2022光储直柔建筑中直流关键技术体系研究.docx

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1、光储直柔建筑中直流关键技术体系研究摘在“近零能耗建筑”实践过程中，光伏发电无疑成为建筑电力供应的重要手段。传统的光伏发电均采用交流方案，然而随着大量的分布式光伏并网，低压电网的电能质量问题(谐波、不平衡)逐渐显现，导致电网公司对光伏并网做出了严格限制。光储直柔直流系统采用“自发自用，集中并网”的设计运行方式，不仅实现了分布式光伏的有效利用，还极大程度上解决了低压电网的电能质量问题，为规模化推进分布式光伏的发展提供了良好的技术支撑。与交流系统最大的区别在于分布式电源及负荷均通过直流接入，由于处于研究推广阶段，系统中的设备、控制、保护等均未形成系统性的技术方案和标准。针对上述现状，本课题在现有技术

2、的基础上，从实际应用的角度，对建筑光储直柔系统主要技术进行梳理，并就其中部分关键技术展开实用化研究，形成不同场景下的光储直柔系统方案。本课题的主要研究内容包括以下几个方面：(1)建筑光储直柔系统的源荷特性及优化控制策略分析了建筑光储直柔系统内关键设备的现状和特性，包括电源、变换器、直流负荷、储能设备以及开关设备等。针对光储直柔内源荷特性，考虑到建筑用电本身特点，对建筑光储直柔系统进行了控制策略的研究，分析了分层控制策略和电压带控制策略，并研究了系统的具体运行模式。(2)建筑光储直柔系统的系统保护与用电安全考虑到当前直流系统在实际应用中的各类故障问题，首先分析了系统的故障类型和主要特征，包括变换

3、器故障和电缆线路故障等。根据不同故障类型的特点，提出了响应的保护要求并分析了系统不同保护方案的类型。其次，在上述研究的基础上，提出了系统级保护策略，并根据保护策略给出了实际的保护配置方案举例。最后，在具体的保护产品研制方面，研究相应的数字化保护设备，并对成本低、体积小、易于推广的直流灭弧及绝缘检测方法进行研究，实现了直流负荷的无电弧操作以及直流支路多类型漏电流的快速保护，促进直流系统在建筑中的推广应用。(3)建筑光储直柔系统内关键设备选型开发及直流负荷设计针对市场光储直柔产品缺乏的现状，分析建筑光储直柔系统内电能变换需求，结合理论分析与实验测量，形成系统内变换装置的选型或开发方案，并对常规负荷

4、进行直流化设计或改造。形成了包括电力电子变换设备（柔性双向变换器、整流设备、各类DC/DC等）、保护测控装置（母线保护、交直流线路一体化保护、支路保护）、系统监控管理平台以及多类型直流负荷等关键设备，满足了光储直柔系统的推广应用需求。（4）不同场景下建筑光储直柔系统的方案设计对不同场景下建筑光储直柔系统的电压等级、接地方式等进行研究，并设计合理的系统运行模式。具体形成了包括商业场景、住宅场景以及工业场景等不同类型的设计方案，并对方案系统结构、电压等级选取、核心装置以及运行模式等进行了选取配置。在前述研究的基础上，从拓扑结构选取、接地和接线方式以及容量配置等方面，给出了不同方式的特点对比和选取原

5、则或建议。项目研究内容可为实现能源生产、消费、技术和体制改革提供重要的实践参考，对于新兴产业的发展,实现能源科技和装备水平的全面提升等方面都具有重要的理论和现实意义。对于双碳目标的实现，具有一定的促进作用。1 研究背景及意义12 建筑光储直柔关键技术发展概述32.1 建筑光储直柔系统的源荷特性及优化控制策略32. 2建筑光储直柔系统的系统保护与用电安全53. 3建筑光储直柔系统内关键设备及直流负荷84. 4不同场景下的建筑直流系统153建筑光储直柔系统的源荷特性及优化控制策略213. 1建筑光储直柔系统的源荷特性213. 2建筑光储直柔系统的优化控制策略285. 3光储直柔系统运行模式354建

6、筑光储直柔系统的系统保护与用电安全384.1 光储直柔系统故障特点及保护要求384. 2光储直柔系统保护类型406. 3系统保护策略415建筑光储直柔系统内关键设备选型开发及直流负荷设计445. 1电力电子变换设备447. 2保护测控装置525.3系统监控管理平台605.4直流负荷656不同场景下建筑光储直柔系统的方案设计736.1商业办公736.2居民住宅776.3I:yN806.4方案设计建议817总结与展望841研究背景及意义光储直柔系统是在直流配电网的基础上，融合了光伏、储能、直流配电系统和柔性用电负荷，其核心目的是实现建筑刚性负载柔性化，增加建筑灵活调节能力，强化电力系统“荷随源动”

7、的负荷响应调控。建筑作为城市电力消费的主体，肩负“节能降碳”的历史重任。发展光储直柔建筑，不仅可以促进自身节能、提高建筑用能体验，还可有效缓解城市电网负荷峰值、电网增容和可靠性提升等压力。此外，光储直柔建筑配备分布式能源、储能和需求响应等技术，实现用能的灵活性调节，减小建筑对外的能源需求，同时削峰填谷平滑负荷曲线，增强设备的运行能效，延缓甚至避免配电基础设施的升级改造。发展光储直柔建筑，构建“荷随源动”的调控模式，减小了大规模可再生能源接入导致的峰谷差，很大程度上解决电网灵活调节能力下降和生成水平下降的问题，符合电网的未来发展方向。在电网逐渐增加的扩容成本的当下，光储直柔技术的发展展现出它更经

8、济的特性。在建筑侧配备分布式光伏电源和储能，利用直流微电网接入简单、调控灵活的优势，能够有效地提升用电的可靠性，并且配合峰谷电价、需求响应等激励政策，还能够降低用户的用电成本。国外对直流配电网的拓扑结构研究起步较早。美国弗吉尼亚理工大学CPES(CenterforPowerElectronicsSyStemS)提出一种未来家庭直流配电系统；美国北卡罗来纳大学提出了TheFutureRenewableElectricEnergyDeliveryandManagement(FREEDM)系统结构，用于构建未来自动灵活的配电网络；韩国成均馆大学和三星电子公司面向家庭应用提出一种低压直流配电网方案，并

9、进行了应用试验；日本大阪大学提出170V双极直流母线供电方案，并通过电力电子设备进行电能形式转换和升降压以满足负荷需求；日本大阪大学的KakiganoH.等从人体安全和设备安全角度论证了民用住宅低压直流配电系统的电压等级，提出了400V的直流配电电压；意大利米兰理工大学于2004年提出了一种与大阪大学的双极结构类似的直流配电系统结构。国内方面，国家电网公司、各大高校、电气设备供应商都积极开展了对直流配电网的研究。国家电网有限公司及中国电力企业联合会根据现有研究成果，组织各方面专家给出了不同应用场景下直流配电网的典型电网结构，对工程建设中电网结构的选择具有借鉴意义；浙江大学对直流配电网的特点、优

10、势及其网络的整体概念进行了较为详细地综述，提出了直流配电网的拓扑结构一一环状、放射状与两端配电。但整体而言，当前光储直柔技术仍处于起步阶段，缺乏统一设计规范标准,相关的设备配套亦不成熟，缺少不同应用场景、商业模式下的适应性评价体系,以及亟需发展节能低碳的运行调控技术。要想实现工程大规模的推广运行，需要更广泛的、跨学科的研究和大量的实践经验积累和产业链的。据此，从光储直柔建筑的优化设计、设备配套、运行调控、安全防护等四个方面，开展光储直柔系统的源荷特性及优化控制策略研究、建筑光储直柔系统的系统保护与用电安全研究、建筑光储直柔系统内关键设备选型开发及直流负荷设计、不同场景下建筑光储直柔系统的方案设

11、计的研究工作。2建筑光储直柔关键技术发展概述低碳建筑“光储直柔”系统的推广应用与其技术发展水平密切相关，其拓扑结构设计方法、设备及控制策略发展水平关系到光储直柔系统从设计到运行的实施；另外，光储直柔系统中的柔性应用强调与电网侧的互动作用，因此与电网的互动模式成为其关键点所在。以下就低碳建筑的光储直柔系统的拓扑结构设计、设备协同互动、运行调控策略、与电网交互模式及示范应用等五个方面的研究水平进行介绍。2.1建筑光储直柔系统的源荷特性及优化控制策略建筑负荷柔性化可以促进建筑自身的节能和经济用电，效缓解城市电网负荷峰值，针对未来建筑领域将有大量分布式储能、充电桩以及空调等设备接入电网，有必要对现有设

12、备的功率变换特点、控制策略等进行分析研究，为进一步提高现有负荷柔性化程度具有重要意义。在电动汽车充电桩能量变换方面：目前国内外电动汽车充电桩的功率变换部分一般采用两级变换方式，即AC/DC+DC/DC,前级AC/DC较为成熟的拓扑是三相PFCVIE三,后级DC/DC拓扑一般根据电平不同分为两电平变换方式和三电平变换方式。整流器作为电动汽车充电桩重要部分，受到国内外广泛关注研究。例如基于自抗扰控制算法的电压型PWM整流器，增强了EVCP充电时的抗干扰能力，然而整流器消耗来自电网的恒定功率，在电网参量变化较大时只能“切负荷”运行，不能主动响应电网需求。采用负荷侧虚拟同步机技术的充电桩具备惯量模拟、

13、有功调整、无功支撑等能力，能够满足电动汽车有序并网、安全充换电的实际需求。基于LVSM的三相电压型PWM整流器控制策略，在电网参量变化时，可使负荷从“切负荷”变为“降功率”运行，提升了整流器故障穿越能力。将虚拟同步机技术应用在充电桩中，通过变换器的自主降额运行，则可实现了对弱电网的支撑作用。在分布式储能能量交换方面：储能装置能实现动态调节和稳定母线电压目的，因此，需在母线和蓄电池、超级电容等储能装置间使用高效大功率、快响应双向变换器跨接。目前国内外主要在直流变换器拓扑和控制策略方面开展理论研究，但均用以提高功率密度和效率。由于高频变压器的存在，隔离型双向DC/DC变换器还具有体积较大，设计成本

14、高，设计过程复杂目前大多分布式储能系统中采用非隔离型双向DC/DC变换器。分布式储能功率单元控制策略有下垂控制法、主从设置法、平均电流均流法、最大电流均流法等，均可实现对各模块输出电流的控制。自适应动态下垂控制通过在不同的工作状态下动态调节下垂系数的大小，改善系统在受到功率波动时的动态响应速度。而传统下垂控制中的下垂系数固定，使得储能模块间的充放电功率比值不变，鉴于各储能模块的SOC存在差异，长期以相同的输出功率比值运行，会导致储能模块因过充或过放而退出运行，影响直流微电网运行的稳定性。在建筑用电设备能量交换技术方面，建筑内部用电设备能耗在社会总耗电量中占比大，并有持续增加的趋势，其中空调负荷

15、、电热水器等柔性负荷在建筑楼宇中占据了重要地位。目前过国内外大多采用控制制冷热温度的方式，利用集中式控制通过设立中心控制单元，实时处理汇总所有的信息后由调控中心直接向每个负荷发布调控命令，实现空调等负荷降功率运行，以加热、通风和空调以及热水器等恒温控制负荷为例，常通过以下2种方式实现：1）切换开、关状态速率和比值；2）改变设定温度。但该方式功率调节响应时间较长，在紧急功率调节需求下效果不明显。综上所述，目前分布式储能、充电桩、建筑用电设备内部功率变换器及控制策略的种类众多，存在功率调节响应时间、交互通信方式以及功能用途等方面存在诸多差异，所对应的互动响应需求也不一样，需要进一步根据换流拓扑类型

16、、控制方式、响应时间以及功能用途对不同类型负荷进行分类研究，在此基础上，充分挖掘各类负荷柔性化潜力，有针对性开展负荷柔性功率调节接口定制化装备样机研究。随着多种类型直流负荷的应用，直流配电系统呈现多电压等级的特点，多个电压等级的直流母线的互联实现了电压匹配和功率交换，更好的满足用户需求。直流配电系统中集成了分布式电源、储能、并网逆变器、以及各类负荷，考虑分布式电源的间歇性、波动性，系统的稳定运行与各供电的协调控制密切相关。针对多电压等级直流母线的直流配电系统，国内外学者均开展了不同电压等级的直流配用电控制理论研究，提出多种协调控制策略，可分为集中式与分散式两类。美国弗吉尼亚理工大学构建的直流混合配电网分层控制架构，为直