柔性直流用電：建筑用能的未來

　　能源供給側(cè)和消費側(cè)革命將給建筑用能方式帶來變革。建筑的能源來源、用能種類及供能系統(tǒng)方式都將迎來巨變，而太陽能將成為建筑的主要能源來源之一。

　　目前，我國城鄉(xiāng)建筑總量超過600億平方米，建筑屋頂和可接收足夠太陽光的垂直表面超過100億平方米。這些建筑表面若全部被開發(fā)利用，每年可發(fā)電約2萬億千瓦時，為我國目前全年總發(fā)電量的28%，超過了全國民用建筑的年耗電總量。

　　近年來，光伏瓦、光伏幕墻、光伏玻璃等新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，與建筑外表面裝飾一體化成為太陽能光伏電池技術的發(fā)展方向。用好建筑外表面，使其成為建筑用電的重要來源，也將成為新建建筑和改造既有建筑的重要內(nèi)容。

　　驅(qū)動方式由交流轉(zhuǎn)為直流

　　光伏發(fā)電輸出的為直流電，需要通過逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)同步的交流電，接入建筑電力內(nèi)網(wǎng)。光伏系統(tǒng)配備的蓄電池，直接蓄存和釋放的也是直流電，蓄放過程也需要進行交流—直流轉(zhuǎn)換。

　　目前，各種建筑用電裝置的技術發(fā)展方向都是由交流驅(qū)動轉(zhuǎn)為直流驅(qū)動。建筑內(nèi)的各類用電設備，如LED光源的照明裝置，電腦、顯示器等IT設備，空調(diào)、冰箱等白色家電，以及電梯、風機、水泵等大功率裝置，都需要直流驅(qū)動，光伏和蓄電池也要求直流接入。

　　建筑用電系統(tǒng)不斷進行交流和直流之間的轉(zhuǎn)換，需要重復地接入轉(zhuǎn)換裝置，不僅增加了設備的投入和故障點，還造成近10%的轉(zhuǎn)換損失。建筑內(nèi)部能否完全改為直流供配電、徹底取消交流環(huán)節(jié)、改變建筑的供配電方式?

　　目前，電力電子器件可以實現(xiàn)高效可靠的直流/直流變壓和直流開關。1千瓦以內(nèi)的小功率裝置，成本已低于交流變壓器;1兆瓦以內(nèi)的裝置，成本也在可接受范圍，且這些器件成本目前都在按照摩爾定律規(guī)律降低。通過電力電子器件實現(xiàn)由直流電驅(qū)動同步電機、靈活精準地調(diào)控轉(zhuǎn)速和扭矩，是未來電機發(fā)展的主要方向。建筑內(nèi)的直流微網(wǎng)依靠其分布連接的蓄電池和電力電子器件，通過智能控制，也可以有效吸收負載瞬態(tài)變化的沖擊，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

　　目前技術條件都已具備，到了挑戰(zhàn)建筑內(nèi)的交流供配電系統(tǒng)的時候了。

　　電力負載由剛性轉(zhuǎn)為柔性

　　建筑供電的入口通過交流—直流整流裝置把外電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)為高壓直流電，接入建筑內(nèi)直流高壓母線。直流高壓母線分別通過DC/DC(直流到直流的電壓變換)與分布在建筑外表面的光伏電池和建筑內(nèi)不同區(qū)域的蓄電池相連，還可通過DC/DC向建筑內(nèi)的大功率設備及建筑周邊充電樁供電。由直流高壓母線通過DC/DC引出若干路直流低壓分路，分別進入各個建筑區(qū)域為小功率設備供電。

　　交流系統(tǒng)的電壓和周期必須嚴格調(diào)控，維持在預定值，以保障用電裝置的功能和安全，若電壓過低會導致異步電機的電流增大，甚至燒毀，而直流電系統(tǒng)的電壓卻可以在很大范圍內(nèi)變化。

　　連接光伏電池的DC/DC可根據(jù)光伏電池的輸出狀況，自動調(diào)節(jié)接入阻抗，使光伏保持最大的輸出功率;連接蓄電池的DC/DC可根據(jù)母線電壓的變化，在蓄電、放電和關閉三種狀態(tài)之間選擇和調(diào)控;系統(tǒng)中連接的智能充電樁還可根據(jù)目前電壓狀況決定充電速率，甚至在母線電壓過低時從汽車電池中取電，反向為建筑供電。

　　直流高壓母線的電壓則由入口的交流—直流整流器控制，通過調(diào)節(jié)直流母線電壓，調(diào)控建筑的瞬間用電功率。這樣，建筑用電就從以前的剛性負載特性變?yōu)榭筛鶕?jù)要求調(diào)控的柔性負載特性，從而實現(xiàn)“需求側(cè)響應”方式的柔性用電。

　　不同功能的建筑、不同的光伏電池安裝量及不同蓄電池的安裝容量，通過調(diào)節(jié)直流母線電壓可實現(xiàn)不同的功率調(diào)節(jié)深度。蓄電池安裝量越大，實現(xiàn)的瞬態(tài)功率調(diào)節(jié)深度就越大。而當通過智能充電樁接入足夠多的電動汽車時，就可以響應電網(wǎng)要求，使建筑瞬態(tài)用電功率在0到100%之間實時調(diào)節(jié)。這時，一座直流供配電建筑就成為一座虛擬的蓄能調(diào)節(jié)電廠，可根據(jù)電網(wǎng)的供需平衡狀況進行削峰填谷調(diào)節(jié)。

　　未來，低碳電力系統(tǒng)的電源中一半以上為風電、光電，這些不可調(diào)控的電源大大降低了電網(wǎng)對用電側(cè)峰谷變化的調(diào)節(jié)與適應能力，由此造成大量的棄風、棄光現(xiàn)象。怎樣使電力負載由目前的剛性轉(zhuǎn)為柔性，以適應電源側(cè)大比例的不可調(diào)控電源，成為今后發(fā)展風電、光電的待解難題。

　　蓄存轉(zhuǎn)換效率不到70%的抽水蓄能電站，是目前應對這一供需矛盾的主要手段。但是，我國適合修建抽水蓄能電站的地理條件有限，僅靠這一途徑很難解決問題。帶有儲能的直流柔性用電建筑可實現(xiàn)的蓄存轉(zhuǎn)換效率高于70%，將是未來緩解電力供需矛盾、接納風光電的有效途徑。

　　一體化供配電系統(tǒng)前景可期

　　未來，我國建筑年用電量將在2.5萬億千瓦時以上，并將有2億輛充電式電動汽車，二者所消耗的電力之和將達到用電總量的35%以上。未來，如果建筑全部成為帶有充電樁的柔性建筑，不僅可吸納接近一半由風電、光電所造成的發(fā)電側(cè)波動，還能有效解決建筑本身用電變化導致的峰谷差變化。

　　“光伏+直流+智能充電樁”的建筑供配電系統(tǒng)雖然增加了投資，但極大降低了中低壓電網(wǎng)輸配電的容量。目前，建筑入口的供電容量是建筑最大負荷時的容量，建筑的年用電量與入口配電功率之比在500~1800小時，中低壓配電網(wǎng)的年均負荷率僅為6%~20%。采用這種建筑柔性用電技術，建筑年輸入電力總量與入口最大功率之比可提高到4000~6000小時，使建筑小區(qū)中低壓供配電網(wǎng)的容量降低到目前的1/4以下。

　　發(fā)展電動汽車的制約因素之一是充電樁系統(tǒng)的建設。如果按照加油站模式建起遍布城市的快速充電網(wǎng)，將導致電網(wǎng)的供配電容量再增加一倍以上。而“光伏+直流+智能充電樁”的建筑內(nèi)供配電系統(tǒng)，不需要增加電網(wǎng)容量就可實現(xiàn)對建筑周邊充電樁系統(tǒng)的電力供應。在此基礎上，有針對性地設置少數(shù)快充點，滿足緊急需求，就可以完善符合汽車電氣化要求的充電服務。

　　統(tǒng)一規(guī)劃、建設和改造“光伏+直流+智能充電樁”一體化建筑供配電系統(tǒng)，是電力系統(tǒng)應對能源革命、實現(xiàn)新型用電模式的重要任務之一。