智能微電網在BIPV 建筑上的應用研究

張騰，左元成，盧育發

（1.安徽天柱綠色能源科技有限公司，安徽 蚌埠 233000；2.安徽電子信息職業技術學院，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

2021 年3 月15 日習近平總書記在中央財經委員會第九次會議中提出，我國力爭2030 年前實現“碳達峰”，2060 年前實現“碳中和”，構建以新能源為主體的新型電力系統。基于我國自然條件情況，建筑部門要實現 “雙碳” 目標，光伏建筑一體化（Building Integrated PV，BIPV）不可或缺。

1 智能微電網

智能微電網指由分布式電源、儲能裝置、能量轉換裝置、負載、監測及保護裝置等構成的發配電系統[1]。智能微電網運行模式主要有并網和孤島兩種模式，其中并網模式指智能微電網與配電網并網運行；孤島模式為智能微電網在檢查到電網故障或電能質量達不到要求的情況下，智能微電網立即從電網斷開，獨立運行[2]。BIPV 建筑智能微電網可以作為一個可定制的電源，有效地解決分布式能源接入電網的問題[3]，并實現微電網與用戶的雙向互動，滿足用戶多元化需求，增強局部供電可靠性[4]，降低饋電損耗，提高一次能源利用率，提供電壓下陷的校正或作為不間斷電源，促進電網的節能減排。

本文研究的智能微電網系統為交流微電網，研究內容主要包括BIPV 建筑光伏發電系統、磷酸鐵鋰電池儲能系統、負載等，其系統拓撲結構圖如圖1所示。

圖1 智能微電網系統拓撲圖

1.1 BIPV 建筑光伏發電系統

通過市場調研表明，目前BIPV 光伏組件主要分為彩色晶體硅組件、彩色異質結光伏組件、銅銦鎵硒薄膜光伏組件、碲化鎘薄膜光伏組件和鈣鈦礦光伏組件等[5]。考慮光伏組件應用在墻面需兼具建筑節能與美觀雙重特性，目前墻面光伏組件應用較多的主要以薄膜光伏組件為主；考慮建筑美學性能，可選擇部分彩色光伏組件；建筑屋頂從成本、發電量等因素考慮，建議安裝晶硅組件。根據安徽天柱綠色能源科技有限公司（以下簡稱安徽天柱公司） 在蚌埠市承建并投運的BIPV 建筑項目進行光伏發電統計分析，BIPV 建筑南墻立面發電效率為屋頂發電效率的60% ～65% 左右，東西墻立面發電效率為屋頂發電效率的50% ～55% 左右,北墻立面發電效率為屋頂發電效率的20% ～25% 左右。

以安徽天柱公司兩棟BIPV 建筑、光伏車棚等為例，其光伏裝機規模共計約275 kW 左右，因光伏系統裝機規模較大，且其又無連續性生產負載，僅為辦公及宿舍食堂用電。通過分析BIPV 建筑光伏發電量和負荷用電需求[6]，要建設近乎零能耗BIPV建筑[7]，還存在約330 kW·h 電量缺口。

1.2 負載

本課題研究以單體BIPV 建筑辦公樓或研發樓為例（以下簡稱BIPV 建筑），BIPV 建筑用電設備主要包括照明設備、電腦、通風空調設備、電梯和充電樁等[8]。通過統計用電分析，冬夏季節其主要負載為照明設備、電腦和通風空調設備；春秋季節其主要負載為照明設備和電腦。其中照明設備為阻性負載，空調為感性負載，電腦為容性負載。在進行光儲逆變器及儲能電池容量配置時需充分考慮各負載特性[9]，配置電池系統，尤其是感性負載，瞬時啟動功率是額定運行功率的3～7 倍。

1.3 磷酸鐵鋰電池儲能系統

磷酸鐵鋰電池具有超長壽命、使用安全、大容量、綠色環保等特點，且國內磷酸鐵鋰儲能在電化學儲能領域占比已達90% 以上。因此，本課題選擇磷酸鐵鋰電化學儲能系統。

以安徽天柱公司BIPV 建筑為例，通過上述分析，為建設近乎零能耗用電需求BIPV 建筑，考慮儲能系統的充放電損耗及電池容量衰減，儲能電池總容量約為360 kW·h；因白天光伏發電功率與負載用電功率最大相差為80 kW，考慮設備轉換效率等因素，則配置的光儲逆變器功率為100 kW。光儲逆變器、儲能電池等接入智能微電網[10]，由智能微電網根據光伏發電量、用電負荷需求和電價政策變化等因素，進行實時控制。

儲能系統運行模式按下述方案進行設計。

（1）工作日運行模式。白天當光伏發電量超過用電需求時，儲能系統為充電模式，存儲光伏多發出的電量；其他時段儲能系統根據負載用電需求進行放電，不足部分由市電補充。

（2）休息日運行模式。全天將光伏多余發電量儲存。

1.4 智能充電系統

智能充電樁作為充電設備也是負載供電設備，其工作模式調整為在白天光伏發電時段以及夜間電價谷期，為公司或園區內電動車輛提供充電服務，降低車輛充電成本。

隨著新能源車輛的普及，BIPV 建筑可在停車場處新增智能充電樁及光伏車棚，為企業增加光伏發電及新能源汽車充電服務收入。

2 智能微電網運行模式

微電網監控管理系統可查看各設備運行狀態，如光儲逆變器運行狀態、光伏發電量、電池充放電量和電池運行狀態等各種信息，同時根據實際情況調整運行模式[11]。

若BIPV 建筑光伏發電量存在余電上網，則在白天利用BIPV 建筑光伏系統給電化學儲能系統自動充電，存儲多余光伏發電量；在夜間或光伏不發電時段，電化學儲能系統放電，滿足負載用電需求；同時為保障重要負載供電可靠性，通過智能微電網可設置儲能系統放電量不超過50%，使其同時作為不間斷電源保障重要負載供電。

3 成本分析

以一個80 m×30 m×15 m 的BIPV 建筑為例，智能微電網投資成本分析如下。

（1）電化學儲能系統為兩充兩放，峰谷套利模式。

光伏發電量小于負載用電量情況下，在低谷或平期電價時段對儲能系統進行充電，峰期進行放電[12]；減少建筑負載電費支出。儲能系統工作時間如表1 所示，相關收益測算如表2 所示。

表1 儲能系統工作時間表

表2 收益測算表

由上述統計分析可知，若電化學儲能采用兩充兩放，峰谷套利模式，則靜態投資回收期約9 年，且通過更換儲能電池后，在25 年壽命周期仍獲得約983 萬元收益，不僅可實現低碳建筑，還可獲得部分收益。

（2）電化學儲能系統為發電時移模式。

光伏發電量大于負載用電量情況下，將光伏發電多余電量進行存儲，在光伏不發電階段進行放電[5]。儲能系統工作時間如表3 所示，相關收益測算如表4 所示。

表3 工作時間表

表4 收益測算表

由上述統計分析可知，若電化學儲能采用發電時移模式，則在項目投資靜態回收期較長，但可實現近乎建筑零用電能耗建筑。

4 結語

通過統計分析蚌埠已建BIPV 建筑光伏發電實際情況，證明BIPV 建筑發電效益比較可觀，尤其是在具有專業運維的情況下，遠超預期。搭建智能微電網，可實現BIPV 建筑近乎零能耗，為建筑部門實現“雙碳”目標提供切實可行的技術方案；另因極端天氣用電負荷增長，優先保障民生需拉閘限電，同時電化學儲能的應用使得磷酸鐵鋰電池成本逐漸降低，智能微電網在BIPV 建筑的應用將進一步普及。