低碳发展背景下的建筑“光储直柔”配用电系统关键技术分析（2021）
摘 要
在低碳发展的背景下，为适应高比例的可再生能源结构，建筑电气化已经成为未来的发展趋势。建筑电气化不仅要提高建筑电气化率，还要发展新型建筑配用电系统。长期以来，建筑配用电系统的设计以满足使用者的体验感、保障电气设备的安全性和可靠性为基本要求，同时与建筑节能紧密结合。未来为适应可再生能源在电网侧高比例渗透和在建筑周边分布式发展的新趋势，建筑配用电系统迫切需要发展新技术，其中“光储直柔”是关键。调研了“光储直柔”关键技术的现状和发展趋势，介绍了“光储直柔”的集成示范建筑案例。在此基础上，从城市角度进一步分析了“光储直柔”新型建筑配用电系统发展对城市电力系统的积极作用。
0 引言
建筑是能源电力消费的主体之一。截至2018年，建筑运行过程（不含工业建筑和建筑建造）所消耗的商品能源达10亿 t标准煤，占全国能源消费总量的22%；其中建筑运行的电力消费量达1.7万亿 kWh，占全社会总用电量的26%［1］。建筑用电消费量仍在快速增长，近5年建筑用电量的年均增速超过了同期全社会总用电量的平均增速。
在低碳发展成为全球共识的背景下，建筑领域电气化也成为未来发展趋势。我国积极推动低碳事业发展，承诺二氧化碳力争于2030年达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。有研究表明，建筑领域高度电气化是能源系统低碳发展的前提。为实现巴黎协定的2度目标乃至更严格的1.5度和碳中和目标，建筑领域需要达到2个“90%”的目标，即建筑用能量中电的比重90%和建筑用电量中非化石电的比重90%［2］。
建筑电气化的技术路径不仅仅包括推进电能替代、提高建筑电气化率，还要促进建筑配用电系统的发展，提高其灵活性、安全性、可靠性和高效性，从而适应未来高比例的可再生能源渗透和差异化的供电服务需求。而且未来的建筑配用电系统也不再是单纯的消费者，它将会与城市电网深度融合为电网提供支持和辅助服务，使能源系统直接受益；会与电动汽车、分布式发电等互相协同，灵活整合多种能源；并且促进城市建设和新能源技术发展。
建筑配用电系统以建筑使用者和建筑内部电气设备为服务对象，以保障建筑电气设备的使用体验、安全性和可靠性为基本功能。长期以来，建筑配用电系统的设计与建筑节能结合在一起，例如文献［3］分析了建筑电气系统中电力变压器、电力电缆、电动机、照明灯具等环节的节能措施；文献［4］提出了建筑配用电系统节能运行的评价指标体系。近年来，随着建筑节能的深入推进，低能耗建筑、近零能耗建筑、净零能耗建筑等建筑节能新概念成为关注焦点。这些新型建筑除了节能水平进一步提高外，为了实现电力自产，太阳能等可再生能源技术的应用比例更高［5-6］。对于建筑配用电系统而言，将要更多考虑可再生能源的接入和消纳问题，尤其在未来可再生能源高比例渗透的情景下。为此，本文针对高比例可再生能源结构情景，分析建筑配用电系统应具备的关键技术，介绍典型的实际工程案例并以深圳工商业建筑为例，分析发展新型建筑配用电系统对城市电网的作用。
1 新型建筑配用电系统的关键技术
未来在高比例可再生能源结构下，新型建筑配用电应具备4项新技术——光、储、直、柔（见图1）。其中“光”和“储”分别指分布式光伏和分布式储能会越来越多地应用于建筑场景，作为建筑配用电系统重要组成部分；“直”指建筑配用电网的形式发生改变，从传统的交流配电网改为采用低压直流配电网；“柔”则是指建筑用电设备应具备可中断、可调节的能力，使建筑用电需求从刚性转变为柔性。本文将从“光储直柔”4个方面介绍它们在建筑中的应用现状和发展趋势。
1.1 “光”
太阳能光伏发电是未来主要的可再生电源之一，而体量巨大的建筑外表面是发展分布式光伏的空间资源。2018年建筑面积超过600亿m2［7］，屋顶面积超过100亿m2，估计可安装超过800 GW的屋顶光伏，年发电量超8 000亿kWh。因此，把太阳能的利用纳入建筑的总体设计，把太阳能设施作为建筑的一部分，把建筑、技术和美学融为一体，是未来建筑和能源系统的融合发展趋势［5］。
光伏组件成本的快速下降使得光伏建筑一体化变得更加可行。与10年前相比，晶体硅光伏组件的效率提升了6%，2018年已有超20%效率的产品实现商业化；同期光伏组件价格降低了94%，2018年已不到2元/W［8］。而且与光伏电站相比，建筑光伏通过与建筑设计、施工同时进行，又或安装在已有建筑屋面上，可以节省土地租赁等一系列建设维护费用，比集中式光伏电站更具经济优势。在新材料方面，碲化镉、铜铟镓硒等新型光伏电池技术在国内外也正处于快速发展阶段，未来光伏的转换效率和经济性有望进一步突破。考虑到低碳发展机遇和技术拐点的即将到来，未来光伏将会越来越多地应用在建筑中，并且成为建筑的重要组成部分［9］。光伏建筑兼具绿色、经济、节能、时尚等优势。
1.2 “储”
在未来的电力系统中，储能是不可或缺的组成部分。电池储能技术具有响应速度快、效率高、安装维护要求低等优点，是电力系统的灵活性资源和备用电源。截至2018年，我国已投运的电化学储能项目规模达107万kW［10］。有研究预测我国2050年的电化学储能容量有望达到3.2亿kW［11］。
电力系统的储能需求不只来自于电源侧和电网侧，负荷侧同样需要储能。而在建筑中应用的储能属于表后储能（behind-the-meter energy storage），是指在用户所在场地建设，接入用户内部配电网，以用户内部配电网系统平衡调节为特征，通过物理储能、电化学电池或电磁能量存储介质进行可循环电能存储、转换及释放的设备系统。随着分布式光伏和电动汽车与建筑配用电系统的融合发展，储能有利于提高建筑配用电系统的可靠性，同时允许建筑以虚拟电厂的角色参与电力系统的辅助服务。
未来储能电池技术呈现出成本降低和收益增加的趋势，因此未来建筑对于储能电池的需求会越来越大。成本上得益于电动汽车和电源电网侧储能的快速发展，储能电池的成本在近年快速降低。例如目前磷酸铁锂电池的初投资价格已经低于1.5元/Wh，考虑使用寿命和效率后的单位度电储存成本已经低于0.7元/kWh。目前很多城市的电力峰谷差已经高于0.8元/kWh，特别是随着灵活性资源逐渐稀缺，未来电价峰谷差逐渐拉大，电池储能的收益会逐渐增加。经济性会成为建筑储能市场化发展的驱动力。
建筑储能技术目前还处于初期发展阶段，真正将储能配置在建筑内部的项目还比较少。从电动汽车和电网储能借鉴来的电池设计和管理技术也需要与建筑场景的特殊需求相结合，例如更多考虑建筑电池的热安全问题。锂离子电池对温度非常敏感，其最佳工作温度范围为20～40℃，在该范围内电池的工作性能较好，安全性能良好，可使用循环次数也相对较高。北京市颁布的《用户侧储能系统建设运行规范》中要求控制在0～45 ℃。因此，电池布置如何与建筑设计结合保证电池散热，电池控制如何与建筑负荷特性匹配防止过热事故发生都是储能电池应用于建筑场景所必须解决的关键问题。
1.3 “直”
随着建筑中电源和负载的直流化程度越来越高，直流配用电可能是一种更合理的形式［12］。电源侧的分布式光伏、储能电池等普遍输出直流电。用电设备中传统照明灯具正逐渐被LED替代，空调、水泵等电机设备也更多考虑变频的需求，此外还有各式各样的数字设备，都是直流负载。建筑内部改用直流配用电网，可以取消直流设备与配电网之间的交直变换环节，同时放开配用电系统对电压和频率的限制，从而展现出能效提升、可靠性提高、变换器成本降低、设备并离网和电力平衡控制更加简单等诸多优势。
直流建筑的配用电系统结构见图1。在建筑入口处设有AC/DC整流器，其将外电网的交流电整流为直流电为建筑供电，或者在建筑电力富余时将直流电逆变为交流电对外电网供电。而建筑内部通过直流电配电网与所有电源和电器（设备）连接。当电源或电器（设备）的电压等级与配电网电压等级不同时，需设置DC/DC变压器。
早在21世纪初就已经有学者意识到可再生能源和电器直流化的发展趋势，提出了将直流微电网技术应用于建筑场景［13］。直到今天，建筑低压直流配用电技术在国内外已经有了大量的研究［14-15］。据不完全统计，国内外实际建成运行的直流建筑项目已有20余个，涵盖了办公、校园、住宅和厂房等多个建筑类型，配电容量在10~300 kW之间。
随着直流建筑研究和示范项目的积累，相关国际标准组织也已开展直流系统的标准化工作。例如国际电工委员会（IEC）于2009年正式启动了低压直流相关标准化工作，先后成立了低压直流配电系统战略组（IEC/SMB/SG4）、低压直流配电系统评估组（IEC/SEG4），并于2017年成立了低压直流及其电力应用系统委员会（IEC SyC LVDC）［16］。2018年6月，德国电气工程、电子和信息技术行业标准化组织（DKE）发布了“德国低压直流标准化路线图”［17］。2018年11月，IEEE-PES成立了直流电力系统技术委员会，旨在搭建直流电力系统技术领域的国际信息互通平台，推动直流电力系统技术领域的快速健康发展，促进直流电力系统技术以及产业的支撑配套。
未来随着“光”和“储”在建筑中的应用，低压直流配电技术将在建筑中得到持续关注和研究；同时随着标准的建立和更多家电设备企业的参与，建筑低压直流配电的生态环境也会逐渐成型。直流建筑联盟发布的《直流建筑发展路线图2020～2030》中预测直流配用电技术将拉动每年7 000亿元的市场规模［18］。
1.4 “柔”
建筑设备往往具有可中断、可调节的特性。例如空调和供热系统可以利用建筑围护结构的蓄热特性和人对温度波动的适应性来进行短期负荷功率调节，为电力系统提供一定程度的灵活性；洗衣机、洗碗机等也都具有延时启动、错峰工作的功能。寻找建筑用户体验和电网灵活性需求二者之间的平衡，建筑设备的可调节性也能够为电力系统所用，成为一种潜在的灵活性资源［19］。
事实上，建筑设备的灵活性已经受到国内外学者的广泛关注，例如IEA EBC的Annex 67项目就围绕建筑柔性用能开展了一系列研究，包括用户调节意愿调研、控制策略优化、设备调节效益分析、可调节程度评价等［20］。
然而，由于缺乏有效的激励机制，目前的需求响应技术还主要停留在理论研究和模拟仿真阶段，实际工程应用较少。未来电力市场化改革的深入推进可能会调动起建筑设备柔性调节的积极性，一方面用户参与电力市场交易的门槛会越来越低，参与其中的建筑用户会越来越多；另一方面电网辅助服务市场、电力容量市场逐步开放，建筑设备柔性调节的收益更加多样。
2 “光储直柔”示范
就单项技术而言，光、储、直、柔已有大量研究，其中与建筑场景相结合的探索也不少，例如光伏与建筑相结合的设计、采用低压直流配用电系统的建筑等都能在国内找到不少示范工程。将“光储直柔”各项技术有机融合并集成示范的项目还不多，但这必然是未来的发展趋势。位于深圳市的未来大厦R3模块就是“光储直柔”集成示范建筑之一，其建筑面积6 259 m2，是典型的办公场景，配有办公环境所必须的直流空调多联机系统、LED照明系统、直流多媒体、直流办公设备、直流充电桩等，以及智能化控制系统，未来大厦低压直流配用电系统见图2。该楼于2019年年底完工，目前已投入科研使用。
未来大厦R3模块采用了全直流配用电系统。电压等级的选择综合考虑了系统输配高效性、用电安全性、电器设备适用性等因素，最终决定采用375 V和48 V 2个电压等级。其中375 V电压等级主要用在楼内输配网络，旨在追求输配的高能效和经济性，而48 V超低电压则主要用在室内人员频繁接触的区域，旨在追求高安全性、减轻人员触电事故的危害性。在适用性方面，375 V电压等级又采用±375 V双极性母线，因此实际上可以形成750 V、375 V和48 V 3个电压等级，以供电源和负载根据各自需求选择性并网。如图2所示，空调、充电桩等大功率设备可跨接在±375 V母线上获得750 V的供电电压；而光伏、储能电池、新风机、电网AC/DC变换器等均可以接入375 V母线；人员接触频率高的小功率用电设备则由房间内48 V的DC/DC变换器供电，包括照明、风机盘管以及桌面插排等。
在直流系统接地方面，有研究表明民用建筑低压直流配电系统宜采用IT或TN接地方式，不建议采用TT接地方式［21］。未来大厦R3直流系统作为实验性系统可以在IT不接地、IT高阻接地和TN-S 3种方式间手动切换，主要使用IT不接地方式。
未来大厦R3模块配置了150 kW的光伏系统，位于1 870 m2的屋顶上。该光伏系统分8组汇流，通过具备MPPT功能的非隔离型DC/DC变换器接入建筑配用电系统的375 V直流母线，预计年发电总量为34万 kWh。由于建筑按照低能耗标准设计，采用了大量节能措施，因此单位面积用电量不超过50 kWh/m2，年用电量不到30万kWh。光伏的年发电量大于建筑年用电量，因此通过充分利用屋顶光伏，该建筑有望实现净零能耗，但是前提是解决光伏负荷曲线和建筑用电负荷不匹配的问题。
为此，建筑中配置了电池储能系统。电池储能系统分3个层级：第一层级是楼宇集中式储能，通过双向可控的储能DC/DC变换器分别接入直流±375 V母线，用于维持母线电压稳定和辅助全楼负荷调节，当前配置容量为75 kWh；第二层级储能分散地布置在末端，服务于48 V配电网，配置总容量达60 kWh；第三层级储能主要与特定设备相连，服务于设备本身，目前有60 kWh的空调专用储能分布在各楼层多联机室外机附近，协助空调负荷的调节并作为空调备用电源。
在柔性控制方面，未来大厦R3模块基于直流配用电系统，采用基于直流母线电压的自适应控制策略。现场实测数据表明，直流母线至少可以在360～390 V之间变化而不影响建筑设备的正常使用。利用直流母线电压允许大范围波动特性，建立起直流母线电压与建筑设备功率之间的联动关系，例如空调设备可以在电压较低时降功率运行，建筑储能电池和电动车在电压较高时开始充电，就可以通过调节直流母线电压来调节建筑的总功率，而不需要对所有设备进行实时在线控制。
通过集成应用“光储直柔”技术，建筑配电容量显著降低。如果按照常规商业办公楼的配电设计标准，该楼至少配置400 kW的AC/DC变换器容量。而目前该楼的AC/DC变换器容量仅配置了200 kW，比传统系统降低了50%。由此可见，“光储直柔”能够有效降低建筑对城市的电量需求和容量需求。
3 “光储直柔”建筑对城市电网的作用
建筑作为城市电力消费的主体，发展“光储直柔”建筑，除了促进建筑自身节能、提高建筑用电体验外，对于解决城市电网面临的电网增容压力、可靠性提升压力等都有积极作用。以基于深圳市大型公共建筑的用能特点，分析“光储直柔”建筑对于城市电网的作用。
3.1 削减夏季空调负荷峰值
空调是导致夏季负荷峰值的主要原因之一。根据深圳市公共建筑能耗监测平台的数据显示，2019年公共建筑的单位面积用电指标为109 kWh/m2。其中，照明与插座的用电量占比最大，达62.7%；空调用电次之，为26.5%，其余的动力用电和特殊用电占比为10.8%［22］。再选取典型日负荷曲线看，照明插座、动力用电和特殊用电受季节的影响较小，而空调用电负荷则有明显的季节差异性。以政府办公建筑类型为例（其典型日负荷曲线见图3），其夏季空调用电量占比高达40%，而冬季不到10%。如果能够充分挖掘空调系统的灵活性，一方面配置蓄冷、蓄冰、蓄电等储能设施，另一方面结合建筑的用能需求和负荷特性优化空调的运行调度策略，则有可能大幅降低夏季空调的负荷峰值。
与此同时，注意到光伏的发电峰值跟公建用电负荷峰值相重叠，积极开发建筑光伏发电资源也有利于减小建筑负荷的日间峰值。季节性上光伏发电峰值也与空调负荷峰值重叠。因此，发展“光储直柔”新型建筑配用电系统对于削减夏季空调负荷、缓解空调负荷逐年增长的压力有积极作用。
3.2 缓解电网增容压力
近年来深圳市建筑用电峰值负荷快速增长，2013-2019年深圳市用电峰值负荷增加39%，同期用电量只增加了22%。为保障用电负荷需求，2014-2018年南网深圳供电局累计电力基础设施投资达到240亿元，即每增加1 kW用电负荷，投资增加4 700-5 800元［23］。电力负荷增容快的原因一方面是空调等建筑用电负荷的增长，另一方面是电动汽车的数量增长。在有序充电技术尚未普及时，电动汽车充电呈现明显的随机性和波动性，是典型的波动性负荷。目前，深圳市目前电动车保有量已达20万辆，预计最高充电负荷达到77万kW，未来当达到100万辆时，对于建筑配电系统的安全和电网的容量都构成了巨大的挑战。用电峰值负荷增长过快，不仅导致电力基础设施资源利用率更加恶化，也侵蚀了用户用能成本降低的空间。
然而，另一方面也注意到建筑变换器普遍长期处于低负荷运行状态。有研究分析表明，深圳市的国家机关办公建筑、商业办公建筑、商场建筑和宾馆饭店建筑4个类型建筑的变压器的实际运行负载率超过75%的运行时间占比分别为0.5%、1.4%、0.8%和0%，而负载率低于25%的运行时间占比分别为88%、82%、63%和78%［23］。
“光储直柔”新型建筑配用电系统以直流配用电网为平台发展分布式能源、分布式储能和需求响应技术，实现建筑电力负荷的灵活调节，从而减少建筑对外部能源的使用量，同时削峰填谷使外部供电负荷曲线趋于平稳，提高既有电力设施利用率的方式，延缓甚至避免配电基础设施的升级改造。在当下增扩容所能带来的边际效益越来越低的情况下，这种方式可能比单纯的电网增容更加经济。对于深圳市电网而言，假设延续近年增速到“十四五”末期深圳市建筑用电峰值负荷达2 500万kW，如果通过发展“光储直柔”新型建筑配用电系统削减50%的建筑用电峰值，则可以减小电网投资50亿~60亿元，相当于节省一个抽水蓄能电站的投资。
3.3 增强电网供电可靠性
保障供电可靠性一直都是电网规划、建设和运行调度的关键目标，电网企业在保障供电可靠性方面承担了巨大的社会责任。据统计，2018年我国333个地级行政区平均供电可靠率为99.826%，其中城市用户平均供电可靠率为99.946%，即平均停电时间为4.72 h/户，达到了国际领先水平［24］。但现阶段供电可靠性的实现主要是依靠电网侧电力设施冗余配置实现，这不仅使电网企业承担了巨大的投资压力，也制约了可靠性进一步提高。实际上，供电可靠性保障应是电力供需双方的责任，在用户侧增加分布式电源，利用直流微电网接入简单、调控灵活的优势，能够有效地提升用电的可靠性，并且配合峰谷电价、需求响应等激励政策，还能够降低用户的用电成本。发展“光储直柔”新型建筑配用电系统，充分利用两部制电价和峰谷电价差，可从用户侧进一步降低用能费用。
4 结语
“光储直柔”技术并非全新的技术，但是在建筑领域的集成应用却是全新的探索。尤其在低碳发展背景下，可再生能源高比例渗透，建筑节能理念的转变为“光储直柔”技术的发展创造了机遇和场景。然而，“光储直柔”在建筑中集成应用仍然面临着技术不成熟、标准不完善、产品不完备等问题，要想实现工程应用和大规模推广，未来还有待更广泛深入的研究、跨学科跨部门的流程和大量实践经验的积累。
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