【导读】针对“光储直柔”建筑建成案例较少，“光储直柔”建筑电气系统与传统建筑电气系统有较大差异，本文拟从“光储直柔”建筑的光伏发电系统、储能系统、低压直流系统和柔性控制平台这四个方面对系统模块设计做多元化的分析，并以某办公楼为案例，提出其光伏组件选择要点、自消纳分析方法、低压直流系统接线及主要设备选择要点等，供同行进行类似系统模块设计时借鉴、参考。
国务院于2021 年10 月26日发布《2030年前碳达峰行动方案》，方案在“城乡建设碳达峰行动”中提到：加快优化建筑用能结构，深化可再次生产的能源建筑应用，推广光伏发电与建筑一体化（BIPV）应用……提高建筑终端电气化水平，建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔” 建筑。到 2025年，城镇建筑可再次生产的能源替代率达到8%，新建公共机构建筑、新建厂房屋顶光伏覆盖率力争达到50%。
目前，深圳市建科院、南京国臣和华南理工大学建筑设计研究院等单位对“光储直柔”建筑系统设计开展了研究，但总体看，我国“光储直柔”建筑建设仍处于摸索阶段“光储直柔”建筑建成案例较少，可供参考的“光储直柔”建筑电气设计的具体方案不多，本文拟对“光储直柔”建筑电气设计做探究，提供某“光储直柔”建筑为设计案例，希望同行在进行类似“光储直柔”建筑电气设计项目时起到参考借鉴作用。
“光储直柔”这一概念最早是由江亿院士提出，“光”即建筑光伏，“储”是建筑内储能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；“光储直柔”建筑电气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，能够准确的通过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。
典型的“光储直柔” 建筑电气系统接线所示，接线图展示了外部交流电源、光伏、储能、充电桩及用电设备通过直流配电网组成有机物理整体的逻辑拓扑关系。
根据国家标准图集《柴油发电机组设计与安装》的数据，本项目需要进风口净面积 40m 2 ，一般难以设置完全孔洞式通风口，需要设置进风百叶，进风百叶面积需要80m 2 ，由于紧邻市政街道，建筑专业对立面要求比较高，难以满足通风口的技术条件; 另一方面，运行时产生较大的噪音，对旁边的环境造成一定影响。
“光储直柔”建筑电气系统模块设计原理如图２所示，设计大致上可以分为以下四部分内容。
图2典型“光储直柔”建筑电气系统接线)光伏发电系统模块设计。首先是结合建筑外形效果要求确定建筑光伏发电板的形式，确定光伏发电系统的装机容量。然后做光伏发电量消纳分析，确定光伏系统接入方案。
(２)储能系统模块设计。储能系统包括分布式储能装置和通过充电桩接入的电动汽车。
(３)低压直流配电系统模块设计。对用电负荷特性分析，确定用电设备的接入方式，根据接入系统的光伏、储能和用电设备综合确定系统内部电压等级及系统接线形式。设计原则是最好能够降低变换次数，实现系统的高效、经济型、可靠和安全运行。
(４)“光储直柔”建筑系统柔性控制平台设计。系统控制平台主要实现以下功能:预测光伏发电量，预测建筑负荷用电量，制定储能及充电桩(电动汽车)充放电策略，确保直流微网内部电压稳定并给出系统负荷柔性调节裕度，接受电网需求侧响应。
2，共５层，每层面积约1000m2 ，建筑坐北朝南，面宽50ｍ，进深20ｍ，建筑高度20ｍ。一至五层均是办公室。采用多联机空调系统，室外机在屋顶安装，占地面积约100m2 ，立面为幕墙结构。
光伏电池材料的种类也慢慢变得多，大致可按其材料结构分为以下三类：(１)硅基光伏电池，如单晶硅、多晶硅光伏电池等。(２)薄膜光伏电池，如砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒薄膜光伏电池等。(３)具有理论高转化效率和低成本优势的新概念电池，主要有新型光伏电池，如染料敏化光伏电池、钙钛矿光伏电池、有机太阳电池以及量子点太阳电池等。不一样光伏电池的性能如表1所示。
在本案例中，结合建筑效果，可考虑在屋顶采用单晶硅光伏组件，在南立面安装碲化镉薄膜电池光伏玻璃。
根据《太阳能资源等级总辐射》GB/T 31155-2014，案例所在地太阳能资源等级属“丰富”；代表年太阳总辐射量为1389.9kWh/m
电池组件倾斜面上的总辐射量为倾斜面上的直接辐射量、散射辐射量以及地面反射辐射量之和。根据《光伏发电站设计规范》GB 50797-2012，利用PVsyst软件得表2所示辐射量损失对比表，可得最佳倾角为21°，因屋面建筑面积有限，若按最佳倾角考虑，占地面积较大，为节省用地面积、增加安装容量，另外考虑本案例建筑处于沿海边缘且建筑高度较高，为了能够更好的保证项目的安全及项目容量，经过分析本案例屋顶采取5°组件倾角来安装，南面室外停车区雨棚采用21°组件倾角进行安装。
kWh/m2 ,对比水平面辐射量损失严重。案例选用的是双面单晶硅光伏组件和碲化镉光伏玻璃，其规格参数详表３~４，其排布图如图３~５所示，单晶硅光伏组件和碲化镉光伏玻璃的组串数量分别为20块和16块，共安装单晶硅光伏组件441块，装机容量为238kWp，安装碲化镉光伏玻璃光伏组件1353块，装机容量为142kWp
推荐采用“自发自用、余电并网”的自消纳并网模式，最好能够降低新能源发电对电网的冲击，太阳能电池所发电量优先给内 部负载，负载用不完的多余电量送入电网，当光伏发电电量不足以供给负载时，由电网和光伏发电系统同时给负载供电，所以在确定光伏接入点的时候，应该要依据建筑配电系统的特点，根据用电负荷特点和光伏发电进行自消纳分析。本案例也是采用“自发自用、余电上网”的自消纳并网模式。
在查阅主流储能厂家提供的技术参数基础上，总结各类储能电池性能对比情况(表 ６)，
。功率型电池是以小于或等于1小时率 (1P)额定功率工作的电池，适用于短时快充快放 (如实现需求侧快速响应的场合)，主要以钛酸锂电池(LTO) 为代表。能量型电池是以大于1小时率 (1P)额定功率工作的电池，主要以磷酸铁锂电池 (LFP)为代表，磷酸铁锂原材料储量丰富，因此成本较低，同时也拥有非常良好的安全和循环性能，大范围的应用于能量型储能。
储能容量选择首先是用于维持“光储直柔” 建筑电气系统的稳定运行；另一方面是提高“光储直柔”建筑的经济性，如结合电价政策，通过电能时间 “平移”实现“削峰填谷”或参与电网需求侧响应来降低用能成本；也可兼作重要负荷的备用电源。
“光储直柔” 建筑电气系统一般都是引接市电，现阶段电能仍以火电为主，电网稳定性较高，在不单独配置储能的情况下，“光储直柔” 建筑直流微网内部稳定性可通过电网市电来维持。但 “双碳”战略下，我国电力系统也在朝着高比例新能源为主体的新型电力系统发展，随着新能源的安装入网，电力系统也会呈现风光发电系统随机性大、惯性差的特性，需要设置储能装置来匹配。根据国务院发布的《2030年前碳达峰行动方案》 “到2025年，新型储能装机容量达到3000万千瓦 以上” ，这部分储能，除了在电网侧集中安装，也有一定可能会根据各地政策要求逐步在用户侧安装。所以新建建筑配电系统要考虑预留储能的接口和储能的安装空间。
由于储能消防安全仍是要关注的重点和难点，一般储能都考虑在室外安装，如采用图7所示的集装箱安装方式。
所以汽车充电桩的未来发展趋势会是双向的，即：用电低谷期往汽车动力电池里充电，在用电高峰期利用汽车储能电池反向向电网供电，实现电网的辅助调峰调频。为实现充电桩对电网的主动调节性，充电桩须配置智能控制管理系统。当前各地均已出台充电桩建设要求，项目开始前需了解当地政策，确定快慢充比例。本案例储能拟按光伏装机容量的30%安装，拟在室外配置120kWh磷酸铁锂电池，在室外采用集装箱安装方法，在室外设置5个30kW非车载充电机。
3.3.1用电负荷分析本案例主要负荷类型为多联机空调、照明、插座、充电桩、电梯、智能化用电、应急照明用电等，全部为三级负荷。用电设备总装机容量为710kW
但是，从分时典型工况能够准确的看出，案例发电量和用电量存在不匹配情况。如工作日中午12时为发电高峰期，此时案例用电设备无法消纳完所发电量，需要在充电桩和储能中存储用不完的所发电量，而15时是用电高峰期，此时所发电量不能满足 案例用电需求，考虑到这个时刻一般属于市电尖峰电价时刻，优先使用储能装置和双向充电桩电动汽车储存电量；若储能和充电桩不能平衡发用电情况，经过内部负荷调节后案例能够最终靠与电网互动取得不足或多余电量；案例的储能容量和充电桩容量配置，基本能实现在用电高峰期 (12∶00－15∶00)不需要电网供能，但休息日用电量小，案例的储能容量和充电桩容量配置没办法实现对光伏发电系统所发电量的全部存储，使得有较多的发电余量需要反送电网。
29166kWh，尤其是休息日光伏发电系统大量反送余电至电网，将会给电网的电力调度和电能消纳带来较大的压力。
结合光伏组件安装和储能安装情况，案例接线所示。光伏发电系统、储能、市电、屋顶多联机、办公干线V供电电压，电梯、智能化用电、公共照明、应急照明、开水器、打印机和楼层办公用电水平干线V供电电压，末端办公用房采用48V特低安全电压供电。系统采用两线制系统，考虑目前变换器短路故障耐受度差，系统采用可变接地形式的方式，系统正常工作时采用IT系统配合绝缘监测的方式，在系统一 点接地后，转化为负极接地的 TN系统后采用直流剩余电流保护设施通过断路器来自动切断电源。
案例中，接入直流750V配电系统的设备均通过隔离型变换器接入，变换器采用模块化设计。直流750V配电系统断路器采用标称电压为1000V的直流断路器，直流 375V配电系统断路器额定电压为250V的直流断路器，断路器极数均为4极，接线所示的四极两两串联方式接线，脱扣器采用热磁式或专用直流电子式脱扣器。
直流断路器接线图末端办公室设置末端控制保护单元，内部设置直流48V安全特低电压配电系统，除开水器及打印机外其余办公室用电均列入安全特低电压供电范围，提高末端人员用电安全性。开水器及打印机等无法接入到直流48V系统的较大功率设备直接接入直流375V系统的插座回路，这些插座回路均设置额定剩余动作电流不超过80mA的直流专用型剩余电流动作保护器。案例中计量仪表均采用直流专用型。
(１)系统基于云边端架构，采用物联网、云边端协同、大数据、AI智能分析技术，可接受绝缘监测系统、电气火灾系统等信号，对设备做状态读取、电能调配及运行管理；(２)支持变换器等“源网荷储” 设备对接，实现能源设备的即插即用；(３)系统支持与光伏发电、储能、充电桩、智慧配电、多联机等子系统对接；(４)支持对系统设备做设备状态评估和健康管理、系统故障预测与诊断、应急响应、业务 管理、资产管理等。
通过提供智慧园区系统和电网需求侧响应接口，系统能与智慧园区实现联动，实现园区各类终端统一运维和运营管理。
并网时，电能路由器AC/DC端口与交流电网连接DC/AC采用PQ恒功率控制方式运行，储能端口稳定直流母线电压，供电优先顺序为光伏→ 储能→市电。当负载实际总功率大于光伏和储能实际输出总功率时，必须从市电取电确保系统稳定运行；若不再从市电取电，则需要关停部分负载ꎬ使光伏和储能输出总功率大于负载输入总功率。
/DC端口与交流电网断开，能自动调节源与荷之间的功率平衡，保证系统稳定运行DC/AC与电网无能量交换，储能端口稳定直流母线电压。仅在市电停电故障时运行此模式，供电优先顺序为光伏→储能，且不向市电反 向供电。4
本文以某办公楼为案例说明了“光储直柔” 建筑电气系统模块设计原理，对光伏发电系统、储能系统、低压直流配电系统及“光储直柔”建筑电气系统柔性控制平台架构进行了探究，对案例的光伏组件安装方案、光伏发电系统自消纳分析、储能选择、低压直流系统接线方式、控制管理系统框架等提出了解决方案，为后来设计者提供了有效的设计参考。
莫理莉，博士研究生，建筑规划设计三院电气副总工程师，高级工程师，注册电气工程师(供配电)。
[1]莫理莉,陈志忠,王静,商晓峰.“光储直柔”建筑电气设计探究[J].智能建筑电气技术,2022,16(03):1-8.
平台声明：该文观点仅代表作者本人，搜狐号系信息发布平台，搜狐仅提供信息存储空间服务。