曹承屬， 曹方瑩

(華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200002)

0 引言

在全球化石能源緊缺以及生態(tài)環(huán)境日益嚴峻的形勢下，中國提出“雙碳”戰(zhàn)略，推進能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，推動綠色技術(shù)創(chuàng)新，倡導(dǎo)綠色、節(jié)能、環(huán)保、低碳的生活方式。 可再生能源、新能源汽車、智慧能源管理等技術(shù)廣受關(guān)注并取得了長足的發(fā)展。

當“綠色建筑”撞上“智慧建筑”，以綠色能源應(yīng)用為基礎(chǔ)、以節(jié)能減排為目標、以能源監(jiān)管為手段的綠色發(fā)展才是可持續(xù)發(fā)展之路。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)

微網(wǎng)系統(tǒng)，是指由分布式電源、能量轉(zhuǎn)換裝置、儲能裝置、監(jiān)控和保護裝置、負荷等組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。 隨著光伏建筑一體化技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)在民用建筑中大量應(yīng)用。 光伏發(fā)電系統(tǒng)作為分布式新能源系統(tǒng)，在一定形式上即為直流微電網(wǎng)系統(tǒng)。 它可以作為可控單元與電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可離網(wǎng)獨立運行，如圖1 所示。

圖1 含光伏發(fā)電和儲能裝置的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)

巨大的用電峰谷差是民用建筑的用電特點，而龐大的用電高峰又迫使電網(wǎng)及電廠裝機容量大、投資增加，而用電低谷期時，電網(wǎng)及電廠的低負載運行又使能源利用率低。 基于建筑內(nèi)的大量直流用電設(shè)備的使用、儲能技術(shù)的飛速發(fā)展、信息通信技術(shù)的不斷突破，可考慮建筑直流供電系統(tǒng)和儲能裝置的電力系統(tǒng)建立，能夠使民用建筑設(shè)備用電就地充分消納可再生能源電力，對電網(wǎng)取電實現(xiàn)移峰填谷，降低峰谷差，為城市、社會和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。

微電網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)為儲能電池的容量，如果容量選型過小，無法實現(xiàn)移峰填谷消除峰谷差及對可再生能源充分利用，同時過充電和過放電也將對系統(tǒng)造成巨大損失；如果容量選型過大，則會增加初始投資成本，影響系統(tǒng)的經(jīng)濟性[1]。

微電網(wǎng)的運行策略主要有以下幾類。

(1)市政電網(wǎng)恒功率取電模式，即建筑以恒定不變的功率從市政電網(wǎng)取電，當負荷用電功率大于取電功率時，儲能電池放電；反之儲能電池蓄電[1]。雖然系統(tǒng)簡單易行，但靈活性不夠，若負荷用電增加，系統(tǒng)擴容不易。

(2)需求響應(yīng)模式，即建筑微電網(wǎng)系統(tǒng)響應(yīng)市政電網(wǎng)用電指令，當建筑負荷用電功率大于市政電網(wǎng)用電限值時，儲能電池放電補充電網(wǎng)供電不足部分。 當負荷用電較小時，儲能電池蓄電[1]。 該系統(tǒng)較為簡易，市政電網(wǎng)供電的波動性對微電網(wǎng)的影響較大，對儲能電池容量的選型有較大難度。

(3)自調(diào)度模式，即建筑微電網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)儲能電池容量和當?shù)仉娋W(wǎng)分時電價靈活從市政電網(wǎng)取電。 低谷電價時，儲能電池蓄電；波峰電價時，以儲能電池最大功率放電，可以實現(xiàn)電費最低、最經(jīng)濟的運行模式。 系統(tǒng)較復(fù)雜，需要解決儲能容量與電費最低相結(jié)合的優(yōu)化問題，動態(tài)規(guī)劃實現(xiàn)最優(yōu)運行方式。

2 直流電能路由器

微電網(wǎng)系統(tǒng)要想實現(xiàn)最優(yōu)運行方式，需借助電能管理系統(tǒng)及可靠穩(wěn)定的控制設(shè)備。 電能管理以通訊方式監(jiān)測微電網(wǎng)需要測量且可測量部件的電氣、溫度等參數(shù)，進而對微網(wǎng)狀態(tài)進行判斷，然后根據(jù)判斷進行發(fā)生報警、停機、啟動、潮流調(diào)節(jié)、柔性聯(lián)動控制等信息或指令；并且可以與外界上一級能量管理系統(tǒng)交互信息，也可以接受上一級指令條件運行狀態(tài)(如與市政電網(wǎng)交換功率大小、方向)。 微電網(wǎng)電能管理通訊/監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 微電網(wǎng)電能管理通訊/監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

電能路由器是將微電網(wǎng)系統(tǒng)電控部分集合成一體的配電裝備，是帶有智能能量管理的多端口變流器。 它借鑒了信息路由器的理念和功能，可以將新能源發(fā)電、儲能、負荷便捷接入，并控制電能分配和保護的中樞，利用微電網(wǎng)運行控制器進行潮流控制和算法保護，達到可再生能源利用最大化，實現(xiàn)新能源發(fā)電的控制、并網(wǎng)控制、微網(wǎng)功率控制、系統(tǒng)監(jiān)控、配電保護，同時實現(xiàn)后備電源(EPS)等功能。

直流電能路由器組網(wǎng)型交直流微網(wǎng)與光儲一體機及傳統(tǒng)逆變器組網(wǎng)型交流微網(wǎng)的優(yōu)勢比較[2]，詳見表1。

表1 直流電能路由器組網(wǎng)型交直流微網(wǎng)與光儲一體機及傳統(tǒng)逆變器組網(wǎng)型交流微網(wǎng)優(yōu)勢比較

3 智慧物聯(lián)充電系統(tǒng)

在政策的推動下，目前新能源汽車在我國呈井噴式發(fā)展。 其配套設(shè)施充電站(樁)的規(guī)劃建設(shè)也在政策規(guī)定下不斷興建。 同時，為滿足人們高速的生活節(jié)奏，快充的比例也在不斷的提高，導(dǎo)致建筑申請的用電容量巨幅提升，但常出現(xiàn)一段時間內(nèi)，大量充電樁資源閑置浪費，同時造成變壓器容量設(shè)置浪費的現(xiàn)象。 另一方面，由于充電樁位置較分散、單一建筑內(nèi)充電樁數(shù)量有限以及缺乏整體調(diào)度等問題，充電汽車充電的便捷性受到嚴重影響。

基于智能充電樁的電動充電系統(tǒng)集合5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等信息化技術(shù)，通過運用智能充電樁進行數(shù)據(jù)參數(shù)采集，運用信息通信技術(shù)完成信息交互并上傳管理平臺，再由平臺對數(shù)據(jù)進行實時處理分析。 它能實現(xiàn)主要功能有:(1)集合多區(qū)域建筑充電信息，實施可視化，精準定位；(2)利用智能充電樁的功率調(diào)節(jié)功能，為建筑配電提供靈活性；(3)結(jié)合微電網(wǎng)以及建筑柔性用電技術(shù)，促進建筑光伏的就地高效利用，采取削峰填谷，改變建筑負荷運行規(guī)律；(4)通過有序充電技術(shù)，避開用電高峰，在保障電力安全的同時還可以讓用戶享受低電價[3]；(5)當有大型用電設(shè)備或大功率用電時，采用有計劃地報備工作制等技術(shù)或管理，使之能滿足建筑自身的用電使用需求，又能提高供電的可靠性和經(jīng)濟性；(6)通過雙向充放電技術(shù)，電動汽車還可以在用車需求之余，利用富余的電池容量為微電網(wǎng)存儲剩余電力或反向輸出電力，充當可移動的蓄電池設(shè)備[3]。

4 結(jié)束語

直流微電網(wǎng)的建立，可降低建筑對市政電網(wǎng)的用電需求，是一種綜合能源系統(tǒng)，提供多能源供需互動技術(shù)的同時，還能促進分布式新能源、儲能電池和直流負載間的連接更為直接、便捷、節(jié)能。 直流電能路由器與智慧物聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)合，能夠有助于配電系統(tǒng)電能的高效分配，實現(xiàn)綠色能源管理，加速推動綠色建筑、綠色城市的建立。