“雙碳”目標下商務樓宇“光儲直柔”恒功率運行研究

榮秀婷，張輝，朱劉柱，李旭楓，王建華，馬靜

(1. 國網安徽省電力有限公司 經濟技術研究院，安徽 合肥 230022；2. 東南大學 電氣工程學院，江蘇 南京 210018)

0 引言

隨著我國“2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和”目標的提出，大力推進電能替代成為了消費側降低一次能源消耗、實現用能結構轉型的必然選擇[1]。在電氣化的驅動下，作為占全社會用電總量25%以上的電力消費重要主體，建筑樓宇的用電消費量在未來仍將處于大規模快速增長階段。建筑領域電氣化的實現，一方面要提高用戶電能消耗占能源消費總量的比重，提升建筑電氣化率；另一方面要通過大力推動清潔能源代替、發展儲能技術，進一步降低化石能源發電占建筑供電總量的比重[2]。相比于現有的交流系統，采用直流組網形式，易于實現分布式電源的靈活接入及多類型源荷的協調互補消納，能有效降低傳統電能消耗，具備良好的發展前景，目前已受到學者的廣泛關注[3]。

針對建筑樓宇直流供電研究的代表是美國弗吉尼亞理工大學CPES中心研究關于建筑樓宇直流供電的“Sustainable Building Initiative(SBI)”研究計劃，其在2010年進一步發展為SBN(sustainable building and nanogrids)[4]。與此同時，丹麥奧爾堡大學完成了1 MW單極DC750工業園區和DC230/48/24 V住宅用電系統示范應用。瑞典查爾姆斯理工大學分析了326/230/120/48 V直流電壓等級在商業場景應用的可行性。

本文以商務樓宇這一典型建筑配電場景為對象，基于“雙碳”目標下建筑電氣化的發展趨勢，對其“光儲直柔”恒功率運行模式展開研究。首先分析了商務樓宇源荷結構的變化特點，提出了直流商務樓宇的典型系統架構以及包括用電單元控制、換流站控制及配電系統級控制在內的直流配電系統三級控制結構，進一步建立了適用于直流商務樓宇的基于光、儲、電動汽車協調的恒功率取電三類典型柔性運行模式，并基于Matlab/Simulink平臺搭建了仿真模型，以小步長時序模擬驗證了商務樓宇低壓直流配電系統設計的有效性，最后給出歸納與總結。

1 面向商務樓宇的低壓直流配電系統

1.1 商務樓宇的源荷結構變化

傳統商務樓宇負荷主要包括照明、電動以及商務辦公設備等，由城市交流配電網對其進行供電，能量呈現單向流動的特點。但隨著新能源、新技術、新需求的出現，未來商務樓宇的源荷結構將發生一定的變化，主要有如下表現。

1)以光伏為代表的分布式電源及儲能裝置的大量接入，使商務樓宇用電由單向受電向雙向互動轉變。分布式光伏及儲能裝置將在商務負荷用電方面提供不同的選擇，其優勢在于新能源的本地消納可為用戶減少對電網的用電需求，降低傳統能耗及用電成本，節能減排，并在一定條件下通過光伏與儲能裝置的配合，實現樓宇內短時間的區域自治運行；但同時，由于光伏及儲能自身帶有的功率波動性及時序間歇性，會帶來電網調度困難、電能質量降低等問題。

2)以電動汽車為代表的雙向新型負荷將成為未來商業負荷的重要組成部分。電動汽車是一種典型的新型負荷，其能量流動存在雙向性，既可向電網取電，也可通過放電模式向電網饋送電能。隨著新能源汽車以及電動汽車充電樁的大力發展以及相關政策的扶持，未來規模化調控新能源汽車充放電行為將成為調節商務樓宇負荷曲線的重要手段。

3)未來商務樓宇中直流型負荷的占比將超越交流型負荷。長期以來，為了適應以交流配電網為主的供用電方式，負荷端往往通過相應的轉接裝置與交流網直接相連，但事實上，相當一部分負荷采用直流的形式進行供配電反而更加便捷與經濟。尤其是在商務樓宇中，負荷占比較高的LED照明設備以及電子設備其本質均屬于可直接利用直流進行供電的負荷，而如電動汽車、分布式光伏、儲能裝置等新型源荷均是通過直流的形式輸出。因此，僅從源荷構成來看，未來商務樓宇中直流型負荷將占據主導地位。

1.2 直流商務樓宇的系統架構

和交流配電網相比，直流配電系統不存在對電壓相位和頻率的跟蹤問題，并在電能質量、供電可靠性、供電容量等方面具備一定的優勢，更加順應商務樓宇用能的變化趨勢。低壓直流商務樓宇的典型系統架構示意如圖1所示。

圖1 直流商務樓宇系統架構示意圖

圖1中，直流母線由上級電網經雙向AC/DC換流站引出，綜合考慮系在正常及故障狀態下的運行安全性、投資經濟性以及二次設備接入便捷性等因素，確定其換流站接線形式為對稱單極(偽雙極)結構[5]；在對稱單極接線方式下優先考慮人身安全保障能力[6]，選擇不接地作為直流商務樓宇的首選接地方式；整體網架結構選擇兩端狀架構，其具備較高的供電可靠性，可閉環運行，也可一路供電另一路作熱備用。正常方式下，當一側電源故障時另一側電源可通過聯絡開關或者閉環運行功率控制，適用于大部分配電場景。

在系統電壓等級選取方面，需考慮源荷接入的靈活便捷性以及與上級交流系統電壓等級的匹配程度，對于與業內標準推薦值不符的部分電壓等級序列，可基于幾何均值、舍二求三、負荷距比檢驗等原則進行經濟技術校核[7]。結合商務樓宇場景下的各類源荷用電特點，根據《GB/T 35727—2017中低壓直流配電電壓導則》標準中的相關規定，以盡可能少地配置電力電子變換器為原則，確定750 Vdc/375 Vdc/220 Vac/48 Vdc的電壓等級序列，并進一步對源荷作分類及歸納，其結果如表1所示。

表1 未來商務樓宇的源荷分類

需要說明的是，電壓等級中220 Vac的設定主要是考慮到因設備改造能力不足，導致目前場景內仍存在一定占比的傳統交流負荷，難以直接進行直流供電。在未來發展中該交流電壓等級將被對應的直流等級替代，IV類源荷也將轉化為I或II類。

2 直流型商務樓宇典型運行模式

2.1 商務樓宇直流配電系統控制結構

直流型商務樓宇是一個電力電子變換器、各類雙向源荷高比例滲透的配電系統，因此針對其供電模式的研究首先是要完成對各電力電子變換器的精確控制，以實現源荷的可靠接入。本文基于分層自治的概念，結合場景內的用電特點，提出適用于圖1配電系統的三級控制架構，如圖2所示。

圖2 直流商務樓宇控制結構

1)用電單元級控制，其控制對象為III類和IV類源荷與配網所連接的電力電子變換器，實現其輸入、輸出特性跟隨上級控制器輸出參考值；

2)換流站級控制，其控制對象為直流母線電壓與交流網所連接的雙向DC/AC換流器，維持直流母線電壓，使其維持在正常區間內，并保證配網內功率的合理分布；

3)配電系統級控制，通過接收配網內各級變換器的運行數據，根據頂層優化目標的設定下達相關指令，實現配電系統的最優化運行。

用電單元級和換流站級控制本質上是對各類電力電子變換器的控制，目前研究已相當成熟，不再贅述。因此本文的重點集中在對直流商務樓宇在配電系統級控制下的優化目標，即典型供電模式的優化研究。

2.2 基于光、儲、電動汽車協調的恒功率柔性運行模式

一般而言，商務樓宇作為社會商業活動及辦公的典型場景，其負荷曲線呈“幾”字狀，通常在上午9∶00開始至晚上22∶00，其負荷達到高峰且峰值較為穩定，在其余時間由于商業活動匱乏，負荷維持在較低水平。因此，針對商業負荷這種特定時間段內用電功率不易發生巨大波動的特點，選擇特定時段下的恒功率取電運行模式作為直流商務樓宇典型供電模式的優選目標。

恒功率取電模式指通過對供電區域內的可控源荷進行調控，將區域向電網的取電功率控制在一個恒定值，降低區域內的用電峰谷差，減少區域內裝機容量，縮減成本，同時減輕對電網調度的壓力，提升區域內分布式光伏的發電效率及本地消納能力，降低傳統電能消耗，為建筑樓宇節能減排，并有效提高供電區域與電網之間的互動能力。

如1.1節所述，未來直流商務樓宇中可充當恒功率運行模式負荷調控功能的主要有分布式光伏、儲能裝置及新能源汽車三類。其中，應盡可能提高分布式光伏的發電效率，提升本地消納水平，承擔削峰作用；儲能裝置作為成熟的充放電設施，應作為調節負荷曲線峰谷差的主要力量；電動汽車的充電功率通過調節不同時段的充電電價控制汽車充電數量、控制充電樁功率等方式進行調整，可承擔挪峰填谷的角色。因此可建立如圖3所示的基于光、儲、電動汽車協調的恒功率柔性運行模式，并將三類典型運行模式總結，如表2所示。

表2 恒功率柔性運行模式類型

圖3 直流商務樓宇恒功率運行模式示意圖

1)當用電功率大于恒功率值且此時分布式光伏發電功率能補充用電功率與恒功率值之間的功率差額并有富余電量時，儲能裝置進行充電，消耗剩余電能，新能源汽車根據儲能充電容量選擇充電行為減少或保持不變。

2)當用電功率大于恒功率值且此時分布式光伏發電功率不足以補充用電功率與恒功率值之間的功率差額時，儲能裝置進行放電，提供剩余所需的電能，新能源汽車根據儲能放電容量選擇充電行為減少或保持不變。

3)當用電功率小于恒功率值時，分布式光伏處于發電狀態，負荷曲線的谷值由儲能裝置充電進行補充，同時增加新能源汽車充電行為。

恒功率運行模式下配電系統內的各功率關系如下：

Pset=Pe-Ppv-Pstore-Pev

(1)

式中：Pset、Pe為電網恒功率取值以及實際用電功率；Ppv、Pstore為分布式光伏以及儲能的功率，其值均可預測；Pev為該時刻下期望的電動汽車充電功率。

電動汽車的聚合充電功率為

(2)

式中：Pcharge為電動汽車的實際總充電功率；k為充電樁種類；Ni、Pcharge_i分別為第i類充電樁的總充電功率。

結合式(1)與式(2)，可得需調節的電動汽車充電功率為

(3)

式中，若ΔPcharge>0，則需要增加充電行為；若ΔPcharge=0，則充電行為不變；若ΔPcharge<0，則減少充電行為。根據上式，可對直流商務樓宇恒功率模式下電動汽車的充電行為進行調節。

3 算例分析

為了驗證上述針對直流商務樓宇理論研究的有效性，基于Matlab/Simulink平臺搭建了圖1所示的直流商務樓宇仿真模型，其中儲能裝置采用超級電容，光伏持續發電功率為40 kW，負荷額定功率為120 kW，其中設置15 kW電動汽車充電功率作為可控可投切負荷。仿真基于小步長時序模擬方法，設置如表3所示的事件觸發序列，總時長設定為2 s。

表3 仿真模型事件設置表

圖4與圖5為仿真過程中的直流母線電壓以及用電總功率波形，驗證了所建立的直流商務樓宇系統架構與控制結構的有效性。

圖4 直流母線電壓波形圖

圖5 用電總功率波形圖

以下結合圖6與圖7的換流器輸入功率(即電網取電功率)以及儲能裝置輸出功率波形圖，對直流商務樓宇的恒功率運行仿真過程進行說明與分析。

圖6 換流器輸入功率波形圖

圖7 儲能輸出功率波形圖

1)忽略啟動過程電壓波動情況，0.30 s和0.40 s時相繼投入25 kW和15 kW負荷，系統達到120 kW額定功率值。根據本文所述控制架構，換流站承擔維持直流母線電壓的主要任務，使負荷波動動態過程結束后，直流母線電壓維持在750 V額定值。

2)0.50 s時觸發恒功率運行模式，恒功率值設定為60 kW，由于光伏發電功率維持在40 kW，因此無法完全補足用電功率差額，因此系統按照表2中的第二種運行模式，由儲能裝置對剩余的功率缺額進行補充。

3)0.90 s～1.35 s，為減小儲能裝置補額的壓力，根據表3減少電動汽車充電行為，退出15 kW負荷。

4)1.35 s～1.80 s，充電行為恢復，配電系統返回2)運行狀態。

5)1.80 s時，退出恒功率運行狀態，此時超級電容儲能單元恢復至零狀態，用電功率為120 kW，原先由其承擔的功率缺額轉移至并網單元換流器承擔，換流器輸入功率恢復至80 kW，直流母線電壓經歷短暫的動態過程后恢復至穩態指令值750 V。

在0.50 s～1.80 s的恒功率運行時段，通過系統內光伏、儲能及電動汽車之間的協調配合，將市電取電功率由120 kW降低至60 kW，節約傳統電能消耗50%，在電動汽車充電行為可控的條件下，還可降低儲能配置容量，進一步優化經濟成本。以上仿真結果驗證了基于光、儲、電動汽車協調的直流商務樓宇恒功率柔性運行模式的可行性。

4 結語

本文針對“雙碳”目標下商務樓宇的“光儲直柔”恒功率運行模式展開研究，相關結論如下：

1)基于未來樓宇源荷結構的變化特點，商務樓宇是建筑領域中先行推廣低壓直流配電系統的理想場景；

2)商務樓宇“光儲直柔”恒功率運行模式以充分發揮分布式光伏發電能力為基礎，通過對儲能裝置及可控負荷的協調控制，降低區域內傳統用電能耗及購電成本，是實現建筑節能減排、踐行“雙碳”目標的有效途徑；

3)合適的恒功率取值可有效縮減儲能安裝容量，降低建設投資成本，提升清潔能源消納能力。