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储能在光伏低压直流供电建筑中的作用和应用

作者:房建军 来源:储能科学与技术 发布时间:2021-04-04 浏览:
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能源转型和节能减排的趋势下,光伏建筑结合直流供电成为研究热点,储能在其中的作用非常重要,但目前国内电化学储能标准尚有不足,建筑电化学储能应用的标准、规范更加缺乏。本文通过分析储能在光伏直流供电建筑中的作用,即协调控制储能的充放电功率和能量,实现最大化利用光伏就地发电、就地消纳,平滑光伏发电和负荷的波动,提高建筑配电接入电网的友好性,保障重要负荷供电等,提出了光伏建筑在选择电化学储能技术时需要把握的安全可靠性、经济性、对光伏发电的适应性等原则。这些原则也为光伏建筑储能技术标准的研究和制定提供参考。目前技术条件下,光伏建筑储能选用铅炭电池的主要依据是其安全性和部分荷电状态下的适应性等性能良好。依据如上储能配备原则,为一个低压直流供电光伏建筑项目配备了集装箱式铅炭电池储能系统,内置178 kW·h铅炭电池、热管理和电池管理系统。该项目光伏装机112.6 kWp,采用直流供电系统架构,能量管理系统可采用并网和独立模式运行。基于某一日并网运行模式数据,详细分析了光伏建筑在全天的能量时移,展示了最大化利用光伏发电、削峰填谷、恒定功率取电等功能的实现。该光伏直流建筑项目可为分布式储能在光伏建筑的推广提供有益的参考。

关键词 光伏建筑;低压直流供电;储能系统;能量管理系统;电网友好型建筑

在建筑电气化发展趋势下,建筑的电能消耗持续增长。为了降低建筑能耗促进节能减排,需要广泛应用可再生能源。分布式光伏是最适用于建筑的可再生能源之一,光伏系统可以在建筑上就地发电并且就地消纳,还可以降低建筑冷热负荷进而降低建筑能耗。光伏建筑的光伏系统与供电系统、能源需求等需要统筹规划设计。光伏建筑采用低压直流供电,配备一定容量的储能,通过能量管理系统调控,可以实现光伏发电输出最大化,平滑光伏发电波动,提高光伏建筑接入电网的友好性。有专家预测,基于储能的低压直流微电网是未来配电网的主要形态。随着储能技术的进步和成本的降低,采用低压直流供电技术、配备储能系统的光伏建筑将成为能源的生产者,在我国未来的能源领域占据重要的地位。

储能在光伏建筑低压直流供电系统中必不可少,有独特的作用和优势。但是建筑储能在选用原则:安全性、运行、维护等方面与常规的储能电站有很大的不同,而且目前尚缺乏针对建筑储能的相关标准。

本文提出储能在光伏建筑低压直流供电项目中的特点和优势,以及电化学储能的选用原则。介绍了北京某低压直流供电光伏建筑项目的概况、储能系统及能量管理系统运行情况。本项目的研究对于储能在光伏建筑中的应用和推广具有重要的指导意义。

1 储能在光伏建筑直流供电中的作用

推广光伏建筑和低压直流供电技术,可以最大化利用并就地消纳可再生能源,合理降低建筑能耗,平抑光伏波动和负荷波动,提高接入电网的友好性。要实现这些目标,需要为建筑配备合理的储能系统,其实质是实现瞬时功率的平衡控制和能量的时移调度。具体而言,储能系统在光伏低压直流供电建筑中发挥如下作用。

(1)最大化利用光伏发电,促进就地消纳

现有光伏建筑的配电系统不能有效平衡常规电力负荷和可再生能源发电的关系,据估算,由于可再生能源发电和建筑用电不匹配,每年造成的电能损失可达1000亿千瓦时以上。为大规模建设的光伏建筑合理的配备储能系统可以节省大量能源。

(2)平抑光伏波动和负荷波动,提高接入电网的友好性

蓄电池配备双向DC/DC变流器可以快速控制功率和双向调度能量,减少光伏发电波动和负荷波动对于配电系统的影响;可以转移建筑用能的峰谷负荷,实现削峰填谷;可以实现整个建筑用能按照计划出力,或者恒定功率取电,增加接入电网的友好性。

(3)保证重要负荷供电可靠

光伏建筑配备了储能以后,可以解决电网暂降等电能质量问题,还可以在电网计划停电或者意外中断时短时供电,有效提高负荷供电可靠性。

2 光伏建筑电化学储能选型原则

2.1 光伏建筑电化学储能选型原则

在光伏建筑中,目前最适宜的储能技术是电化学储能。光伏建筑储能系统的设计应符合现行国家标准GB/T 51368《建筑光伏系统应用技术标准》和GB/T 51048《电化学储能电站设计规范》的有关规定。但是目前国内现行的储能标准尚存在不足之处,建筑电化学储能应用的标准、规范更加缺乏。光伏建筑储能系统还应强调以下原则。

(1)安全可靠性

安全性是储能技术在光伏建筑应用必须首先考虑的要素。建筑储能的安全是一个系统工程,一方面要求储能系统具有本质安全性,失效的风险小,后果轻微;另一方面储能系统的运行、管理和维护应有完整的标准体系,在整个生命周期内保持良好的安全状态。

(2)部分荷电状态下工作适应性

由于光伏发电出力随天气等因素变化的间歇性和不确定性,光伏建筑配置的蓄电池经常在部分荷电状态(PSOC)模式下运行,可能导致电池经常处于欠充状态,大大降低电池循环寿命。因此,选用的电池必须能够适应部分荷电状态工作模式。

(3)成本

建筑储能系统必须在安全使用的基础上实现经济效益最大化,才能规模应用,促进节能减排。降低成本一方面需要选用适合建筑使用的先进、低成本储能方式,另一方面要根据能量管理的目标合理选用储能的容量,提高经济效益。

2.2 光伏建筑项目储能蓄电池的选用

目前在电化学储能市场中,锂电池占有垄断地位。但是近年来,国内外储能电站发生了大量安全事故,据统计,2017—2019年间仅韩国公开报道的安全事故就近30起。目前广泛采用的锂电储能热失控预警和气体灭火消防技术,不能完全避免锂电储能的安全事故。本项目选用铅炭电池产品,与其他电池储能技术相比,具有安全性好、成本较低和工艺成熟的技术优势,还具有高能量密度、快速充放电、循环寿命长等特点,适合工作在部分荷电(PSOC)状态下,是目前理想的光伏建筑储能电池。

3 项目概况

3.1 项目及光伏系统概况

该建筑是光伏建筑一体化技术和低压直流供电技术的研究、实验及综合示范项目,位于北京市昌平区。立面幕墙和屋面安装铜铟镓硒薄膜光伏组件,装机容量112.6 kWp,使用PVSyst软件预测首年发电量约7.5万千瓦时。建筑建成后外观如图1所示。

图1   光伏建筑外观

3.2 建筑低压直流供电

该项目采用配备储能系统的低压直流配电网络,实现光伏发电全部自发自用就地消纳。该项目的低压直流配电网络架构如图2所示。

图2   光伏建筑低压直流配电网络

项目的低压直流供电系统总负荷100 kW,采用两级配电系统,第一级配电为750 V单极母线,市电整流后接入母线,光伏系统通过光伏MPPT变换器接入,储能蓄电池经双向变换器接入,该母线同时为多联机等供电;第二级配电为单极220 V,为照明、电脑、云平台服务器、家用电器等供电。

3.3 项目储能系统

项目采用20英尺模块化集装箱式集成储能系统,配备总容量178 kW·h的铅炭电池、热管理和电池管理系统(BMS)。集装箱式储能系统如图3所示。

图3   集装箱式储能系统

4 光伏建筑电能管理系统

项目配备电能管理系统,对直流电能和发用电设备进行监测、控制。主要完成监测发用电设备运行状态、存储和分析运行数据、优化调度电能等功能,实现光伏发电利用最大化,削峰填谷等目标。直流供电能量管理系统运行界面如图4所示。

图4   直流供电能量管理系统

能量管理系统运行模式有并网和独立运行两种。

(1)一般情况下,系统主要运行在并网模式。由市电经整流器稳定直流母线电压,直流负荷优先由光伏发电供电,光伏发电不足的部分由电网补充,多余的电能存入蓄电池组。动态双向控制、调节储能输入输出功率和能量,平滑光伏发电波动和负荷波动。

建筑直流供电配备储能系统,通过控制蓄电池的充放电功率,能以恒定功率或者跟随电网给定功率大小的方式从电网取电。从而减少建筑交流配电容量、降低配电初始投资成本;解决电力负荷峰谷差等问题,提高光伏建筑接入电网友好性,可以最大程度地消纳可再生能源,具有巨大的社会经济效益。

图5所示为直流供电系统并网模式下某一天的功率运行曲线,截取了涵盖当日光伏发电时间段的6:00—18:00数据。由图可见:按照控制策略,在前一天23:00至当日7:00之间由市电给负荷供电,当6:30左右光伏发电后,市电功率逐渐下降,7:00之后负荷功率完全由光伏和储能提供;此后光伏出力始终大于负荷功率,多余电能储存在电池中;16:00之后,光伏出力小于负荷功率,光伏不足部分由当日储存的电能提供,储能持续供电,直至设定的SOC下限;当日光伏发电充足,光伏发电能量大于负荷用电,在当日7:00—18:00从电网“0”取电——恒定0功率;当日在11:00左右,直流负荷功率有一次较大幅度的变化,储能快速地进行功率平衡,平抑负荷波动。可见当日光伏发电出力最大化并100%就地消纳,平抑了光伏发电和负荷的功率波动,实现了能量的时移。

图5   直流供电系统功率运行曲线

(2)独立工作模式:当电网计划停电或者意外断电时,切除非重要负荷,蓄电池组通过双向变流器稳定直流母线电压,由光伏发电和蓄电池组共同供电给负荷,提高了供电的可靠性。

5 结论

光伏建筑、储能和直流供电的融合,消除建筑用能的峰谷差,提升可再生能源消纳的能力,并显著提高建筑用能的安全性、经济性和可靠性,成为光伏等可再生新能源在建筑中应用推广的有效途径。本文提出目前技术条件下光伏建筑选用储能技术的原则、优先选用铅炭电池的依据。基于一个光伏低压直流建筑研究了储能系统的实际应用。但目前还存在一些问题:

(1)与电化学储能电站相比,建筑储能在安全性等方面有更高的要求,现在缺乏建筑储能方面的相关标准,应加紧研究、制定;

(2)需要研究更先进的、更安全且更适合建筑使用的储能技术,推动分布式储能系统在光伏建筑上的大规模应用;

(3)应用于建筑的储能成本需要进一步降低,提高建筑储能的应用效益;

(4)光伏建筑储能的商业模式和运行、维护模式还要进一步探索。

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引用本文: 房建军.储能在光伏低压直流供电建筑中的作用和应用[J].储能科学与技术,2021,10(02):624-629.

FANG Jianjun.Function and practice of photovoltaic building energy storage system with low-voltage DC power supply[J].Energy Storage Science and Technology,2021,10(02):624-629.

作者简介:房建军(1972—),男,硕士,工程师,主要研究微电网和低压直流供电技术,E-mail:13520185312@163.com。

关键字:储能

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