新型电力系统在建筑领域的新形态:浅谈“光储直柔”配用电系统

2021-10-19

在所有能源消耗和碳排放中,建筑是能源电力消费和碳排放的主体之一。根据中国建筑节能协会发布的《中国建筑能耗研究报告(2020)》,建筑运行过程(不含工业建筑和建筑建造)所消耗的商品能源达10亿吨标准煤,占全国能源消费总量的22%;其中建筑运行的电力消费量达1.7万亿千瓦时,占全社会总用电量的26%。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会总用电量的平均增速。

建筑领域电气化催生“光储直柔”配用电系统

建筑在消耗能源的同时,体量巨大的建筑外表面和各类园区是发展分布式能源的极好空间资源。2018年建筑面积超过600亿平方米,屋顶面积超过100亿平方米,估计可安装超过800吉瓦的屋顶光伏,年发电量超8000亿千瓦时。加上建筑南墙的光伏玻璃、光伏薄膜、园区分布式风机等技术的应用,可在园区和建筑领域开发的分布式能源市场巨大。因此,把太阳能等分布式能源的利用纳入建筑的总体设计,分布式能源设施作为建筑和园区的一部分,把建筑、技术和美学融为一体,是未来建筑和新型电力系统的融合发展趋势。为了实现建筑和新型电力系统的融合发展,建筑领域电气化也成为未来发展趋势。为实现巴黎协定提出的全球控制温升不超过2℃甚至1.5℃以下的目标,建筑领域需要达到2个“90%”,即建筑用能量中电的比重90%和建筑用电量中非化石电的比重90%。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发展,提高其灵活性、安全性、可靠性和高效性,从而适应未来高比例的可再生能源渗透和差异化的供电服务需求。未来的建筑配用电系统也不再是单纯的消费者,它将会与城市电网深度融合,为电网提供支持和辅助服务,使能源系统直接受益;会与电动汽车、分布式发电等互相协同,灵活整合多种能源;并且促进城市建设和新能源技术发展。

未来新型建筑配用电应具备“光储直柔”技术

未来在高比例可再生能源结构下,新型建筑配用电应具备4项新技术——光、储、直、柔。其中“光”和“储”分别指分布式电源和分布式储能会越来越多地应用于建筑场景,作为建筑配用电系统重要组成部分;“直”指建筑配用电网的形式发生改变,从传统的中低压交流配电网改为采用中低压直流配电网;“柔”则是指建筑用电设备应具备可中断、可调节的能力,使建筑用电需求从刚性转变为柔性。

“光”是指以太阳能光伏发电为主体的分布式发电,是未来建筑主要的可再生电源之一。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。考虑到低碳发展机遇和技术拐点的即将到来,未来屋顶光伏、光伏玻璃、光伏薄膜、分布式风机将会越来越多地应用在建筑和园区中,并且成为建筑的重要组成部分。

“储”是指建筑中的分散式储能。在新型电力系统中,储能是不可或缺的组成部分,是电力系统的灵活性资源和备用电源。建筑中应用的储能以用户内部配电网系统平衡调节为特征,通过物理储能、电化学电池或电磁能量存储介质进行可循环电能存储、转换及释放的设备系统。电动汽车不仅可以通过调整充电时间参与配电网调节,还可以在关键时刻向电网放电以实现备用电源。储能与建筑配用电系统的融合发展,有利于提高建筑配用电系统的可靠性。

“直”是指建筑中的供用电形态以直流为主。随着建筑中电源和负载的直流化程度越来越高,直流配用电可能是一种更合理的形式。电源侧的分布式光伏、储能电池等普遍输出直流电,用电设备中传统照明灯具正逐渐被LED替代,空调、水泵等电机设备也更多考虑变频的需求,此外还有各式各样的数字设备,都是直流负载。建筑内部改用直流配用电网,可以取消直流设备与配电网之间的交直变换环节,同时放开配用电系统对电压和频率的限制,从而展现出能效提升、可靠性提高、变换器成本降低、设备并离网和电力平衡控制更加简单等诸多优势。园区中建筑与建筑之间、园区与园区之间的直流互联使得建筑和园区真正实现功率互济,相互支撑。未来随着“光”和“储”在建筑中的应用,低压直流配电技术将在建筑中得到持续关注和研究;建筑低压直流配电的生态环境也会逐渐成形。

“柔”是指建筑设备负荷形态具备可中断、可调节的特性。为了寻找建筑用户体验和电网灵活性需求二者之间的平衡,建筑内设备的可调节性也能够为电力系统所用,成为一种潜在的灵活性资源。例如空调、热泵和供热供冷系统可以利用建筑围护结构的蓄热特性和根据配电网供需情况调整来进行短期负荷功率调节,为电力系统提供一定程度的灵活性;洗衣机、洗碗机等也都具有延时启动、错峰工作的功能。

未来新型电力系统的发展和电力市场化改革的深入推进可能会调动起建筑设备柔性调节的积极性,一方面用户参与电力市场交易的门槛会越来越低,参与其中的建筑用户会越来越多;另一方面电网辅助服务市场、电力容量市场逐步开放,建筑甚至可以以虚拟电厂的角色参与电力系统的辅助服务,建筑设备柔性调节的收益更加多样。

发展“光储直柔”促进新型电力系统作用发挥

“光储直柔”作为新型电力系统在建筑领域的新形态,除了促进建筑自身节能、提高建筑用电体验外,还将有助于“双碳”目标的达成,促进新型电力系统作用的发挥,对于解决城市电网面临的电网增容压力、可靠性提升压力等都有积极作用。

提升分布式能源消纳能力,实现建筑由碳消耗主力向碳中和主力转变

建筑是终端能源消耗最大单一主体,同时体量巨大的建筑外表面和园区是发展分布式能源的极好空间资源。6月20日,国家能源局下发《关于报送整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》要求:党政机关建筑屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于50%;学校、医院、村委会等公共建筑屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于40%;工商业厂房屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于30%;农村居民屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于20%。按此计算,158.6万家公共机构将带来约70~80吉瓦的装机空间;60亿平方米工商业屋顶对应近350吉瓦装机空间;5亿农村人口计算屋顶对应480吉瓦左右装机空间。如此巨大的分布式能源,单纯依靠现有配电网无法全额消纳。在建筑上使用“光储直柔”新型配电方式,将大大提升建筑对自身光伏的接入和消纳能力,实现自发自用和余电上网,甚至可以消纳外来风电光电,实现建筑由碳消耗主力向碳中和主力转变。

增加负荷的灵活调节能力,促进电网从“源随荷动”向“源荷互动”转变

电力系统是一个超大规模的非线性时变能量平衡系统。传统电网用一个精准实时可控的传统发电系统,去匹配一个基本可测的用电系统,并在实际运行过程中滚动调节,可以实现电力系统安全可靠运行。但是新能源大规模接入从根本上改变了“源随荷动”的运行模式。在新能源高占比电力系统中,因新能源随机性、波动性影响巨大,“天热无风”“云来无光”,发电出力无法按需实时控制。在用电侧大量分布式新能源接入以后,用电负荷预测准确性也大幅下降。这意味着,无论是发电侧还是用户侧都不可实时精准控制,传统的技术手段和生产模式已无法适应高占比新能源电网的运行需求,因此需求侧负荷的可调节能力显得十分重要。“光储直柔”这种新型配电方式,既连接了分布式电源,又连接了柔性(弹性)负荷,是实现需求响应的最佳载体。此外,光伏的发电峰值跟公建用电负荷峰值在日分布和季度分布上均有一定的同步性,“光储直柔”也成为实现分布式发电和负荷就地平衡的最佳技术手段。通过“光储直柔”能够最大限度调动负荷的可调节能力,实现建筑园区中分布式电源与负荷的互动,甚至将园区中灵活可调的资源聚集起来,参与电力辅助服务,促进电网从“源随荷动”向“源荷互动”转变。

建筑电力负荷的灵活调节能力提升,为电网和用户均带来巨大的好处。结合建筑的用能需求和负荷特性优化的运行调度策略,可大幅降低建筑的负荷峰值,缓解负荷逐年增长的压力,在电网侧可以有效缩小电力负荷峰谷差,提高电力系统运行效率,提升电网的安全稳定水平,延缓电网投资;在用电侧可以减少建筑对外部能源的使用量,有利于提高电力设备利用率,降低用户用能成本,减少用电损耗。

提高供电可靠性,实现可靠性由电网独担向电网与用户互担转变

增强和保障电网供电可靠性一直都是电网规划、建设和运行调度的关键目标,电网企业在保障供电可靠性方面承担了巨大的社会责任。据统计,我国333个地级行政区平均供电可靠率为99.826%,

其中城市用户平均供电可靠率为99.946%,即平均停电时间为4.72小时/户,达到了国际领先水平。现阶段供电可靠性的实现主要是依靠电网侧电力设施冗余配置实现,但随着可靠性提高,电网投资呈指数级增长,这不仅使电网企业承担了巨大的投资压力,也制约了可靠性进一步提高。

“光储直柔”这种新型配电方式,本身具备网源荷储等基本要素,可以构建一个独立运行的微电网。利用“光储直柔”接入简单、调控灵活的优势,能够有效地提升用户用电的可靠性。在配电网出现故障时,建筑“光储直柔”可以利用自身的分布式发电和储能(包括电动汽车),独立支撑建筑用电一段时间,从而能够解决配电网99.9%以外的供电可靠性,实现“99%+X”的可靠供电模式,甚至可以为周边建筑在停电时提供应急电源和相互的电源支撑。

在建筑上应用“光储直柔”,除了能够实现上述三个转变外,还具有显著改善系统性能、提高电源品质、降低能量损耗等优势。随着“光储直柔”技术发展,未来建筑将成为融用电、发电、调节和储电一体的绿色新型建筑,“光储直柔”也成为新型电力系统在建筑领域的新形态。

(作者谈竹奎 为贵州电网公司电力科学研究院副总经理、党委委员)

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来源:南方电网公司