双碳背景下新型电力系统的应用创新：“ 光储直柔 ” 微电网洞察

GREEN 双碳背景下新型电力系统的应用创新 ——“光储直柔”微电网洞察 施耐德电气出品 www.se.com/cn 前言 达成碳达峰、碳中和目标，构建清洁低碳、安全高效 的能源体系是第一要务，而清洁电力则是能源转型的“牛鼻子”。在能源转型的过程中，电力系统的安全性是保障中国能源安全的重中之重，为适应新能源的大规模接入，保障电力系统安全可靠，新型电力系统应运而生。 为了保障电力系统安全稳定运行、适应新能源发电比例和终端电气化率的快速提升，提升电力系统灵活性至关重要，每一个环节都将在构建的过程中发挥重要作用。“光储直柔”技术使建筑在能效提升的基础上进一步实现电能替代与电网友好交互的新型建筑能源系统。使建筑从传统能源系统中刚性消费者的角色转变为未来整个能源系统中具有可再生能源生产、消费、能量调蓄功能“三位一体”的复合体，这也是建筑面向构建未来低碳能源系统应当发挥的重要功能。 基于施耐德电气长久以来在电力行业的深耕，同时收集了业界各科研院的一线专家、深耕前沿技术的研发工程师、参与行业政策和标准制定的专家学者等的调研中进行价值提炼。我们希望通过这份报告，对新型电力系统下的光储直柔微电网，发现其中的挑战与机遇，探索光储直柔完整解决方案、新一代直流产品及柔性控制技术，帮助客户实现减碳目标，迈向零碳未来。 目录CONTENTS 1机遇-光储直柔与电力交互3 1.1发展光储直柔的必要性与价值4 1.2光储直柔的战略发展目标5 2探索-光储直柔发展中面临的挑战10 2.1光储直柔的市场及商业价值11 2.2分布式电能并网带来的谐波11 2.3缺乏光储直柔的整体技术标准体系12 2.4缺乏对柔性负载的全生命周期的整体控制13 3路径-助力实现高效用能与清洁低碳14 3.1系统可行性规划-MGDT为光储直柔规划投资中规避风险15 3.2系统预测调优控制–EMA应用于光储直柔微网系统咨询顾问17 3.3建筑设备管理系统(BMS)–协同构建柔性负载22 3.4配电系统设计–ETAP谐波计算优化系统电能质量25 3.5光储直柔系统–DCSystems解决方案27 3.6直流母线配电系统32 4实践-SEMW光储直柔微电网示范基地34 结语37 关于作者38 致谢39 序言 开启新型建筑电气系统新篇章 与施耐德电气结缘已有二十余年，施耐德电气在中低压配用电及建筑智能化系统解决方案中一直处于技术和标准的引领位置。 近年来，在全球经济高速发展的同时，气候问题日益突出，全球温升严重，我国也越来越多的出现北方洪涝、南方少雨高温持续等异常极端气候现象，降低碳排放有利于全球温升速度的控制，经济低碳化是需要全世界各国协同才能实现目标。我国在2021年向全世界庄重承诺“3060”双碳目标，为了实现双碳目标，我国能源结构将发生根本性改变，从现在的化石能源占主导地位转为到碳达峰末期非化石能源将占主导地位，其中，风光为主的新能源比例将大幅度提高，建筑用能进入电气化阶段。为了适应能源结构的改变，更好的接纳新能源，建设新型电力系统，将是电力行业未来5-10年的重要任务；在建筑等用能侧建设的适应新能源接入和消纳的新型建筑电气系统是新型电力系统的不可缺少的组成部分。光储直柔技术最早由江亿院士提出，其精准概括了新型建筑电气系统的四个基本要素。 新型建筑电气系统需要给风光等新能源发电系统、分布式储能系统、充电桩、柔性用电设备等提供接口，这些接口基本是以变换器等电力电子元器件出现，所以，这是一个电力电子化的系统；由于上述系统、设备本质都是采用直流供电，所以，新型电力系统中将存在直流供用电环节；新型建筑电气系统需要尽可能的实现新能源的就地消纳和与电网的友好互动，所以，新型建筑电气系统需要配置合适的建筑园区能源调度管理系统和柔性用电设备运行优化管理系统；由于变换器等电力电子元器件对过电压等故障敏感，容易误动作，为了实现建筑园区内部电网的稳定可靠安全运行，新型建筑电气系统的继电保护需要重新研究和确定，考虑设置微网运行控制系统将是有必要的；新型建筑电气系统的电能质量也是值得我们关注的问题，如光伏发电系统的功率因数、LED照明和变频设备等柔性负荷带来的谐波超标造成中性线过载和变压器过热噪声大、直流系统的纹波等问题，都越来越多的被行业内提及。 目前，国内已有一些企业给新型建筑电气系统提供系统技术解决方案，通常称为光储直柔技术方案，但由于这一技术是近几年刚开始兴起，目前研发的主要企业对建筑电气系统特点了解不够，所提供的技术方案未能完全适应新型建筑电气系统，妥善解决问题。施耐德电气在经过详细调研和长期研发积累后，提出了整套的光储直柔技术方案，方案阐述了光储直柔的必要性与价值，探索了光储直柔发展中面临的挑战，研究了光储直柔系统设计与控制方案，采用基于人工智能技术的预测调优控制技术，提供系统可行性规划工具、抑制谐波的ETAP辅助计算工具、基于CurrentOS的DCSystems直流系统解决方案、直流母线配电系统解决方案、SpaceLogicAIBOX（楼宇节能盒）解决方案等。总之，提供了面向分布式新能源建设场景的从规划调研、分析设计、组网建设到长期能源运营全生命期服务解决方案，该方案可以较妥善的解决目前实践经验下已知的新型建筑电气系统的诸多主要问题。最后，本书以施耐德电气武汉工厂为实例展示了施耐德电气光储直柔技术方案，相信可为读者提供光储直柔示范案例。 1机遇 —光储直柔与电力交互 莫理莉 华南理工大学建筑设计研究院有限公司-建筑设计三院电气副总工程师 中国建筑节能协会光储直柔专委会委员 机遇——光储直柔与电力交互 1.1发展光储直柔的必要性与价值 1.1.1政策支持 2021年10月24日，中共中央、国务院发布的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》指出：到2060年我国的非化石能源比重达80%以上，并着重指出大力发展低碳建筑，深化可再生能源建筑应用；2021年10月26日，国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》提出：要加快优化建筑用能结构，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，城镇建筑可再生能源替代率达到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%，为“光储直柔”建筑的发展目标指明了方向。2021年12月31日，工信部等五部门联合发布《智能光伏产业》创新发展行动计划(2021-2025年)》提出：发展智能光伏建筑，在有条件的城镇和农村地区，统筹推进居民屋面智能光伏系统，鼓励新建政府投资公益性建筑推广太阳能屋顶系统，开展以智能光伏系统为核心，以储能、建筑电力需求响应等新技术为载体区域级光伏分布式应用示范；提高建筑智能光伏应用水平，积极开展光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑建设示范，进一步细化了“光储直柔”建筑发展的技术路径。2022年3月1日，住房和城乡建设部《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》提出：“十四五”累计新增建筑光伏装机容量0.5亿千瓦；建设以“光储直柔”为特征的新型建筑电力系统，发展柔性用电建筑；在满足用户用电需求的前提下，打包可调、可控用电负荷，形成区域建筑虚拟电厂，整体参与电力需求响应及电力市场化交易，提高建筑用电效率，降低用电成本。 国家各部委出台的相关政策对发展建筑“光储直柔”系统、建筑侧需求响应、建筑层面的储能利用、建筑光伏利用等均提供了有利条件，这些政策支持为“光储直柔”建筑的推广应用提供了重要支撑，也对合理构建“光储直柔”系统、开发系统关键设备、开展工程应用等提出了具体要求[1]。 1.1.2能源安全,稳定，高效，可持续性 中国是世界上最大的能源消费国之一，但能源供应依赖程度较高，尤其对化石能源的依赖较大。发展光储直柔技术可以降低对进口能源的依赖，提高能源供应的安全性，同时推动能源结构向可再生能源转型，实现能源的可持续发展。 光储直柔技术可以提高能源转换效率和利用率，降低能源浪费。光伏发电可以在阳光充足的时候大量发电，储能技术可以将多余的电能储存，柔性电网技术可以根据需求进行能量调配，减少能源浪费。这有助于减少温室气体排放，应对气候变化问题。 光储直柔技术可以提高电网的稳定性和抗干扰能力。储能技术可以平衡电网负荷波动，解决因光伏发电的间歇性带来的电网不稳定问题，从而保障能源供应的稳定性。 1.1.3发展潜力 巨大的太阳能资源：中国地域广阔，太阳能资源丰富，适宜大规模发展光伏发电。光伏发电可以利用分布式的方式在城市和农村实现能源生产，满足不同地区的能源需求。 技术创新和产业升级：光储直柔技术的发展需要涉及光伏发电、储能和智能电网等多个领域的技术创新。中国政府大力支持清洁能源技术研发和产业升级，为光储直柔技术的发展提供了良好的政策环境和市场前景。 电力市场改革：中国正在进行电力市场改革，推动能源市场逐步实现市场化运作。光储直柔技术的发展可以促进电力市场的竞争，提高市场效率，同时为用户提供更加稳定和可靠的电力供应。 国际合作与影响力：中国在清洁能源领域的发展已经获得国际认可，发展光储直柔技术可以增强中国在国际能源领域的影响力，促进国际合作，共同应对全球能源和环境挑战。 综上所述，光储直柔技术在中国的发展具有明显的必要性，其对于推动能源转型、提升能源供应的安全性和稳定性，减少能源浪费和排放有着关键作用；同时光储直柔技术也具备巨大的发展潜力，是中国清洁能源领域的重要支柱之一。 1.2光储直柔的战略发展目标 “光储直柔（”photovoltaics,energystorage,directcurrentandflexibility,PEDF）是指通过光伏等可再生能源发电、储能、直流配电和柔性用能来构建适应碳中和目标需求的新型建筑配电系统（或称建筑能源系统）。 储 储能系统 屋顶光伏 光 充电桩 直 直流设备 柔 屋顶光伏—直流建筑 注[1]数据来自：中国建筑节能协会光储直柔专业委员会，“建筑光储直柔技术与工程案例”，2023,6（01） 利用建筑表面敷设光伏板、充分利用建筑作为光伏等可再生能源的生产者是实现建筑低碳发展的重要途径；储能是实现建筑能量蓄存、调节的重要手段，需要建筑层面整体考虑储能方式，包括建筑周围停靠的电动车等都可以作为有效的储能资源；直流化是实现建筑内光伏高效利用、高效机电设备产品利用的重要途径，系统内设备通过DC/DC（直流）变换器连接到直流母线，在建筑内打造出直流配电系统；“光储直柔”建筑的最终目标是实现建筑整体柔性用能，使得建筑从传统能源系统中仅是负载转变为未来整个能源系统中具有可再生能源生产、自身用能、能量调蓄功能“三位一体”的复合体，也是建筑面向未来低碳能源系统构建要求应当发挥的重要功能[2]。 1.2.1“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，屋顶面积超过100亿m2，估计可安装超过800GW的屋顶光伏，年发电量超8000亿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。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/Wp。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。光伏建筑兼具绿色、经济、节能、时尚等优势[3]。 1.2.2“储” 在未来的电力系统中，储能是不可或缺的