什么是“光储直柔”？什么是建筑的光储直柔配电系统？

“光”即建筑光伏；

“储”是建筑内分布式蓄电及利用邻近停车场电动汽车的电池资源；

“直”指建筑内部采用直流供电；

“柔”则是光储直柔的目的，即实现柔性用电，使其成为电网的柔性负载或虚拟灵活电源。

什么是建筑的光储直柔配电系统？

典型的光储直柔配电系统如图所示。

“光”指的是建筑屋顶光伏发电，通过 DC/DC（直流到直流的变流器）接入375Ｖ 直流母线。

“储”则是指由直流母线通过 DC/DC 连接的、布置于一处或多处的蓄电池组，以及由这条直流母线连接的布置在邻近停车场的若干个充电桩，通过这些充电桩为停车场电动汽车蓄电池充／放电。

“直”是指实现直流供电，包括动力和充电设备的375Ｖ 直流，以及通过DC/DC变换得到的供小功率电器使用的48Ｖ 直流分支。375Ｖ 直 流 母 线 通 过 AC/DC（交流到直流变流器）与交流380Ｖ 的外电网连接，从外电网输入电量以满足建筑的用电需求。

“柔”是指这一系统对电网来说，不是供电量必须等于此时负载侧消耗电量的刚性负载，而是从电网的取电量可以根据电网的供需关系在较大范围内调节，从电网侧看，这一用电系统成为电网的柔性负载。

柔性的实现主要通过各用电设备的“需求侧响应”实现，各设备可以根据电网的供需关系自动改变其瞬时用电功率；还包括各蓄电池的“需求侧响应”，系统内所连接的蓄电池和电动汽车蓄电池可以根据电网的供需状况调节充电/放电功率，从而改变AC/DC处从外电网进入系统的电功率。所以光储直柔配电系统的最终目标是使建筑用电系统由目前的刚性负载变为柔性负载，可以根据电力系统的供需关系随时调整用电功率，而不决定于当时系统内各用电设备的用电功率。

光储直柔配电系统的工作原理如下。

电力系统根据电网的电力供需关系，要求光储直柔配电系统某时刻的用电功率为 P0，此 时 AC/DC 可恒定输出功率P0。直流母线输入功率为P0＋PV，其中PV为光伏发电的输入功率。由于各用电设备和蓄电装置的功率随直流母线电压的变化而自行变化，所以当包括蓄电池和充电桩在内的各用电设备的总功率等于P0＋PV时，如果直流母线电压处于要求的上限电压Vmax和下限电压Vmin之间，则系统维持平衡。当某用电设备试图增大功率，使总功率高于P0＋PV时，直流 母线电压下降，此时各用电设备将自动根据电压下降程度减小自身用电功率；蓄电池、充电桩也根据电压下降程度减小充电电流，甚至转换为通过放电向系统提供部分功率。这样，随着直流母线电压的下降，系统从外电网的取电功率不断下降，最终重新平衡到P0＋PV。反之，如果各用电设备试图降低功率，从而使总功率低于P0＋PV，母线电压就会升高，各用电设备就会根据电压的升高自动加大自身的用电功率，蓄电池、充电桩也会自动增大充电功率，这样，从外网取电的功率就会重新平衡在P0上。

当外电网和光伏发电的供电功率 P0＋PV 过大，而各用电设备和充电装置功率过小时，直流母线电压达到允许的上限Vmax，此时就要通过AC/DC 减小从外电网引入的电功率 P0 和调节光伏发电的 DC/DC，通过部分“弃光”使母线电压稳定在Vmax；而当外电网和光伏发电的供电功率过小，小于当时各用电设备的总功率，而各蓄电装置也已经无电可放时，AC/DC将加大供电功率，使直流母线电压维持在Vmin，以保证基本的用电需求。在这２种情形下，系统从外电网的取电功率会出现小于或大于要求的用电功率 P0 的现象，此时光储直柔配电系统就不能实现严格按照要求的取电功率从外电网取电。是否会出现这种工况取决于系统内各用电设备功率的可调节能力，也取决于系统设置的蓄电池和当时所连接的电动汽车的蓄电池容量。

建筑光储直柔配电系统既然是为了配合电网进行功率调节，就要考察其在各种工况下从外电网取电功率的可调整范围。而这一功率可调整范围取决于建筑内部分布设置的蓄电池容量、建筑周边停车场所连接的电动汽车电池总容量及各个用电装置的功率可调节能力。

光储直柔配电系统的可行性及其对发展新型电力系统的贡献

光储直柔建筑的“柔性”有多大，也就是其对电力供需平衡的调节潜力有多大，对建立以零碳电力为基础的新型电力系统可以起多大作用，这是本章重点讨论的问题。

（1）光储直柔建筑对电网供需平衡的调节能力

为光储直柔建筑提供蓄能能力最重要的资源是电动汽车。目前的纯电动车电池容量为 50～100ｋＷ·ｈ/辆，采用慢充方式，充电功率可根据电力供需关系在0～10ｋＷ之间调节。如果每100ｍ2建筑有１辆电动汽车（对居住建筑而言，相当于一户一车；对办公建筑而言，相当于每2～3人一车），则每1万 ｍ2建筑可连接100辆车，瞬态充放电能力为0～1ＭＷ，最大日储电能力在5ＭＷ·ｈ以上。每1万 ｍ2建筑自身用电功率为0～1 ＭＷ，日用电量4ＭＷ·ｈ左右，100辆汽车的日用电量1ＭＷ·ｈ左右。每1万 ｍ2建筑如果安装50ｋＷ光伏板，保守估计每年发电量60 ＭＷ·ｈ，夏季每天发电量至少0.25ＭＷ·ｈ，约为建筑和车辆用电量的1/20。如果认为每天从电网的取电量等于除自身光伏发电量之外的全天建筑用电和车辆用电之和，则每天需要从电网取电4～5ＭＷ·ｈ。从电网取电的最不利工况是连续从电网按照最大功率取电，而在取电时段各类设备用电量为零；配合电网调节的另一个最不利工况则为要求从电网取电量为零，而建筑处于用电高负荷。

如果建筑入口配电容量为1ＭＷ，全天建筑和汽车用电总量为4～5ＭＷ·ｈ，当停车场停满车辆时，为汽车电池充电的充电功率可达1 ＭＷ，满 足消纳要求；可消纳的电量为2～4 ＭＷ·ｈ（取决于各辆汽车中蓄电池的状态），有1～2 ＭＷ·ｈ的缺口，需要建筑内分布式蓄电和其他用电设备消纳。

在要求从电网取电功率为零时，100辆电动汽车可提供的功率可达1ＭＷ，满足建筑最大用电功率的需要。如果车辆内蓄电池平均电量为 50％（2.5 ＭＷ·ｈ），而极端状况下此时段内建筑需要电量4ＭＷ·ｈ。这样，缺口也在2ＭＷ·ｈ左右，需要依靠建筑内分布式蓄电池和通过减少此时间段用电设备的用电功率来解决。当停车场车辆不足时（如办公建筑夜间），需要建筑内分布式蓄电提供电力，并尽可能降低此时的建筑用电功率。

为此，光储直柔建筑需要根据具体的运行条件对1万 ｍ2建筑配置至少1 ＭＷ·ｈ的分布式蓄电池，再依靠各类用电设备的运行模式调整，把 1ＭＷ·ｈ的电量需求转移到外电网，由外电网提供。可以进行较长时间电量转移的用电装置（技术）包括：

1）大型公共建筑、商业建筑的冰蓄冷、水蓄冷。这是已经发展了近30年的成熟技术，1万ｍ2的全空调建筑的冷源，包括冷却塔、冷却水泵，可转移500ｋＷ·ｈ以上的电量。

2）带蓄热水箱的生活热水系统。无论是热泵制热水还是电热制热水，根据热水系统容量不同，也可以转移100～300ｋＷ·ｈ的电量。

3）居住建筑的洗衣机、烘干机等。这些设备也可以实现长时间的部分电量转移。

如果建筑内不具备足够的可转移电力负荷的用电装置，可能就需要增加蓄电池容量，以满足极端工况下的需求。

以上是针对极端工况下满足外网功率调节能力的情况，多数的场景是需要应对短时间段（如1～2ｈ内）消纳多余电量的需求或补充电量不足的需求。在后面的情况下，更多的用电设备可以参与用电功率调节，如各类风机水泵、分体或多联机空调，都可以在短期内改变转速或提高/降低设定温度，对瞬时功率进行30％以上的调节，而在1～2ｈ的时间周期内这种调节几乎很难被使用者感知。冰箱、冷柜等用电设备多为通断式控制，根据功率调节的要求在1ｈ内平移运行时间也不会影响其储藏功能。这些设备都需要设备制造企业根据自身产品性能研究开发带有调控策略的接口。选用调节性能好的用电装置，可以增加系统的柔性用电能力，或可在实现相同柔性能力的前提下适当减小蓄电池的装机容量，节省投资。

根据以上分析，1万 ｍ2的居住建筑或办公建筑加上100个充电桩并连接电动汽车，在一天的任何时间都有可能实现1 ＭＷ 功率调节能力，只要在一天中的任何一个或几个时间段内从外网提供足够电量，即可满足建筑及所负责充电的电动汽车的全天用电。当建筑实现全面电气化后，1万ｍ2居住建筑加50％的100辆电动汽车全年耗电60万～70万ｋＷ·ｈ；1万 ｍ2办公建筑加50％的100辆电动汽车全年耗电100万～120万ｋＷ·ｈ。如果在城市附近有1ＭＷ 集中光伏电站，全年发电120万ｋＷ·ｈ，就可以由这部分光伏电站专门供应上述1万 ｍ2办公建筑或2万 ｍ2居住建筑及相应的电动汽车用电。光伏电站通过选择合适仰角，可以获得冬夏不同的发电功率比（仰角高于当地纬度可以使冬季发电量大于夏季，反之则夏季发电量大于冬季），与建筑冬夏用电比例相匹配。在我国大多数地区，一年中可能会出现几次连阴天，导致光伏发电不足，如果调峰火电在这几天通过电网供电，就可以使这些建筑全年大部分时间依靠零碳的绿色电源运行。这就是如何通过光储直柔配电系统实现建筑的近零碳运行（需要由调峰火电全年提供的调峰电力不超过电负荷的 10％）。当具有大规模的光储直柔建筑后，可以根据气象预报获知未来出现的连阴天状况，从而得到光伏电力的短缺量。这时即使是启动燃煤电厂，也可以使其在连阴的2～4天内连续稳定地在高效工况下运行，而不再是目前意义下的调峰电厂。稳定的功率送至光储直柔建筑，满足日总用电量需求，依靠光储直柔系统自身的柔性解决一天内用电量的变化。

（2）光储直柔对发展新型电力系统的作用

我国未来的新型电力系统中，风电、光电每年提供约8万亿ｋＷ·ｈ的电量，通过水电和抽水蓄能的协同调节，可以提供2万亿ｋＷ·ｈ，剩余6万亿ｋＷ·ｈ需要其他的调控资源。这6万亿ｋＷ·ｈ的风电、光电，农村屋顶光伏及零散空地的风电发电约2.5万亿ｋＷ·ｈ；城市周边集中风电、光电（包括海上风电）和屋顶光伏发电约 3.5万 亿ｋＷ·ｈ。

农村如果建成如图5所示的村级直流微网，除实现电气化满足自身生活、生产和交通用能外，每年还可以按照电网需求侧要求而调整0.7万亿～1万亿ｋＷ·ｈ电力输出上网。依靠农村用电负载上占很大比例的各类车辆蓄电池及农业生产的需求侧响应用电模式，再加上农村直流微网配置的分布式蓄电装置，这0.7万 亿～1万 亿 ｋＷ·ｈ电 力可以按照电网指定时段上网，有效用于电力调峰。

如果城镇的300亿 ｍ2居住 建 筑 和100亿 ｍ2办公建筑及其他功能建筑改造为光储直柔配电，并且通过周边停车场与2亿辆电动汽车连接，则每年可消纳自身和外界的风电、光电3万亿ｋＷ·ｈ，可以完成风电、光电剩余部分85％的消纳任务。剩余0.5万亿ｋＷ·ｈ的风电、光电即可通过集中的空气储能、化学储能和制氢等方式进行一周或更长的储存周期来调整和消纳，应对连阴天、静风天等不利气候因素，以保证电力的可靠供应。

由此可见，研究开发建筑的光储直柔配电系统，在取得成熟经验后全面推广这一系统，对我国建设和发展以风电、光电为主要电源的新型电力系统有至关重要的作用，是能源消费侧革命的重要内容。

新型电力系统将使电力系统的电源由目前的集中式转为半集中、半分布式；电网将由目前的单向受电电网转为双向有源电网；系统的稳定性将由依靠电源侧的转动惯量和同步容量维持转为较多地依靠负载侧的分布式蓄电；系统的安全性则由目前的冗余备用转为分布式电源和蓄电；电力的供需关系由目前的“源随荷变”转为“荷随源变”；电力成本也由目前不同时段的2～3倍之差转变为不同时段5倍以上的差别。建筑的光储直柔配电方式全面迎合这些重大改变，是这些重大变化在建筑用电系统和用电方式中的体现。

未来电源的成本在一天内有巨大变化，当风电、光电可以满足负荷需求时，电力成本低于目前的燃煤电力；而当风电、光电功率不足、需要依靠各种蓄电方式把风电、光电高峰期的剩余电量转移过来应对负荷需求时，电力成本将是低成本时段的5～10倍。蓄能和用电侧需求响应的功率调节将比用电效率还重要。光储直柔系统的任务就是通过挖掘利用各种可能的蓄能资源，挖掘需求侧可响应供需关系变化并进行实时功率调节的能力。以上讨论仅是搭建了一个可开始尝试这种新的运行方式的平台，各种储能和需求侧响应的方式和潜力都还可以进一步深入挖掘，使建筑在新型电力系统的建设和发展中起到更大的作用。

目前我国电力系统的主导电源仍然是燃煤火电。由于燃煤锅炉难以大范围快速调节和城市电力负荷日夜间的巨大差别，导致目前大多数地方存在白天电少、晚上电多的现象，所谓峰谷时段电价差也主要是白天和晚上的电价差。随着风电、光电在电源中的比例不断增加和燃煤火电的比例逐渐减小，将逐渐出现白天电多、晚上电少的状况，夜间蓄电、白天使用慢慢会改为白天蓄电、夜间使用。随着供需关系的这种颠覆性变化，各种蓄能调节和用电功率的调节就不能是固定时段，而需要不断根据电网供需关系的变化而变化。光储直柔配电系统可以实现这种灵活性，可随时根据供需关系的变化而改变自身的用电和蓄电调节策略。

（3）发展建筑光储直柔配电系统的迫切性

中央提出2030年碳达峰、2060年碳中和的战略目标，与其对应的就是风电、光电的加速发展。有关规划已经提出从2021年起，每年增加风电、光电装机容量1亿～1.5亿ｋＷ，到2030年，使我国的风电、光电装机容量由目前的 5亿ｋＷ增加到17亿ｋＷ；从2030年起，每年新增2亿ｋＷ 以上的风电、光电，从而实现到2050年总装机容量超过60亿ｋＷ。

我国现有纯电动汽车500万 辆，目前蓄势待发，2021年将增加200万辆，并将在今后几年迅速达到每年新增1000万辆，到2030年，我国纯电动汽车的保有量将达到5000万辆，到2050年将达到3亿辆。

我国目前每年新竣工居住建筑15亿～20亿ｍ2，各类公共建筑和商业建筑5亿 ｍ2。以后新建量将逐渐减少，但大修、改造、提升功能将成为房屋建设的主要任务，每年修缮任务将在 20 亿 ｍ2以上。

根据前述分析，1万 ｍ2光储直柔建筑加50辆电动汽车可消纳1ＭＷ 风电、光电。这样，新 增1亿ｋＷ 风电光电就需要新增10亿 ｍ2光储直柔建筑和500万辆电动汽车来有效消纳。目前电动汽车的增长态势与规划的风电光电增长速度完全合拍，相对来说，光储直柔配电建筑的规模远远落后于需求。近期要使50％左右的新建建筑按照这一新模式完成建筑配电，未来则在建筑改造时，要有50％以上的建筑改造成采用光储直柔配电系统。这样才可以使建筑和电动汽车担负起消纳风电光电的责任，从而实现我国电力系统的转型。

［引用本文，侵删］江亿．光储直柔———助力实现零碳电力的新型建筑配电系统[J]．暖通空调，2021, 21(10): 112.