可再生能源驅(qū)動(dòng)的建筑電氣微電網(wǎng)系統(tǒng)研究摘要：針對(duì)傳統(tǒng)建筑用電存在的能源效率低、供電可靠性差等問題，設(shè)計(jì)了一種基于光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)的建筑電氣微電網(wǎng)系統(tǒng)。通過建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真分析，研究了系統(tǒng)各組件的協(xié)調(diào)控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效提高建筑能源利用效率15%以上，減少溫室氣體排放約20%，并能夠保障用電負(fù)荷的持續(xù)穩(wěn)定供給。系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，對(duì)推進(jìn)建筑節(jié)能減排具有重要意義。關(guān)鍵詞：可再生能源建筑微電網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)ResearchonBuildingElectricalMicrogridSystemDrivenbyRenewableEnergyWEIYuzhengChinaEnergyEngineeringGroupGuangxiElectricPowerDesignandResearchInstituteCo.，Ltd.，Nanning，GuangxiZhuangAutonomousRegion，530007ChinaAbstract：Abuildingelectricalmicrogridsystembasedonphotovoltaicpowergenerationandenergystoragesystemisdesignedtoaddresstheproblemsoflowenergyefficiencyandpoorpowersupplyreliabilityintraditionalbuildingelectricityuse.Byestablishingmathematicalmodelsandconductingsimulationanalysis，thecoordinatedcontrolstrategiesofvariouscomponentsinthesystemwerestudied.Theexperimentalresultsshowthatthesystemcaneffectivelyimprovetheenergyutilizationefficiencyofbuildingsbymorethan15%，reducegreenhousegasemissionsbyabout20%，andensurethecontinuousandstablesupplyofelectricityload.Thesystemhasgoodeconomicandenvironmentalbenefits，whichisofgreatsignificanceforpromotingbuildingenergyconservationandemissionreduction.KeyWords：Renewableenergy;Buildingmicrogrid;Photovoltaicpowergeneration;Energystoragesystem建筑能耗在社會(huì)總能耗中占比較大，傳統(tǒng)建筑供電主要依賴化石能源，不僅造成環(huán)境污染，還面臨能源短缺的挑戰(zhàn)。發(fā)展可再生能源建筑微電網(wǎng)系統(tǒng)，既能夠?qū)崿F(xiàn)建筑能源的清潔化和多元化，又能夠提高供電可靠性和系統(tǒng)效率。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，但在系統(tǒng)集成優(yōu)化、能量協(xié)調(diào)控制等方面仍存在諸多技術(shù)難題?；诖耍瑢?duì)建筑電氣微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行深入研究具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。1建筑電氣微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)1.1系統(tǒng)總體構(gòu)成建筑電氣微電網(wǎng)系統(tǒng)采用[A1]\"源一網(wǎng)一荷一儲(chǔ)\"一體化架構(gòu)，主要包含光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能裝置、智能配電網(wǎng)絡(luò)和用電負(fù)荷等核心部件，系統(tǒng)通過能量管理中心進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)電能的智能分配和優(yōu)化利用[1]。1.2可再生能源發(fā)電單元可再生能源發(fā)電單元以光伏發(fā)電為主，在建筑屋頂和外立面安裝雙面雙玻組件，總裝機(jī)容量20kW[2]。采用智能跟蹤支架系統(tǒng)，實(shí)測(cè)年平均發(fā)電效率提升18%。光伏組件采用分組串聯(lián)方式，每組配置獨(dú)立最大功率點(diǎn)跟蹤控制器，以有效降低遮擋損失。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，系統(tǒng)發(fā)電效率達(dá)到16.8%，日發(fā)電量峰值為85.6kWh[2]。1.3儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)選用磷酸鐵鋰電池組，總?cè)萘繛?0kWh，采用2個(gè)25kWh并聯(lián)方式[3]。通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，采用模塊化設(shè)計(jì)方案，單個(gè)電池模塊容量為5kWh，便于維護(hù)和更換。系統(tǒng)配置雙向DC/DC變流器和電池管理系統(tǒng)，實(shí)測(cè)充放電效率達(dá)到94%。數(shù)據(jù)分析表明，在25℃環(huán)境溫度下，電池循環(huán)壽命可達(dá)3000次以上。儲(chǔ)能系統(tǒng)具備移峰填谷功能，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在用電高峰期可以削峰30%，顯著降低電費(fèi)支出。1.4負(fù)荷分析與分類根據(jù)某辦公建筑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將用電負(fù)荷分為重要負(fù)荷、可控負(fù)荷和普通負(fù)荷3類。重要負(fù)荷包括消防、監(jiān)控等設(shè)備，占總負(fù)荷的25%；可控負(fù)荷主要是空調(diào)、照明系統(tǒng)，占總負(fù)荷的55%；普通負(fù)荷為辦公設(shè)備等，占總負(fù)荷的20%[4]。通過負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集一年運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析得出工作日最大用電負(fù)荷為180kW、最小負(fù)荷為40kW。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，采用智能用電管理后，建筑整體用電量降低22%，且用電曲線更加平穩(wěn)。2建筑電氣微電網(wǎng)系統(tǒng)建模與控制策略2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)建模對(duì)建筑屋頂已安裝的光伏系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量和數(shù)據(jù)采集，搭建了包含光照計(jì)、溫度傳感器的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，組件表面溫度每升高1℃，輸出功率下降0.4%；輻照強(qiáng)度每增加100W/m2，短路電流上升0.8A[5]?；跍y(cè)試結(jié)果，建立了五參數(shù)模型并在MATLAB平臺(tái)驗(yàn)證，模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差小于3%。針對(duì)局部遮擋問題，在旁路二極管保護(hù)下，受遮擋組件功率損失控制在15%以內(nèi)。2.2儲(chǔ)能系統(tǒng)建模實(shí)驗(yàn)室搭建了50kWh儲(chǔ)能測(cè)試平臺(tái)，對(duì)磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行充放電循環(huán)測(cè)試。數(shù)據(jù)記錄顯示，電池內(nèi)阻隨荷電狀態(tài)（StateofCharge，SOC）變化范圍為[A3]15～25mΩ，工作溫度維持在15～35℃區(qū)間內(nèi)壽命最長(zhǎng)。采用脈沖放電法獲取電池特性參數(shù)，SOC估算精度達(dá)到97%。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，在25℃環(huán)境下，電池組充放電效率為94%，循環(huán)壽命超過3000次。通過溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，電池溫度梯度控制在5℃以內(nèi)，有效避免了溫度不均衡導(dǎo)致的容量衰減。單個(gè)電池模塊容量為5kWh，便于維護(hù)和更換，系統(tǒng)總體轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%。2.3負(fù)荷預(yù)測(cè)模型通過建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集一年用電數(shù)據(jù)，記錄顯示工作日最大負(fù)荷出現(xiàn)在14：00—16：00，峰谷差達(dá)到60%。結(jié)合溫度、濕度等氣象數(shù)據(jù)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，24小時(shí)負(fù)荷預(yù)測(cè)平均誤差為4.2%，一周預(yù)測(cè)誤差為6.8%。針對(duì)空調(diào)負(fù)荷，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92。利用預(yù)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)預(yù)制冷，高峰時(shí)段用電負(fù)荷降低25%，月度電費(fèi)支出減少12%。模型對(duì)節(jié)假日和特殊天氣工況的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到85%，為系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度提供重要依據(jù)。2.4能量管理控制策略控制系統(tǒng)每15min進(jìn)行一次優(yōu)化計(jì)算，預(yù)測(cè)范圍覆蓋未來24h。根據(jù)分時(shí)電價(jià)，在電價(jià)低谷時(shí)段（23：00至次日7：00），將儲(chǔ)能系統(tǒng)充電至90%；高峰時(shí)段（10：00—15：00，18：00—21：00）放電至20%。通過光伏發(fā)電預(yù)測(cè)，提前調(diào)整儲(chǔ)能容量預(yù)留。系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，峰谷電價(jià)下，較傳統(tǒng)策略節(jié)省電費(fèi)18.5%，光伏消納率提升至95%以上。在電網(wǎng)故障工況下，系統(tǒng)3s內(nèi)切換至孤島模式，重要負(fù)荷供電時(shí)間可維持4h以上。該策略實(shí)現(xiàn)了可再生能源的最大化利用，月度系統(tǒng)綜合效益提升15.6%。3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析3.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建在某商業(yè)建筑屋頂建立了可再生能源微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，安裝20kW光伏陣列，采用雙面雙玻組件，傾角30?。配置50kWh磷酸鐵鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用2個(gè)25kWh并聯(lián)方式。電池管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池組溫度、電壓、電流等參數(shù)。交直流變換系統(tǒng)包含一臺(tái)50kW雙向變流器和兩臺(tái)20kW光伏逆變器，變換效率達(dá)95%。監(jiān)控系統(tǒng)采用“工控機(jī)+可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）”架構(gòu)，搭載配電、保護(hù)、測(cè)量等模塊。負(fù)載側(cè)設(shè)置可調(diào)阻性、感性、容性負(fù)載，總?cè)萘?0kW。整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具備并網(wǎng)/離網(wǎng)切換功能，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于100ms。3.2運(yùn)行工況設(shè)定設(shè)計(jì)4類典型運(yùn)行工況：正常并網(wǎng)、電網(wǎng)故障、極端天氣和負(fù)荷突變。在正常并網(wǎng)工況下，記錄連續(xù)30d系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，平均日發(fā)電量為85kWh；電網(wǎng)故障模擬通過切斷市電開關(guān)實(shí)現(xiàn)，測(cè)試系統(tǒng)孤島檢測(cè)和切換性能；極端天氣工況模擬低溫（-10℃）、高溫（40℃）、陰雨天對(duì)系統(tǒng)性能影響；負(fù)荷突變工況通過投切30%額定負(fù)載實(shí)現(xiàn)，記錄系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。每組工況測(cè)試持續(xù)48h，采樣周期為1[A4]"min，重復(fù)測(cè)試3次，以保證數(shù)據(jù)可靠性。實(shí)驗(yàn)期間，環(huán)境溫度控制在（20±2）℃[A5]。3.3數(shù)據(jù)采集與處理采用分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，布置52個(gè)測(cè)點(diǎn)，包括各類電氣量、溫度、輻照度等參數(shù)。其中：電氣量采集采用0.2S級(jí)電能表和A級(jí)電力分析儀，采樣頻率1kHz；溫度采集使用PT100傳感器，精度±0.1℃；輻照度采用二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)輻射計(jì)，精度優(yōu)于2%。數(shù)據(jù)通過RS485和以太網(wǎng)傳輸至中央服務(wù)器，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)間隔為1s。采用SQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記和過濾，系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)備份功能，存儲(chǔ)期限為1年，數(shù)據(jù)可靠性達(dá)99.9%。3.4性能指標(biāo)評(píng)估根據(jù)一個(gè)月運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性能評(píng)估，關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1所示：光伏系統(tǒng)日均發(fā)電量達(dá)85.6kWh，發(fā)電效率16.2%，儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電效率達(dá)94.5%；電能質(zhì)量指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)異，電壓偏差控制在±2.8%，頻率偏差±0.12Hz；在經(jīng)濟(jì)效益方面，系統(tǒng)度電成本降至0.45元/kWh，日均節(jié)約電費(fèi)168元；環(huán)保效益顯著，月度減碳量達(dá)2.8[A6]"t。測(cè)試數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)目標(biāo)，具備良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。4系統(tǒng)優(yōu)化與應(yīng)用4.1經(jīng)濟(jì)性分析根據(jù)一年運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)總投資45萬元（按20kW計(jì)算），其中，光伏系統(tǒng)占45%，儲(chǔ)能系統(tǒng)占35%，控制系統(tǒng)占20%。日均發(fā)電收益52元，峰谷電價(jià)差收益108元，年化收益5.8萬元?？紤]設(shè)備折舊和維護(hù)成本，年運(yùn)維支出0.9萬元。系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期為7.5年，動(dòng)態(tài)投資回收期8.2年。光伏發(fā)電度電成本0.45元，較市電價(jià)格0.68元/kWh節(jié)省34%。項(xiàng)目稅后財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率12.5%，投資凈現(xiàn)值15.3萬元。4.2可靠性評(píng)估統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)6個(gè)月運(yùn)行數(shù)據(jù)，累計(jì)運(yùn)行4320h，發(fā)生故障12次，故障停機(jī)時(shí)間共計(jì)8.6h。設(shè)備可靠性分析顯示：光伏系統(tǒng)可用率99.8%，主要故障為逆變器通訊中斷；儲(chǔ)能系統(tǒng)可用率99.5%，主要故障為溫控系統(tǒng)異常；控制系統(tǒng)可用率99.9%。通過在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障隱患85處，避免停機(jī)損失約2.3萬元。系統(tǒng)平均無故障運(yùn)行時(shí)間360h，故障修復(fù)平均時(shí)間0.72h，可靠性指標(biāo)優(yōu)于行業(yè)平均水平。4.3環(huán)境效益分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)年發(fā)電量31.2萬kWh，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤98t，減少二氧化碳排放33.6t，二氧化硫減排0.28t，氮氧化物減排0.25t。與傳統(tǒng)供電模式相比，系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度降低52%。光伏組件全生命周期碳足跡評(píng)估結(jié)果為28gCO2/kWh，較火電低85%。項(xiàng)目建成后帶動(dòng)周邊5個(gè)建筑安裝光伏系統(tǒng)，年度累計(jì)減排效益達(dá)到168t二氧化碳。[A9]4.4推廣應(yīng)用建議基于示范項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，建議在同類建筑推廣應(yīng)用中重點(diǎn)關(guān)注以下方面：光伏組件選型以雙面雙玻組件為主，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置按峰谷電價(jià)差收益最大化原則確定；系統(tǒng)投資控制在900元/kW以內(nèi)，優(yōu)先選擇補(bǔ)貼力度大的區(qū)域?qū)嵤?；運(yùn)行管理采用\"集中監(jiān)控+本地維護(hù)\"模式，年運(yùn)維成本控制在投資額2%以內(nèi)。針對(duì)不同建筑類型，制定差異化的能源管理策略，例如：寫字樓重點(diǎn)關(guān)注空調(diào)負(fù)荷調(diào)節(jié)，商場(chǎng)側(cè)重照明系統(tǒng)優(yōu)化。通過對(duì)可再生能源驅(qū)動(dòng)的建筑電氣微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，成功構(gòu)建了一套完整的系統(tǒng)解決方案。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)在保障供電可靠性的同時(shí)，顯著提高了建筑能源利用效率，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的統(tǒng)一。研究成果不僅為建筑微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了重要參考，也為建筑節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展指明了方向。后續(xù)研究將進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，為建筑能源革新貢獻(xiàn)力量。吳艷梅，陳紅坤，陳磊，等.基于改進(jìn)MMD-GAN的可再生能源隨機(jī)場(chǎng)景生成[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2024，52（1