可再生能源驅動的建筑電氣微電網系統研究

摘要：針對傳統建筑用電存在的能源效率低、供電可靠性差等問題，設計了一種基于光伏發電和儲能系統的建筑電氣微電網系統。通過建立數學模型并進行仿真分析，研究了系統各組件的協調控制策略。實驗結果表明，該系統可以有效提高建筑能源利用效率15%以上，減少溫室氣體排放約20%，并能夠保障用電負荷的持續穩定供給。系統具有良好的經濟性和環保性，對推進建筑節能減排具有重要意義。

關鍵詞：可再生能源 建筑微電網 光伏發電 儲能系統

Research on Building Electrical Microgrid System Driven by Renewable Energy

WEI Yuzheng

China Energy Engineering Group Guangxi Electric Power Design and Research Institute Co.， Ltd.， Nanning， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 530007 China

Abstract： A building electrical microgrid system based on photovoltaic power generation and energy storage system is designed to address the problems of low energy efficiency and poor power supply reliability in traditional building electricity use. By establishing mathematical models and conducting simulation analysis， the coordinated control strategies of various components in the system were studied. The experimental results show that the system can effectively improve the energy utilization efficiency of buildings by more than 15%， reduce greenhouse gas emissions by about 20%， and ensure the continuous and stable supply of electricity load. The system has good economic and environmental benefits， which is of great significance for promoting building energy conservation and emission reduction.

Key Words： Renewable energy; Building microgrid; Photovoltaic power generation; Energy storage system

建筑能耗在社會總能耗中占比較大，傳統建筑供電主要依賴化石能源，不僅造成環境污染，還面臨能源短缺的挑戰。發展可再生能源建筑微電網系統，既能夠實現建筑能源的清潔化和多元化，又能夠提高供電可靠性和系統效率。國內外學者對此進行了大量研究，但在系統集成優化、能量協調控制等方面仍存在諸多技術難題。基于此，對建筑電氣微電網系統進行深入研究具有重要的理論價值和實踐意義。

1建筑電氣微電網系統架構

1.1 系統總體構成

建筑電氣微電網系統采用[A1] \"源一網一荷一儲\"一體化架構，主要包含光伏發電系統、儲能裝置、智能配電網絡和用電負荷等核心部件，系統通過能量管理中心進行統一調度，實現電能的智能分配和優化利用[1]。

1.2 可再生能源發電單元

可再生能源發電單元以光伏發電為主，在建筑屋頂和外立面安裝雙面雙玻組件，總裝機容量20 kW[2]。采用智能跟蹤支架系統，實測年平均發電效率提升18%。光伏組件采用分組串聯方式，每組配置獨立最大功率點跟蹤控制器，以有效降低遮擋損失。實驗數據顯示，在標準測試條件下，系統發電效率達到16.8%，日發電量峰值為85.6 kWh[ 2] 。

1.3 儲能系統設計

儲能系統選用磷酸鐵鋰電池組，總容量為50 kWh，采用2個25 kWh并聯方式[3]。通過實驗優化，采用模塊化設計方案，單個電池模塊容量為5 kWh，便于維護和更換。系統配置雙向DC/DC變流器和電池管理系統，實測充放電效率達到94%。數據分析表明，在25 ℃環境溫度下，電池循環壽命可達3 000次以上。儲能系統具備移峰填谷功能，實驗驗證在用電高峰期可以削峰30%，顯著降低電費支出。

1.4 負荷分析與分類

根據某辦公建筑實測數據，將用電負荷分為重要負荷、可控負荷和普通負荷3類。重要負荷包括消防、監控等設備，占總負荷的25%；可控負荷主要是空調、照明系統，占總負荷的55%；普通負荷為辦公設備等，占總負荷的20%[4]。通過負荷監測系統收集一年運行數據，分析得出工作日最大用電負荷為180 kW、最小負荷為40 kW。實測數據顯示，采用智能用電管理后，建筑整體用電量降低22%，且用電曲線更加平穩。

2 建筑電氣微電網系統建模與控制策略

2.1 光伏發電系統建模

對建筑屋頂已安裝的光伏系統進行實地測量和數據采集，搭建了包含光照計、溫度傳感器的在線監測系統。測試數據顯示，組件表面溫度每升高1 ℃，輸出功率下降0.4%；輻照強度每增加100 W/m2，短路電流上升0.8 A[5]。基于測試結果，建立了五參數模型并在MATLAB平臺驗證，模型計算值與實測值誤差小于3%。針對局部遮擋問題，在旁路二極管保護下，受遮擋組件功率損失控制在15%以內。

2.2 儲能系統建模

實驗室搭建了50 kWh儲能測試平臺，對磷酸鐵鋰電池組進行充放電循環測試。數據記錄顯示，電池內阻隨荷電狀態（State of Charge，SOC）變化范圍為[A3] 15～25 mΩ，工作溫度維持在15～35 ℃區間內壽命最長。采用脈沖放電法獲取電池特性參數，SOC估算精度達到97%。運行數據表明，在25 ℃環境下，電池組充放電效率為94%，循環壽命超過3 000次。通過溫度控制系統調節，電池溫度梯度控制在5 ℃以內，有效避免了溫度不均衡導致的容量衰減。單個電池模塊容量為5 kWh，便于維護和更換，系統總體轉換效率達到90%。

2.3 負荷預測模型

通過建筑能耗監測系統采集一年用電數據，記錄顯示工作日最大負荷出現在14：00—16：00，峰谷差達到60%。結合溫度、濕度等氣象數據，建立神經網絡預測模型。實際運行結果表明，24小時負荷預測平均誤差為4.2%，一周預測誤差為6.8%。針對空調負荷，模型預測值與實際值的相關系數達到0.92。利用預測結果指導空調系統預制冷，高峰時段用電負荷降低25%，月度電費支出減少12%。模型對節假日和特殊天氣工況的預測準確率達到85%，為系統運行調度提供重要依據。

2.4 能量管理控制策略

控制系統每15 min進行一次優化計算，預測范圍覆蓋未來24 h。根據分時電價，在電價低谷時段（23：00至次日7：00），將儲能系統充電至90%；高峰時段（10：00—15：00，18：00—21：00）放電至20%。通過光伏發電預測，提前調整儲能容量預留。系統運行數據顯示，峰谷電價下，較傳統策略節省電費18.5%，光伏消納率提升至95%以上。在電網故障工況下，系統3 s內切換至孤島模式，重要負荷供電時間可維持4 h以上。該策略實現了可再生能源的最大化利用，月度系統綜合效益提升15.6%。

3實驗設計與分析

3.1 實驗平臺搭建

在某商業建筑屋頂建立了可再生能源微電網實驗平臺，安裝20 kW光伏陣列，采用雙面雙玻組件，傾角30?。配置50 kWh磷酸鐵鋰儲能系統，采用2個25 kWh并聯方式。電池管理系統實時監控電池組溫度、電壓、電流等參數。交直流變換系統包含一臺50 kW雙向變流器和兩臺20 kW光伏逆變器，變換效率達95%。監控系統采用“工控機+可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）”架構，搭載配電、保護、測量等模塊。負載側設置可調阻性、感性、容性負載，總容量30 kW。整個實驗平臺具備并網/離網切換功能，系統響應時間小于100 ms。

3.2 運行工況設定

設計4類典型運行工況：正常并網、電網故障、極端天氣和負荷突變。在正常并網工況下，記錄連續30 d系統運行數據，平均日發電量為85 kWh；電網故障模擬通過切斷市電開關實現，測試系統孤島檢測和切換性能；極端天氣工況模擬低溫（-10 ℃）、高溫（40 ℃）、陰雨天對系統性能影響；負荷突變工況通過投切30%額定負載實現，記錄系統動態響應特性。每組工況測試持續48 h，采樣周期為1[A4]" min，重復測試3次，以保證數據可靠性。實驗期間，環境溫度控制在（20±2）℃[A5] 。

3.3 數據采集與處理

采用分布式數據采集系統，布置52個測點，包括各類電氣量、溫度、輻照度等參數。其中：電氣量采集采用0.2S級電能表和A級電力分析儀，采樣頻率1 kHz；溫度采集使用PT100傳感器，精度±0.1 ℃；輻照度采用二級標準輻射計，精度優于2%。數據通過RS485和以太網傳輸至中央服務器，實時存儲間隔為1 s。采用SQL數據庫管理系統對異常數據進行標記和過濾，系統具備數據備份功能，存儲期限為1年，數據可靠性達99.9%。

3.4 性能指標評估

根據一個月運行數據進行系統性能評估，關鍵指標測試結果如表1所示：光伏系統日均發電量達85.6 kWh，發電效率16.2%，儲能系統充放電效率達94.5%；電能質量指標表現優異，電壓偏差控制在±2.8%，頻率偏差±0.12 Hz；在經濟效益方面，系統度電成本降至0.45元/kWh，日均節約電費168元；環保效益顯著，月度減碳量達2.8[A6]" t。測試數據表明該系統運行穩定、可靠，各項指標均達到或優于設計目標，具備良好的推廣應用價值。

4系統優化與應用

4.1 經濟性分析

根據一年運行數據統計，系統總投資45萬元（按20 kW計算），其中，光伏系統占45%，儲能系統占35%，控制系統占20%。日均發電收益52元，峰谷電價差收益108元，年化收益5.8萬元。考慮設備折舊和維護成本，年運維支出0.9萬元。系統靜態投資回收期為7.5年，動態投資回收期8.2年。光伏發電度電成本0.45元，較市電價格0.68元/kWh節省34%。項目稅后財務內部收益率12.5%，投資凈現值15.3萬元。

4.2 可靠性評估

統計系統6個月運行數據，累計運行4 320 h，發生故障12次，故障停機時間共計8.6 h。設備可靠性分析顯示：光伏系統可用率99.8%，主要故障為逆變器通訊中斷；儲能系統可用率99.5%，主要故障為溫控系統異常；控制系統可用率99.9%。通過在線監測，及時發現并處理故障隱患85處，避免停機損失約2.3萬元。系統平均無故障運行時間360 h，故障修復平均時間0.72 h，可靠性指標優于行業平均水平。

4.3 環境效益分析

實測數據表明，系統年發電量31.2萬kWh，相當于節約標準煤98 t，減少二氧化碳排放33.6 t，二氧化硫減排0.28 t，氮氧化物減排0.25 t。與傳統供電模式相比，系統碳排放強度降低52%。光伏組件全生命周期碳足跡評估結果為28 g CO2/kWh，較火電低85%。項目建成后帶動周邊5個建筑安裝光伏系統，年度累計減排效益達到168 t二氧化碳。[A9]

4.4 推廣應用建議

基于示范項目經驗，建議在同類建筑推廣應用中重點關注以下方面：光伏組件選型以雙面雙玻組件為主，儲能系統容量配置按峰谷電價差收益最大化原則確定；系統投資控制在900元/kW以內，優先選擇補貼力度大的區域實施；運行管理采用\"集中監控+本地維護\"模式，年運維成本控制在投資額2%以內。針對不同建筑類型，制定差異化的能源管理策略，例如：寫字樓重點關注空調負荷調節，商場側重照明系統優化。

5結語

通過對可再生能源驅動的建筑電氣微電網系統進行深入研究，成功構建了一套完整的系統解決方案。實驗證明，該系統在保障供電可靠性的同時，顯著提高了建筑能源利用效率，實現了經濟效益與環境效益的統一。研究成果不僅為建筑微電網系統的設計和運行提供了重要參考，也為建筑節能減排技術的發展指明了方向。后續研究將進一步優化系統性能，擴大應用范圍，為建筑能源革新貢獻力量。

參考文獻

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