(diǎn)。另一方面，若全國(guó)都推廣整縣屋頂分布式光伏開(kāi)發(fā)，500多個(gè)縣近1億kW光伏裝機(jī)，近變壓器擴(kuò)容的改造成本將高達(dá)3000億元，這是更大的難點(diǎn)。

直流微網(wǎng)作為一種解決方案，可以實(shí)現(xiàn)不同臺(tái)區(qū)之間互連，一方面把光伏發(fā)電系統(tǒng)組成直流微網(wǎng)，通過(guò)柔性變換器和各個(gè)臺(tái)區(qū)及電網(wǎng)交互，解決目前多點(diǎn)戶(hù)用光伏并網(wǎng)帶來(lái)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)柔性用電;另一方面，直流微網(wǎng)可以解決不同臺(tái)區(qū)之間的電力調(diào)度，先就地、就近消納光伏發(fā)電，余電集中上網(wǎng)時(shí)可選擇有余量的變壓器，可實(shí)現(xiàn)在既有變壓器容量下的并網(wǎng)分配，解決了變壓器擴(kuò)容成本的問(wèn)題，同時(shí)三相不平衡、閃變以及光伏波動(dòng)性等問(wèn)題都能得到很好的解決。

實(shí)踐中，通過(guò)農(nóng)戶(hù)自建屋頂光伏+儲(chǔ)能+直流配電+柔性用電的柔性直流微電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的可控，能夠在城市屋頂資源有限條件下為城市用電清潔化提供支撐，成為區(qū)域電網(wǎng)的可調(diào)節(jié)資源。同時(shí)，通過(guò)參與電力市場(chǎng)交易，未來(lái)還有可能為農(nóng)戶(hù)帶來(lái)更高的并網(wǎng)電價(jià)收益，在快速收回投資的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)農(nóng)村的免費(fèi)采暖、免費(fèi)用電。這一方案如能推廣應(yīng)用，將是全社會(huì)范圍內(nèi)更大意義上的用電清潔化、低碳化。

綜上所述，農(nóng)村光儲(chǔ)直柔新型能源系統(tǒng)對(duì)于提高農(nóng)村電網(wǎng)可靠性、實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)功率互濟(jì)、光伏并網(wǎng)配置，以及提高建筑電氣化和居民生活水平方面具有重要意義。加之城市光儲(chǔ)直柔促進(jìn)實(shí)現(xiàn)建筑電力交互、建筑電動(dòng)車(chē)交互，以及主動(dòng)功率控制，是建筑領(lǐng)域參與建設(shè)新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，未來(lái)也將成為建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要解決方案。