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在低碳發(fā)展的背景下，為適應高比例的可再生能源結構，建筑電氣化已經成為未來的發(fā)展趨勢。建筑電氣化不僅要提高建筑電氣化率，還要發(fā)展新型建筑配用電系統(tǒng)。長期以來，建筑配用電系統(tǒng)的設計以滿足使用者的體驗感、保障電氣設備的安全性和可靠性為基本要求，同時與建筑節(jié)能緊密結合。未來為適應可再生能源在電網側高比例滲透和在建筑周邊分布式發(fā)展的新趨勢，建筑配用電系統(tǒng)迫切需要發(fā)展新技術，其中“光儲直柔”是關鍵。
其中“光”和“儲”分別指分布式光伏和分布式儲能會越來越多地應用于建筑場景，作為建筑配用電系統(tǒng)重要組成部分；“直”指建筑配用電網的形式發(fā)生改變，從傳統(tǒng)的交流配電網改為采用低壓直流配電網；“柔”則是指建筑用電設備應具備可中斷、可調節(jié)的能力，使建筑用電需求從剛性轉變?yōu)槿嵝浴?br />
建筑作為城市電力消費的主體，發(fā)展“光儲直柔”建筑，除了促進建筑自身節(jié)能、提高建筑用電體驗外，對于解決城市電網面臨的電網增容壓力、可靠性提升壓力等都有積極作用。以基于深圳市大型公共建筑的用能特點，分析“光儲直柔”建筑對于城市電網的作用。
一、削減夏季空調負荷峰值
空調是導致夏季負荷峰值的主要原因之一。根據深圳市公共建筑能耗監(jiān)測平臺的數據顯示，2019年公共建筑的單位面積用電指標為109 kWh/㎡。其中，照明與插座的用電量占比最大，達62.7%；空調用電次之，為26.5%，其余的動力用電和特殊用電占比為10.8%。
再選取典型日負荷曲線看，照明插座、動力用電和特殊用電受季節(jié)的影響較小，而空調用電負荷則有明顯的季節(jié)差異性。以政府辦公建筑類型為例（其典型日負荷曲線見圖1），其夏季空調用電量占比高達40%，而冬季不到10%。如果能夠充分挖掘空調系統(tǒng)的靈活性，一方面配置蓄冷、蓄冰、蓄電等儲能設施，另一方面結合建筑的用能需求和負荷特性優(yōu)化空調的運行調度策略，則有可能大幅降低夏季空調的負荷峰值。
與此同時，注意到光伏的發(fā)電峰值跟公建用電負荷峰值相重疊，積極開發(fā)建筑光伏發(fā)電資源也有利于減小建筑負荷的日間峰值。季節(jié)性上光伏發(fā)電峰值也與空調負荷峰值重疊。因此，發(fā)展“光儲直柔”新型建筑配用電系統(tǒng)對于削減夏季空調負荷、緩解空調負荷逐年增長的壓力有積極作用。
二、緩解電網增容壓力
近年來深圳市建筑用電峰值負荷快速增長，2013~2019年深圳市用電峰值負荷增加了39%，同期用電量只增加了22%。為保障用電負荷需求，2014~2018年南網深圳供電局累計電力基礎設施投資達到240億元，即每增加1 kW用電負荷，投資增加4 700~5 800元。
電力負荷增容快的原因一方面是空調等建筑用電負荷的增長，另一方面是電動汽車的數量增長。在有序充電技術尚未普及時，電動汽車充電呈現明顯的隨機性和波動性，是典型的波動性負荷。目前，深圳市目前電動車保有量已達20萬輛，預計最高充電負荷達到77萬kW，未來當達到100萬輛時，對于建筑配電系統(tǒng)的安全和電網的容量都構成了巨大的挑戰(zhàn)。用電峰值負荷增長過快，不僅導致電力基礎設施資源利用率更加惡化，也侵蝕了用戶用能成本降低的空間。
然而，另一方面也注意到建筑變換器普遍長期處于低負荷運行狀態(tài)。有研究分析表明，深圳市的國家機關辦公建筑、商業(yè)辦公建筑、商場建筑和賓館飯店建筑4個類型建筑的變壓器的實際運行負載率超過75%的運行時間占比分別為0.5%、1.4%、0.8%和0%，而負載率低于25%的運行時間占比分別為88%、82%、63%和78%。
“光儲直柔”新型建筑配用電系統(tǒng)以直流配用電網為平臺發(fā)展分布式能源、分布式儲能和需求響應技術，實現建筑電力負荷的靈活調節(jié)，從而減少建筑對外部能源的使用量，同時削峰填谷使外部供電負荷曲線趨于平穩(wěn)，提高既有電力設施利用率的方式，延緩甚至避免配電基礎設施的升級改造。在當下增擴容所能帶來的邊際效益越來越低的情況下，這種方式可能比單純的電網增容更加經濟。對于深圳市電網而言，假設延續(xù)近年增速到“十四五”末期深圳市建筑用電峰值負荷達2 500萬kW，如果通過發(fā)展“光儲直柔”新型建筑配用電系統(tǒng)削減50%的建筑用電峰值，則可以減小電網投資50億~60億元。
三、增強電網供電可靠性
保障供電可靠性一直都是電網規(guī)劃、建設和運行調度的關鍵目標，電網企業(yè)在保障供電可靠性方面承擔了巨大的社會責任。據統(tǒng)計，2018年我國333個地級行政區(qū)平均供電可靠率為99.826%，其中城市用戶平均供電可靠率為99.946%，即平均停電時間為4.72 h/戶，達到了國際領先水平。但現階段供電可靠性的實現主要是依靠電網側電力設施冗余配置實現，這不僅使電網企業(yè)承擔了巨大的投資壓力，也制約了可靠性進一步提高。
實際上，供電可靠性保障應是電力供需雙方的責任，在用戶側增加分布式電源，利用直流微電網接入簡單、調控靈活的優(yōu)勢，能夠有效地提升用電的可靠性，并且配合峰谷電價、需求響應等激勵政策，還能夠降低用戶的用電成本。發(fā)展“光儲直柔”新型建筑配用電系統(tǒng)，充分利用兩部制電價和峰谷電價差，可從用戶側進一步降低用能費用。
光儲直柔”技術并非全新的技術，但是在建筑領域的集成應用卻是全新的探索。尤其在低碳發(fā)展背景下，可再生能源高比例滲透，建筑節(jié)能理念的轉變?yōu)?ldquo;光儲直柔”技術的發(fā)展創(chuàng)造了機遇和場景。然而，“光儲直柔”在建筑中集成應用仍然面臨著技術不成熟、標準不完善、產品不完備等問題，要想實現工程應用和大規(guī)模推廣，未來還有待更廣泛深入的研究、跨學科跨部門的流程和大量實踐經驗的積累。
其中“光”和“儲”分別指分布式光伏和分布式儲能會越來越多地應用于建筑場景，作為建筑配用電系統(tǒng)重要組成部分；“直”指建筑配用電網的形式發(fā)生改變，從傳統(tǒng)的交流配電網改為采用低壓直流配電網；“柔”則是指建筑用電設備應具備可中斷、可調節(jié)的能力，使建筑用電需求從剛性轉變?yōu)槿嵝浴?br />
建筑作為城市電力消費的主體，發(fā)展“光儲直柔”建筑，除了促進建筑自身節(jié)能、提高建筑用電體驗外，對于解決城市電網面臨的電網增容壓力、可靠性提升壓力等都有積極作用。以基于深圳市大型公共建筑的用能特點，分析“光儲直柔”建筑對于城市電網的作用。
一、削減夏季空調負荷峰值
空調是導致夏季負荷峰值的主要原因之一。根據深圳市公共建筑能耗監(jiān)測平臺的數據顯示，2019年公共建筑的單位面積用電指標為109 kWh/㎡。其中，照明與插座的用電量占比最大，達62.7%；空調用電次之，為26.5%，其余的動力用電和特殊用電占比為10.8%。
再選取典型日負荷曲線看，照明插座、動力用電和特殊用電受季節(jié)的影響較小，而空調用電負荷則有明顯的季節(jié)差異性。以政府辦公建筑類型為例（其典型日負荷曲線見圖1），其夏季空調用電量占比高達40%，而冬季不到10%。如果能夠充分挖掘空調系統(tǒng)的靈活性，一方面配置蓄冷、蓄冰、蓄電等儲能設施，另一方面結合建筑的用能需求和負荷特性優(yōu)化空調的運行調度策略，則有可能大幅降低夏季空調的負荷峰值。
與此同時，注意到光伏的發(fā)電峰值跟公建用電負荷峰值相重疊，積極開發(fā)建筑光伏發(fā)電資源也有利于減小建筑負荷的日間峰值。季節(jié)性上光伏發(fā)電峰值也與空調負荷峰值重疊。因此，發(fā)展“光儲直柔”新型建筑配用電系統(tǒng)對于削減夏季空調負荷、緩解空調負荷逐年增長的壓力有積極作用。
圖1 政府辦公類型建筑的典型日負荷曲線
二、緩解電網增容壓力
近年來深圳市建筑用電峰值負荷快速增長，2013~2019年深圳市用電峰值負荷增加了39%，同期用電量只增加了22%。為保障用電負荷需求，2014~2018年南網深圳供電局累計電力基礎設施投資達到240億元，即每增加1 kW用電負荷，投資增加4 700~5 800元。
電力負荷增容快的原因一方面是空調等建筑用電負荷的增長，另一方面是電動汽車的數量增長。在有序充電技術尚未普及時，電動汽車充電呈現明顯的隨機性和波動性，是典型的波動性負荷。目前，深圳市目前電動車保有量已達20萬輛，預計最高充電負荷達到77萬kW，未來當達到100萬輛時，對于建筑配電系統(tǒng)的安全和電網的容量都構成了巨大的挑戰(zhàn)。用電峰值負荷增長過快，不僅導致電力基礎設施資源利用率更加惡化，也侵蝕了用戶用能成本降低的空間。
然而，另一方面也注意到建筑變換器普遍長期處于低負荷運行狀態(tài)。有研究分析表明，深圳市的國家機關辦公建筑、商業(yè)辦公建筑、商場建筑和賓館飯店建筑4個類型建筑的變壓器的實際運行負載率超過75%的運行時間占比分別為0.5%、1.4%、0.8%和0%，而負載率低于25%的運行時間占比分別為88%、82%、63%和78%。
“光儲直柔”新型建筑配用電系統(tǒng)以直流配用電網為平臺發(fā)展分布式能源、分布式儲能和需求響應技術，實現建筑電力負荷的靈活調節(jié)，從而減少建筑對外部能源的使用量，同時削峰填谷使外部供電負荷曲線趨于平穩(wěn)，提高既有電力設施利用率的方式，延緩甚至避免配電基礎設施的升級改造。在當下增擴容所能帶來的邊際效益越來越低的情況下，這種方式可能比單純的電網增容更加經濟。對于深圳市電網而言，假設延續(xù)近年增速到“十四五”末期深圳市建筑用電峰值負荷達2 500萬kW，如果通過發(fā)展“光儲直柔”新型建筑配用電系統(tǒng)削減50%的建筑用電峰值，則可以減小電網投資50億~60億元。
三、增強電網供電可靠性
保障供電可靠性一直都是電網規(guī)劃、建設和運行調度的關鍵目標，電網企業(yè)在保障供電可靠性方面承擔了巨大的社會責任。據統(tǒng)計，2018年我國333個地級行政區(qū)平均供電可靠率為99.826%，其中城市用戶平均供電可靠率為99.946%，即平均停電時間為4.72 h/戶，達到了國際領先水平。但現階段供電可靠性的實現主要是依靠電網側電力設施冗余配置實現，這不僅使電網企業(yè)承擔了巨大的投資壓力，也制約了可靠性進一步提高。
實際上，供電可靠性保障應是電力供需雙方的責任，在用戶側增加分布式電源，利用直流微電網接入簡單、調控靈活的優(yōu)勢，能夠有效地提升用電的可靠性，并且配合峰谷電價、需求響應等激勵政策，還能夠降低用戶的用電成本。發(fā)展“光儲直柔”新型建筑配用電系統(tǒng)，充分利用兩部制電價和峰谷電價差，可從用戶側進一步降低用能費用。
光儲直柔”技術并非全新的技術，但是在建筑領域的集成應用卻是全新的探索。尤其在低碳發(fā)展背景下，可再生能源高比例滲透，建筑節(jié)能理念的轉變?yōu)?ldquo;光儲直柔”技術的發(fā)展創(chuàng)造了機遇和場景。然而，“光儲直柔”在建筑中集成應用仍然面臨著技術不成熟、標準不完善、產品不完備等問題，要想實現工程應用和大規(guī)模推廣，未來還有待更廣泛深入的研究、跨學科跨部門的流程和大量實踐經驗的積累。
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