2024年高層建筑光伏柔性直流用電關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用報告-上海大閾（侯院軍）

IEEEPES電力系統(tǒng)運行、規(guī)劃與經(jīng)濟技術(shù)委員會(中國)分論壇侯院軍2024年11月2日目錄/CONTENTS高層建筑光伏柔性直流用電關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用開始時問結(jié)束時間高層建筑光伏柔性直流用電關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用開始時問結(jié)束時間專項經(jīng)費/杯費(干元)費巍<上河太陽能工程技術(shù)研究中心有限公司1郎箱地址m上尚太陽能工程技術(shù)研究中心有限公司上海巾2021年度科技自斷行動計劃科技支排聯(lián)達峰碳中和專項第一此項目中報物/新型能技術(shù)/方向1、可兩生能技術(shù)項目承擔單位信息口項目名稱：高層建筑光伏柔性直流用電關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用口項目周期：2021.11.1~2024.10.31司口預期效果：3、示范項目實現(xiàn)光伏消納率100%,相比交流系統(tǒng)能效提升5%;,最大轉(zhuǎn)換效率>94%。太陽光利用率較高無遮擋無樹蔭立面均可利用柔性控制·故障時保障特殊負荷安全運行·直流僅需控制電壓及功率，交流考慮幅值、相位、無功、電能質(zhì)量·直流控制簡單，電能質(zhì)量高、系統(tǒng)損耗低●減少交直流轉(zhuǎn)換●減低故障率●負荷柔性控制●需求響應(yīng)口上海中心城區(qū)功耗密度高，高層光伏屋頂普及低，實現(xiàn)“雙碳”目標壓力大，能源供給緊張。口直流供配電技術(shù)具有線路成本低、輸電損耗小、供口發(fā)展具有光儲直柔特征的高層建筑直流用電生態(tài)系統(tǒng)，減少能源損耗，實現(xiàn)新能源就地消納與柔性負荷的創(chuàng)新能源配給形式，具有現(xiàn)實緊迫性和實用價值?？谥绷鞴┡潆娤到y(tǒng)線路的有功功率損耗較交流系統(tǒng)減少約4.11%?？诓捎每稍偕茉匆惑w化建筑，電源處可節(jié)省約口在相同額定功率下，每多加一次AC/DC轉(zhuǎn)換，能量損失約2%?？陔S著高層建筑規(guī)模不斷擴大、高比例可再生能源不斷增長、負荷柔性化及直流化、資源市場多元化，建設(shè)直流配電網(wǎng)有非常重要的意義。0.10黃埔區(qū)能源消費情況表0201220132014201520162017201820一、項目背景目錄/CONTENTS口電壓等級序列選擇的影響因素研究電壓-帶載能力合理選擇電壓等級能夠降低網(wǎng)損、減少資源損耗、節(jié)約空間、提高直流電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟——口直流供電系統(tǒng)模式研究單端放射狀拓撲簡單、技術(shù)易實施、投資成本低，是目前低壓等級中常用的結(jié)構(gòu)兩端手拉手供電可靠性高、供電范圍廣、集結(jié)各類型發(fā)載單元能力強，兩端手拉手各項指標位于單端輻射和多端環(huán)形結(jié)構(gòu)之間，兼顧了簡單性與可靠性多端環(huán)形投資大且技術(shù)實施難度大口根據(jù)高層建筑具體特點，從源/荷接入、供電容量、可靠性、經(jīng)濟性、供電質(zhì)量和短路容量等方面，研究典型拓撲結(jié)構(gòu)對本高層智慧建筑的適用性?？趶挠秒姲踩?、漏電防護和系統(tǒng)成本等方面，研究系統(tǒng)的主接線方案；口從入地電流大小、過電壓水平、可靠性和安全性等方面，研究系統(tǒng)的接地方案；口從經(jīng)濟成本、損耗、可靠性和故障清除能力等方面，研究換流器拓撲和直流斷路器選型方案；安全性收益投資回收等價交直流系統(tǒng)對比等價交直流系統(tǒng)對比能效收益可靠性收益凈現(xiàn)值凈現(xiàn)值率初始設(shè)備造價收益二、任務(wù)及目標二、任務(wù)及目標研究內(nèi)容三：多級能量管理裝置研發(fā)口能量路由器裝置研發(fā)：研制一套包含五端口的能量路由器，其中一個交流端口，接市電和負載；三個直流端口，分別接入儲能、光伏和負載。其同一電路可實現(xiàn)功率的雙向控制，實現(xiàn)離網(wǎng)和并網(wǎng)運行模式的無縫切換；并網(wǎng)電流諧波(額定功率)<5%,最大轉(zhuǎn)換效率>94%;放電時具有并、離網(wǎng)兩種逆變輸出模式，支持計劃性、非計劃性并離網(wǎng)模式切換；可遠程配置各保護參數(shù)。市電8BVWBVWxex氣象漢加濕路直流照明顯示屏空氣凈凈水機氣象漢加濕路高壓直直按口1高壓直直按口能量管理監(jiān)視器算法控制單元算法控制單元數(shù)據(jù)可視化；數(shù)采及保護控制單元數(shù)采及保護控制單元以太網(wǎng)電子設(shè)備觸器反饋電子設(shè)備觸器反饋采集口關(guān)鍵技術(shù)1、綜合考慮高層建筑多源和柔性負荷的靈活性、經(jīng)濟性和環(huán)保性等因素，研究直流配電技術(shù)的高層建筑光伏柔性用電系統(tǒng)的能源利用及轉(zhuǎn)化效率提升策略。2、建立直流電壓等級約束關(guān)系，以降低網(wǎng)損、減少資源損耗、節(jié)約空間、提高直流電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性為優(yōu)化目標并根據(jù)實際用電需求，設(shè)計合適的供電模式以及研究各模式柔性切換控制策略。3、考慮針對高層建筑同時存在交直流兩種電壓形式的微源，不同微源由于輸出特性的差異需要進行協(xié)調(diào)配合，構(gòu)建多端口變換器的能量路由器，實現(xiàn)高層建筑各類微源的互聯(lián)供電，為微源與負荷提供靈活且標準化的電力電子接口，同時實現(xiàn)系統(tǒng)的能量管理和協(xié)調(diào)控制。設(shè)計符合高層建筑場景的能量管理系統(tǒng)平臺。一、項目背景目錄/CONTENTS口關(guān)鍵技術(shù)2、單極性直流母線二二M3、直流母線375V二二M二二4、低壓直流母線48V二二6、保護系統(tǒng)：絕緣檢測直額定容量(kVA)額定也網(wǎng)電壓(V)電網(wǎng)頻率(Hz)總諧波畸變率(THDi)<3%(滿載)電網(wǎng)連接類型電能方向雙向?？?:光伏端口最大直流輸入功率(kW)啟動電壓(V)直流輸入也壓范圍(V)MPPT工作電壓范圍/額定電壓(V)1端口3:交流負裁端口最大輸出動率(kW)電池電壓范園(V)最大充放電電流(A)最大充放電功率(kW)電池類型區(qū)電池/鋁酸電池/超級電容電泡容量5-50kWh推薦)瑞口5:375V直流愉出塔口最大輸出功率(kW)額定輸出電壓(V)瑞口6:48V直流輸出湍口2每通道最大輸出功率(kW)額定輸出電壓(V)交/直流最大轉(zhuǎn)換效率口投資-收益模型及優(yōu)化算法口投資-收益模型及優(yōu)化算法能效收益：交流建筑與直流建筑系統(tǒng)損耗對應(yīng)的電費差值為能效收益。安全性收益：使交流建筑與直流建筑具有相同電氣安全性能所需的改造費用。可靠性收益：交流建筑與直流建筑可靠性差異對應(yīng)的系統(tǒng)產(chǎn)值損失差值，以及維護費用差值?？诔跏荚O(shè)備造價差額高層建筑在滿足相同負載需求，接入相同可再生能源和等容量儲能的情況下，對比低壓直流和低壓交流系統(tǒng)的初始設(shè)備投資差異如式(2.1)所示：Gbc——直流系統(tǒng)初始設(shè)備投資，萬元；GAc——交流系統(tǒng)初始設(shè)備投資，萬元。三、技術(shù)途徑三、技術(shù)途徑口電氣安全性收益Pac(S=S,)=Ppc(S=S,).j考慮交直流系統(tǒng)電能傳輸效率差異，結(jié)合電價得到低壓直流配/用電系統(tǒng)的能效差異。直流系統(tǒng)相對于交流系統(tǒng)每年的能效收益按式(2.7)計算：口經(jīng)濟性評估指標口凈現(xiàn)值(NPV)NPV-凈現(xiàn)值，萬元；C?一現(xiàn)金流入量，萬元；Co一現(xiàn)金流出量，萬元；口投資回收期口投資效益評估模型s①設(shè)備投資方面，采用供電模式375V的低壓直流配/用電系統(tǒng)高于交流s②低壓直流配/用電系統(tǒng)的安全性收益比較可觀，能效收益較為明顯。③根據(jù)十年凈收益來看，綜合經(jīng)濟優(yōu)勢并不是特別明顯。當前民用建筑場景算例中，對于采用優(yōu)選供電模式方案的低壓直流配/用電系統(tǒng)，相比交流系統(tǒng)在電氣安全性、能效、經(jīng)濟性上都有明顯優(yōu)勢，體現(xiàn)了低壓直流配/用電系統(tǒng)在特定場景中的應(yīng)用潛力。雖然目前低壓直流配/用電系統(tǒng)在民用建筑場景下的綜合經(jīng)濟性優(yōu)勢不明顯,但是考慮到低壓直流多方面的優(yōu)勢以及后續(xù)直流配/用電技術(shù)的成熟化和產(chǎn)業(yè)化，民用低壓直流配/用電系統(tǒng)在推廣應(yīng)用上具備較大的潛力◎四空網(wǎng)131理理“5“8rHB5虹計hkehkeara交CIn電電t交““交三交/0能量管監(jiān)視題算法控制單元單口以太網(wǎng)采集繼電器/接觸燃反饋采集繼電器/接觸燃反饋繼電強/接觸器統(tǒng)運行界面★控制繼電器及反饋：可視化實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各個通道/支路繼電器控制,實現(xiàn)各支路的閉合和分斷控制，并能實時采集系統(tǒng)內(nèi)各個繼電器的通斷狀態(tài)?！飳崟r數(shù)據(jù)采集與交互：與各個設(shè)備模塊交互，采集各控制模塊的電流、電壓、功率、運行狀態(tài)等，實現(xiàn)配置參數(shù)更改、狀態(tài)獲取、模式切換、故障與報警功能0光儲直柔電能路由器光儲直柔電能路由器★儲能備電與削峰填谷控制：本項目儲能采用鉛酸電池。通過對儲能系統(tǒng)的充放電控制，實現(xiàn)儲能UPS備電功能，當電網(wǎng)掉電時，使用儲能系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心負載供電。同時，在夜間谷電時對儲能電池進行充電，白天峰時控制儲能電池放電。一、項目背景目錄/CONTENTS典型案例示范案例典型案例示范案例口氣象及光伏發(fā)電數(shù)據(jù)s高高口諧波測試數(shù)據(jù)