既有辦公建筑供電系統的直流改造實踐

蔣 銳, 劉 林

(四川省建筑設計研究院有限公司,四川 成都 610000)

0 引 言

在“雙碳”目標大背景下,《國務院關于印發2030年前碳達峰行動方案的通知》中明確指出:“提高建筑終端電氣化水平,建設集光伏發電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的‘光儲直柔’建筑”[1]。然而,目前“光儲直柔”系統的應用局限在部分試點項目,未能廣泛地推廣。截至2023年7月,僅成都市辦公樓市場全口徑存量為2 331.9萬m2,有巨大的存量空間來實現“光儲直柔”碳達峰行動[2]。

如何在既有民用建筑的改造中,把“光儲直柔”系統應用于建筑電氣交流供電系統中,成為了存量建筑改造的新課題。針對供電系統,文獻[3]對含多種分布式電源的交直流混合配電網進行了仿真研究;文獻[4]提出基于多端口電能路由器的直流微電網典型拓撲結構,運行及測試結果表明,該系統可實現源荷儲即插即用的接入,提高清潔能源的利用率,并保持安全、高效、可靠的運行,具有實際推廣應用價值;文獻[5]提出一種新的交直流混合配電系統網架結構規劃方法,該方法考慮了網架交直流配置的所有可能性。文獻[6]從民用的角度出發,對低壓直流供電系統中涉及電氣安全的保護策略、短路電流計算、直流滅弧問題、電容放電問題、電擊防護、末端過電流保護和負載保護的特殊要求等方面的研究現狀做了一個較為全面的闡述;相比于傳統的純交流規劃方案具有更高的經濟性和供電能力。

本項目采用交直流混合構架為光伏微電網系統供電。通過光伏系統的運行參數,從實踐穩定運行的角度側面驗證了該系統的穩定性和可行性。運行數據與通過PVsyst軟件對光伏系統進行仿真的數據進行對比分析[7]。

1 “光儲直柔”系統難點分析

1.1 儲能安全

既有建筑的電化學儲能站房在設計層面缺乏有力的規范依據,無法清晰地定義儲能電站的火災危險性,因此無法為相關設計提供支撐。

目前,僅有部分地方規范有相關要求,具體項目需與項目所在地相關職能部門溝通協商后實施,存在權責方面的隱患,該問題亟待解決。

1.2 直流系統

T/CABEE 030—2022《民用建筑直流配電設計標準》對1 500 V及以下的直流配電設計進行了明確。但是,直流供配電系統與交流供配電系統如何在光伏建筑一體化建筑中合理地搭配,貫徹“光儲直柔”建筑理念,直流系統架構的搭建等方面仍然存在需要解決的問題。直流電器、直流變換器等負荷設備未能規模化生產,經濟性差亦制約了直流系統的推廣。

1.3 柔性控制

目前,柔性控制系統在宏觀的地區層面受電網調度、管理等影響,未能與各微電網貫通,亟須與地區電網合并控制形成地區級虛擬電廠[8-12]。

1.4 柔性控制現狀

1.4.1 負荷的柔性控制

按照T/CABEE 030—2022《民用建筑直流配電設計標準》中第4.2條相關規定,僅三級用電負荷和建筑儲能參與柔性控制。三級負荷按柔性特征可分為可中斷負荷、可遷移負荷、可比例調節負荷。可中斷負荷是指在用電過程中,可根據需求隨時切斷電源,停止運行的負荷,如自帶電池的筆記本電腦、手機、平板,以及緊急情況下的不重要負荷;可遷移負荷是指在用電過程中,可根據需求調整運行時間的負荷,如空調、有預約功能的洗衣機、洗碗機、熱水器等;可比例調節負荷是指在用電過程中,可根據需求消減或提升運行功率的負荷,如空調、照明以及建筑儲能(含電動車)等[13-14]。可以在用電高峰時段根據負荷性質采取不同的控制策略,分時分區對設備進行控制。

1.4.2 儲能的柔性控制

儲能電池是直接儲存電力的設備,它既可以作為建筑或者設備的備用電源,在電力供給故障時為建筑或者設備提供短暫的電力供給,還可以結合峰谷電價在低電價時段儲存電力,在高電價時段釋放電力,從而實現削峰填谷。蓄冷水箱或蓄熱裝置可以間接地儲存電力,即把波谷時期的電能轉化為冷量或者熱量儲存起來,在波峰時期釋放。

1.4.3 電動汽車的柔性控制

電動車大部分時間停在住宅、辦公、商業建筑周邊的停車場。在充電樁設施健全后,電動車完全可以實現有序充電和雙向充放電,與建筑用電負荷協同,利用冗余電池容量和循環次數可以為建筑提供柔性控制。

1.4.4 供電設備的柔性控制

目前在建筑電氣設計過程中,裝機容量普遍較大,在實際運行過程中,變壓器的負載率偏低,具備柔性調整供電方案的空間。另外,項目的可調負荷亦未能根據總體供需關系調整,以減少用能需求。

在“光儲直柔”系統引入后,可根據建筑既有樓宇控制系統的實時檢測數據,對可調負荷進行控制,在負荷達到運行邊界時,降低項目整體變壓器投運數量,進而提高運行變壓器的負載率,降低變壓器損耗和基礎電費。

2 實踐和探索

在光伏建筑一體化改造項目中,對既有辦公建筑供電系統的直流改造進行實踐驗證。

2.1 組件選擇

為研究各種材質在當地的實際發電效率,本項目選擇3種材質的組件進行安裝。光伏組件安裝情況如表1所示。

表1 光伏組件安裝情況

單晶硅安裝情況如圖1所示。薄膜組件安裝情況如圖2所示。

圖1 單晶硅安裝情況

圖2 薄膜組件安裝情況

2.2 化學儲能系統

采用一種基于場景線性化重塑的用戶側儲能容量高效規劃方法[15],結合文獻[16],構建多網絡節點的用戶側綜合能源系統規劃運行聯合優化模型,對項目進行分析,該模型同時考慮設備配置優化、網絡與儲能優化以及可再生能源的充分利用,融合考慮季節變化和日內時序的運行優化。最終得到本項目最優配置為61.44 kWh。

2.3 交直流混合供電系統

本項目光伏發電各單元通過DC/DC換流器把電壓升至DC 750 V后在母線匯集,直流空調設備直接采用DC 750 V系統電壓為設備供電,屋面和零碳辦公空間內照明設備分別通過DC/DC換流器把電壓降至DC 220 V后對照明設備供電。各直流母線匯總,在樓層干線交流380 V低壓并網。供電系統示意圖如圖3所示。該部分負荷避免了傳統光伏供電系統“交-直-交”兩次變流造成能源損耗,提高了系統的能效和可靠性,降低了經濟成本。傳統辦公空間的負荷指標為30～70 W/m2,其中空調負荷指標約為40 W/m2,本項目在采用直流空調系統后空調部分負荷指標約為30 W/m2,降低約25%,在直流供電系統的加持下,經濟效益顯著。

圖3 供電系統示意圖

2.4 柔性控制系統

為減少投資、增強項目的可實施性,本項目僅對直流母線段的光伏發電量、儲能容量與直流負荷進行匹配,暫時不考慮交流負荷參與下的動態平衡,亦不考慮地區級的虛擬電廠調度調節。僅通過對辦公建筑樓宇管理系統的改造,達到直流段電能的動態平衡。

基于并網逆變器、儲能管理系統的既有功能,制定控制策略。計算用戶逐時負荷和建筑分布式光伏逐時出力,以便實現各類電源和負荷的合理容量配置。實時一、二級負荷分布、實時光伏系統發電量分布、實時可調負荷分布、實時空調蓄冷、熱分布、實時蓄電池狀態。采取范圍內自我匹配消納、節點檢測控制的方式調整系統輸入和儲能輸入、輸出。電能流轉示意圖如圖4所示。

圖4 電能流轉示意圖

2.5 測試數據分析

項目涉及單晶硅、碲化鎘(黑色)、碲化鎘(橙色)、銅銦鎵硒(黑色)4種材質,各組件產品參數如下:單晶硅組件產品標稱效率21.10%,碲化鎘組件產品標稱效率14.06%,銅銦鎵硒組件產品標稱效率13.33%,北區單晶硅安裝高度比其余組件高10 m,采用0角度敷設,等效峰值發電時間可作為各材質發電性能的對比。

取7月21日—8月8日的發電數據,分別對應7月、8月氣象數據做對比分析。等效峰值發電時間統計表如表2所示。根據Meteonorm 8.1氣象數據,系統效率按80%考慮,在5月的系統日等效峰值發電時間為2.86 h、6月的系統日等效峰值發電時間為2.89 h、7月的系統日等效峰值發電時間為2.91 h、8月的系統日等效峰值發電時間為3.24 h。

表2 等效峰值發電時間統計表

3 結 語

此次改造部分的空調和照明采用了直流供電,整個光伏系統采用自發自用、就地消納、余電上網的理念搭建系統。直流設備的選用避免了傳統光伏供電系統“交-直-交”兩次變流造成能源損耗,提高了系統的能效和可靠性,降低了經濟成本。

在直流供電系統的加持下,空調系統的用能降低約25%,經濟效益顯著,為后續全面推廣零碳辦公和光伏建筑一體化系統起到了建設示范作用。

通過對光伏系統PVsyst軟件仿真數據與實測數據的對比分析,驗證了光伏系統的穩定性和設計的合理性,同時對該交直流混合供電系統的穩定性和可行性側面進行了驗證。