能源轉型和節(jié)能減排的趨勢下，光伏建筑結合直流供電成為研究熱點，儲能在其中的作用非常重要，但目前國內電化學儲能標準尚有不足，建筑電化學儲能應用的標準、規(guī)范更加缺乏。本文通過分析儲能在光伏直流供電建筑中的作用，即協(xié)調控制儲能的充放電功率和能量，實現(xiàn)最大化利用光伏就地發(fā)電、就地消納，平滑光伏發(fā)電和負荷的波動，提高建筑配電接入電網(wǎng)的友好性，保障重要負荷供電等，提出了光伏建筑在選擇電化學儲能技術時需要把握的安全可靠性、經濟性、對光伏發(fā)電的適應性等原則。這些原則也為光伏建筑儲能技術標準的研究和制定提供參考。目前技術條件下，光伏建筑儲能選用鉛炭電池的主要依據(jù)是其安全性和部分荷電狀態(tài)下的適應性等性能良好。依據(jù)如上儲能配備原則，為一個低壓直流供電光伏建筑項目配備了集裝箱式鉛炭電池儲能系統(tǒng)，內置178 kW·h鉛炭電池、熱管理和電池管理系統(tǒng)。該項目光伏裝機112.6 kWp，采用直流供電系統(tǒng)架構，能量管理系統(tǒng)可采用并網(wǎng)和獨立模式運行。基于某一日并網(wǎng)運行模式數(shù)據(jù)，詳細分析了光伏建筑在全天的能量時移，展示了最大化利用光伏發(fā)電、削峰填谷、恒定功率取電等功能的實現(xiàn)。該光伏直流建筑項目可為分布式儲能在光伏建筑的推廣提供有益的參考。
關鍵詞 光伏建筑；低壓直流供電；儲能系統(tǒng)；能量管理系統(tǒng)；電網(wǎng)友好型建筑
在建筑電氣化發(fā)展趨勢下，建筑的電能消耗持續(xù)增長。為了降低建筑能耗促進節(jié)能減排，需要廣泛應用可再生能源。分布式光伏是最適用于建筑的可再生能源之一，光伏系統(tǒng)可以在建筑上就地發(fā)電并且就地消納，還可以降低建筑冷熱負荷進而降低建筑能耗。光伏建筑的光伏系統(tǒng)與供電系統(tǒng)、能源需求等需要統(tǒng)籌規(guī)劃設計。光伏建筑采用低壓直流供電，配備一定容量的儲能，通過能量管理系統(tǒng)調控，可以實現(xiàn)光伏發(fā)電輸出最大化，平滑光伏發(fā)電波動，提高光伏建筑接入電網(wǎng)的友好性。有專家預測，基于儲能的低壓直流微電網(wǎng)是未來配電網(wǎng)的主要形態(tài)。隨著儲能技術的進步和成本的降低，采用低壓直流供電技術、配備儲能系統(tǒng)的光伏建筑將成為能源的生產者，在我國未來的能源領域占據(jù)重要的地位。
儲能在光伏建筑低壓直流供電系統(tǒng)中必不可少，有獨特的作用和優(yōu)勢。但是建筑儲能在選用原則：安全性、運行、維護等方面與常規(guī)的儲能電站有很大的不同，而且目前尚缺乏針對建筑儲能的相關標準。
本文提出儲能在光伏建筑低壓直流供電項目中的特點和優(yōu)勢，以及電化學儲能的選用原則。介紹了北京某低壓直流供電光伏建筑項目的概況、儲能系統(tǒng)及能量管理系統(tǒng)運行情況。本項目的研究對于儲能在光伏建筑中的應用和推廣具有重要的指導意義。
1 儲能在光伏建筑直流供電中的作用
推廣光伏建筑和低壓直流供電技術，可以最大化利用并就地消納可再生能源，合理降低建筑能耗，平抑光伏波動和負荷波動，提高接入電網(wǎng)的友好性。要實現(xiàn)這些目標，需要為建筑配備合理的儲能系統(tǒng)，其實質是實現(xiàn)瞬時功率的平衡控制和能量的時移調度。具體而言，儲能系統(tǒng)在光伏低壓直流供電建筑中發(fā)揮如下作用。
（1）最大化利用光伏發(fā)電，促進就地消納
現(xiàn)有光伏建筑的配電系統(tǒng)不能有效平衡常規(guī)電力負荷和可再生能源發(fā)電的關系，據(jù)估算，由于可再生能源發(fā)電和建筑用電不匹配，每年造成的電能損失可達1000億千瓦時以上。為大規(guī)模建設的光伏建筑合理的配備儲能系統(tǒng)可以節(jié)省大量能源。
（2）平抑光伏波動和負荷波動，提高接入電網(wǎng)的友好性
蓄電池配備雙向DC/DC變流器可以快速控制功率和雙向調度能量，減少光伏發(fā)電波動和負荷波動對于配電系統(tǒng)的影響；可以轉移建筑用能的峰谷負荷，實現(xiàn)削峰填谷；可以實現(xiàn)整個建筑用能按照計劃出力，或者恒定功率取電，增加接入電網(wǎng)的友好性。
（3）保證重要負荷供電可靠
光伏建筑配備了儲能以后，可以解決電網(wǎng)暫降等電能質量問題，還可以在電網(wǎng)計劃停電或者意外中斷時短時供電，有效提高負荷供電可靠性。
2 光伏建筑電化學儲能選型原則
2.1 光伏建筑電化學儲能選型原則
在光伏建筑中，目前最適宜的儲能技術是電化學儲能。光伏建筑儲能系統(tǒng)的設計應符合現(xiàn)行國家標準GB/T 51368《建筑光伏系統(tǒng)應用技術標準》和GB/T 51048《電化學儲能電站設計規(guī)范》的有關規(guī)定。但是目前國內現(xiàn)行的儲能標準尚存在不足之處，建筑電化學儲能應用的標準、規(guī)范更加缺乏。光伏建筑儲能系統(tǒng)還應強調以下原則。
（1）安全可靠性
安全性是儲能技術在光伏建筑應用必須首先考慮的要素。建筑儲能的安全是一個系統(tǒng)工程，一方面要求儲能系統(tǒng)具有本質安全性，失效的風險小，后果輕微；另一方面儲能系統(tǒng)的運行、管理和維護應有完整的標準體系，在整個生命周期內保持良好的安全狀態(tài)。
（2）部分荷電狀態(tài)下工作適應性
由于光伏發(fā)電出力隨天氣等因素變化的間歇性和不確定性，光伏建筑配置的蓄電池經常在部分荷電狀態(tài)(PSOC)模式下運行，可能導致電池經常處于欠充狀態(tài)，大大降低電池循環(huán)壽命。因此，選用的電池必須能夠適應部分荷電狀態(tài)工作模式。
（3）成本
建筑儲能系統(tǒng)必須在安全使用的基礎上實現(xiàn)經濟效益最大化，才能規(guī)模應用，促進節(jié)能減排。降低成本一方面需要選用適合建筑使用的先進、低成本儲能方式，另一方面要根據(jù)能量管理的目標合理選用儲能的容量，提高經濟效益。
2.2 光伏建筑項目儲能蓄電池的選用
目前在電化學儲能市場中，鋰電池占有壟斷地位。但是近年來，國內外儲能電站發(fā)生了大量安全事故，據(jù)統(tǒng)計，2017—2019年間僅韓國公開報道的安全事故就近30起。目前廣泛采用的鋰電儲能熱失控預警和氣體滅火消防技術，不能完全避免鋰電儲能的安全事故。本項目選用鉛炭電池產品，與其他電池儲能技術相比，具有安全性好、成本較低和工藝成熟的技術優(yōu)勢，還具有高能量密度、快速充放電、循環(huán)壽命長等特點，適合工作在部分荷電(PSOC)狀態(tài)下，是目前理想的光伏建筑儲能電池。
3 項目概況
3.1 項目及光伏系統(tǒng)概況
該建筑是光伏建筑一體化技術和低壓直流供電技術的研究、實驗及綜合示范項目，位于北京市昌平區(qū)。立面幕墻和屋面安裝銅銦鎵硒薄膜光伏組件，裝機容量112.6 kWp，使用PVSyst軟件預測首年發(fā)電量約7.5萬千瓦時。建筑建成后外觀如圖1所示。
圖1 光伏建筑外觀
3.2 建筑低壓直流供電
該項目采用配備儲能系統(tǒng)的低壓直流配電網(wǎng)絡，實現(xiàn)光伏發(fā)電全部自發(fā)自用就地消納。該項目的低壓直流配電網(wǎng)絡架構如圖2所示。
圖2 光伏建筑低壓直流配電網(wǎng)絡
項目的低壓直流供電系統(tǒng)總負荷100 kW，采用兩級配電系統(tǒng)，第一級配電為750 V單極母線，市電整流后接入母線，光伏系統(tǒng)通過光伏MPPT變換器接入，儲能蓄電池經雙向變換器接入，該母線同時為多聯(lián)機等供電；第二級配電為單極220 V，為照明、電腦、云平臺服務器、家用電器等供電。
3.3 項目儲能系統(tǒng)
項目采用20英尺模塊化集裝箱式集成儲能系統(tǒng)，配備總容量178 kW·h的鉛炭電池、熱管理和電池管理系統(tǒng)(BMS)。集裝箱式儲能系統(tǒng)如圖3所示。
圖3 集裝箱式儲能系統(tǒng)
4 光伏建筑電能管理系統(tǒng)
項目配備電能管理系統(tǒng)，對直流電能和發(fā)用電設備進行監(jiān)測、控制。主要完成監(jiān)測發(fā)用電設備運行狀態(tài)、存儲和分析運行數(shù)據(jù)、優(yōu)化調度電能等功能，實現(xiàn)光伏發(fā)電利用最大化，削峰填谷等目標。直流供電能量管理系統(tǒng)運行界面如圖4所示。
圖4 直流供電能量管理系統(tǒng)
能量管理系統(tǒng)運行模式有并網(wǎng)和獨立運行兩種。
（1）一般情況下，系統(tǒng)主要運行在并網(wǎng)模式。由市電經整流器穩(wěn)定直流母線電壓，直流負荷優(yōu)先由光伏發(fā)電供電，光伏發(fā)電不足的部分由電網(wǎng)補充，多余的電能存入蓄電池組。動態(tài)雙向控制、調節(jié)儲能輸入輸出功率和能量，平滑光伏發(fā)電波動和負荷波動。
建筑直流供電配備儲能系統(tǒng)，通過控制蓄電池的充放電功率，能以恒定功率或者跟隨電網(wǎng)給定功率大小的方式從電網(wǎng)取電。從而減少建筑交流配電容量、降低配電初始投資成本；解決電力負荷峰谷差等問題，提高光伏建筑接入電網(wǎng)友好性，可以最大程度地消納可再生能源，具有巨大的社會經濟效益。
圖5所示為直流供電系統(tǒng)并網(wǎng)模式下某一天的功率運行曲線，截取了涵蓋當日光伏發(fā)電時間段的6:00—18:00數(shù)據(jù)。由圖可見：按照控制策略，在前一天23:00至當日7:00之間由市電給負荷供電，當6:30左右光伏發(fā)電后，市電功率逐漸下降，7:00之后負荷功率完全由光伏和儲能提供；此后光伏出力始終大于負荷功率，多余電能儲存在電池中；16:00之后，光伏出力小于負荷功率，光伏不足部分由當日儲存的電能提供，儲能持續(xù)供電，直至設定的SOC下限；當日光伏發(fā)電充足，光伏發(fā)電能量大于負荷用電，在當日7:00—18:00從電網(wǎng)“0”取電——恒定0功率；當日在11:00左右，直流負荷功率有一次較大幅度的變化，儲能快速地進行功率平衡，平抑負荷波動?？梢姰斎展夥l(fā)電出力最大化并100%就地消納，平抑了光伏發(fā)電和負荷的功率波動，實現(xiàn)了能量的時移。
圖5 直流供電系統(tǒng)功率運行曲線
（2）獨立工作模式：當電網(wǎng)計劃停電或者意外斷電時，切除非重要負荷，蓄電池組通過雙向變流器穩(wěn)定直流母線電壓，由光伏發(fā)電和蓄電池組共同供電給負荷，提高了供電的可靠性。
5 結論
光伏建筑、儲能和直流供電的融合，消除建筑用能的峰谷差，提升可再生能源消納的能力，并顯著提高建筑用能的安全性、經濟性和可靠性，成為光伏等可再生新能源在建筑中應用推廣的有效途徑。本文提出目前技術條件下光伏建筑選用儲能技術的原則、優(yōu)先選用鉛炭電池的依據(jù)。基于一個光伏低壓直流建筑研究了儲能系統(tǒng)的實際應用。但目前還存在一些問題：
（1）與電化學儲能電站相比，建筑儲能在安全性等方面有更高的要求，現(xiàn)在缺乏建筑儲能方面的相關標準，應加緊研究、制定；
（2）需要研究更先進的、更安全且更適合建筑使用的儲能技術，推動分布式儲能系統(tǒng)在光伏建筑上的大規(guī)模應用；
（3）應用于建筑的儲能成本需要進一步降低，提高建筑儲能的應用效益；
（4）光伏建筑儲能的商業(yè)模式和運行、維護模式還要進一步探索。
圖片
引用本文： 房建軍.儲能在光伏低壓直流供電建筑中的作用和應用[J].儲能科學與技術,2021,10(02):624-629.
FANG Jianjun.Function and practice of photovoltaic building energy storage system with low-voltage DC power supply[J].Energy Storage Science and Technology,2021,10(02):624-629.
作者簡介：房建軍（1972—），男，碩士，工程師，主要研究微電網(wǎng)和低壓直流供電技術，E-mail：13520185312@163.com。
