5 特别策划 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 李叶茂，李雨桐，郝斌，罗春燕 （深圳市建筑科学研究院股份有限公司，广东 深圳 518049） 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。 关键词：低碳发展；分布式光伏；储能；低压直流；碳中和 中图分类号：TM72 文献标志码：A DOI：10.19421/j.cnki.1006-6357.2021.01.005 发展，提高其灵活性、安全性、可靠性和高效性，从 0 引言 而适应未来高比例的可再生能源渗透和差异化的供 建筑是能源电力消费的主体之一。截至2018年， 电服务需求。而且未来的建筑配用电系统也不再是单 建筑运行过程（不含工业建筑和建筑建造）所消耗 纯的消费者，它将会与城市电网深度融合为电网提供 的商品能源达10亿 t标准煤，占全国能源消费总量的 支持和辅助服务，使能源系统直接受益；会与电动汽 22%；其中建筑运行的电力消费量达1.7万亿 kWh，占 车、分布式发电等互相协同，灵活整合多种能源；并 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 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 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 全性和可靠性为基本功能。长期以来，建筑配用电系 气化也成为未来发展趋势。我国积极推动低碳事业发 统的设计与建筑节能结合在一起，例如文献［3］分析 展，承诺二氧化碳力争于2030年达到峰值，努力争取 了建筑电气系统中电力变压器、电力电缆、电动机、 2060年前实现碳中和。有研究表明，建筑领域高度电 照明灯具等环节的节能措施；文献［4］提出了建筑配 气化是能源系统低碳发展的前提。为实现巴黎协定的 用电系统节能运行的评价指标体系。近年来，随着建 2度目标乃至更严格的1.5度和碳中和目标，建筑领域 筑节能的深入推进，低能耗建筑、近零能耗建筑、净 需要达到2个“90%”的目标，即建筑用能量中电的比 零能耗建筑等建筑节能新概念成为关注焦点。这些新 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 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 基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFE0100300）。 Supported by the National Key Research and Development Program of China（2019YFE0100300）. 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 ［引文信息］李叶茂，李雨桐，郝斌，等．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［J］ ．供用电，2021，38 （1） ：32-38． LI Yemao，LI Yutong，HAO Bin，et a．Key technologies of building power supply and distribution system towards carbon neutral development［J］ ．Distribution & Utilization，2021，38（1）：32-38． 32 第 38 卷  第 1 期 2021 年 1 月 供用电2021年第1期-第一部分12-28.indd 32 供用电 DISTRIBUTION & UTILIZATION 2021/1/13 上午11:14 特别策划 5 典型的实际工程案例并以深圳工商业建筑为例，分析 会越来越多地应用于建筑场景，作为建筑配用电系统 发展新型建筑配用电系统对城市电网的作用。 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； 1 新型建筑配用电系统的关键技术 “柔”则是指建筑用电设备应具备可中断、可调节的 未来在高比例可再生能源结构下，新型建筑配用 能力，使建筑用电需求从刚性转变为柔性。本文将从 电应具备4项新技术——光、储、直、柔（见图1）。 “光储直柔”4个方面介绍它们在建筑中的应用现状和 其中“光”和“储”分别指分布式光伏和分布式储能 发展趋势。 光伏PV 便携式电子产品 办公类 电子产品 AC/DC整流器 380V AC 10kV DC 375V DC 家用电器 375V直流 能量路由 +48V DC −48V DC 智能充放电控制器 厨房电器 +375V DC 纯电动车 变频空调 −375V DC 直流智能变换器 变频洗衣机 +375V DC −375V DC 家用储能系统 DC Matar 变频电机 图1 新型建筑配用电系统 Fig.1  Power supply and distribution system of new building 1.1“光” 筑兼具绿色、经济、节能、时尚等优势。 太阳能光伏发电是未来主要的可再生电源之一， 1.2“储” 而体量巨大的建筑外表面是发展分布式光伏的空间资 在未来的电力系统中，储能是不可或缺的组成部 源。2018年建筑面积超过600亿m2［7］，屋顶面积超过 分。电池储能技术具有响应速度快、效率高、安装维 100亿m2，估计可安装超过800 GW的屋顶光伏，年发 护要求低等优点，是电力系统的灵活性资源和备用电 电量超8 000亿kWh。因此，把太阳能的利用纳入建筑 源。截至2018年，我国已投运的电化学储能项目规模 的总体设计，把太阳能设施作为建筑的一部分，把建 达107万kW ［10］。有研究预测我国2050年的电化学储 筑、技术和美学融为一体，是未来建筑和能源系统的 能容量有望达到3.2亿kW［11］。 ［5］ 融合发展趋势 。 电力系统的储能需求不只来自于电源侧和电网 光伏组件成本的快速下降使得光伏建筑一体化变得 侧，负荷侧同样需要储能。而在建筑中应用的储能属 更加可行。与10年前相比，晶体硅光伏组件的效率提升 于表后储能（behind-the-meter energy storage），是指 了6%，2018年已有超20%效率的产品实现商业化；同期 在用户所在场地建设，接入用户内部配电网，以用户 光伏组件价格降低了94%，2018年已不到2元/W［8］。而 内部配电网系统平衡调节为特征，通过物理储能、电 且与光伏电站相比，建筑光伏通过与建筑设计、施工同 化学电池或电磁能量存储介质进行可循环电能存储、 时进行，又或安装在已有建筑屋面上，可以节省土地租 转换及释放的设备系统。随着分布式光伏和电动汽车 赁等一系列建设维护费用，比集中式光伏电站更具经济 与建筑配用电系统的融合发展，储能有利于提高建筑 优势。在新材料方面，碲化镉、铜铟镓硒等新型光伏电 配用电系统的可靠性，同时允许建筑以虚拟电厂的角 池技术在国内外也正处于快速发展阶段，未来光伏的转 色参与电力系统的辅助服务。 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 供用电 DISTRIBUTION & UTILIZATION 供用电2021年第1期-第一部分12-28.indd 33 ［9］ 。光伏建 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， 第 38 卷  第 1 期 2021 年 1 月 33 2021/1/13 上午11:14 5 特别策划 储能电池的成本在近年快速降低。例如目前磷酸铁锂 随着直流建筑研究和示范项目的积累，相关国际 电池的初投资价格已经低于1.5元/Wh，考虑使用寿命 标准组织也已开展直流系统的标准化工作。例如国际 和效率后的单位度电储存成本已经低于0.7元/kWh。目 电工委员会（IEC）于2009年正式启动了低压直流相 前很多城市的电力峰谷差已经高于0.8元/kWh，特别是 关标准化工作，先后成立了低压直流配电系统战略组 随着灵活性资源逐渐稀缺，未来电价峰谷差逐渐拉大， （IEC/SMB/SG4）、低压直流配电系统评估组（IEC/ 电池储能的收益会逐渐增加。经济性会成为建筑储能 SEG4），并于2017年成立了低压直流及其电力应用系 市场化发展的驱动力。 统委员会（IEC SyC LVDC）［16］。2018年6月，德国电 建筑储能技术目前还处于初期发展阶段，真正将 气工程、电子和信息技术行业标准化组织（DKE）发 储能配置在建筑内部的项目还比较少。从电动汽车和 布了“德国低压直流标准化路线图”［17］。2018年11 电网储能借鉴来的电池设计和管理技术也需要与建筑 月，IEEE-PES成立了直流电力系统技术委员会，旨在 场景的特殊需求相结合，例如更多考虑建筑电池的热 搭建直流电力系统技术领域的国际信息互通平台，推 安全问题。锂离子电池对温度非常敏感，其最佳工作 动直流电力系统技术领域的快速健康发展，促进直流 温度范围为20～40℃，在该范围内电池的工作性能较 电力系统技术以及产业的支撑配套。 好，安全性能良好，可使用循环次数也相对较高。北 未来随着“光”和“储”在建筑中的应用，低压 京市颁布的《用户侧储能系统建设运行规范》中要求 直流配电技术将在建筑中得到持续关注和研究；同时 控制在0～45 ℃。因此，电池布置如何与建筑设计结 随着标准的建立和更多家电设备企业的参与，