2024年高层建筑光伏柔性直流用电关键技术研究及应用报告-上海大阈（侯院军）

IEEEPES电力系统运行、规划与经济技术委员会(中国)分论坛侯院军2024年11月2日目录/CONTENTS高层建筑光伏柔性直流用电关键技术研究及应用开始时问结束时间高层建筑光伏柔性直流用电关键技术研究及应用开始时问结束时间专项经费/杯费(干元)费巍<上河太阳能工程技术研究中心有限公司1郎箱地址m上尚太阳能工程技术研究中心有限公司上海巾2021年度科技自断行动计划科技支排联达峰碳中和专项第一此项目中报物/新型能技术/方向1、可两生能技术项目承担单位信息口项目名称：高层建筑光伏柔性直流用电关键技术研究及应用口项目周期：2021.11.1~2024.10.31司口预期效果：3、示范项目实现光伏消纳率100%,相比交流系统能效提升5%;,最大转换效率>94%。太阳光利用率较高无遮挡无树荫立面均可利用柔性控制·故障时保障特殊负荷安全运行·直流仅需控制电压及功率，交流考虑幅值、相位、无功、电能质量·直流控制简单，电能质量高、系统损耗低●减少交直流转换●减低故障率●负荷柔性控制●需求响应口上海中心城区功耗密度高，高层光伏屋顶普及低，实现“双碳”目标压力大，能源供给紧张。口直流供配电技术具有线路成本低、输电损耗小、供口发展具有光储直柔特征的高层建筑直流用电生态系统，减少能源损耗，实现新能源就地消纳与柔性负荷的创新能源配给形式，具有现实紧迫性和实用价值。口直流供配电系统线路的有功功率损耗较交流系统减少约4.11%。口采用可再生能源一体化建筑，电源处可节省约口在相同额定功率下，每多加一次AC/DC转换，能量损失约2%。口随着高层建筑规模不断扩大、高比例可再生能源不断增长、负荷柔性化及直流化、资源市场多元化，建设直流配电网有非常重要的意义。0.10黄埔区能源消费情况表0201220132014201520162017201820一、项目背景目录/CONTENTS口电压等级序列选择的影响因素研究电压-带载能力合理选择电压等级能够降低网损、减少资源损耗、节约空间、提高直流电网运行的稳定性和经济——口直流供电系统模式研究单端放射状拓扑简单、技术易实施、投资成本低，是目前低压等级中常用的结构两端手拉手供电可靠性高、供电范围广、集结各类型发载单元能力强，两端手拉手各项指标位于单端辐射和多端环形结构之间，兼顾了简单性与可靠性多端环形投资大且技术实施难度大口根据高层建筑具体特点，从源/荷接入、供电容量、可靠性、经济性、供电质量和短路容量等方面，研究典型拓扑结构对本高层智慧建筑的适用性。口从用电安全、漏电防护和系统成本等方面，研究系统的主接线方案；口从入地电流大小、过电压水平、可靠性和安全性等方面，研究系统的接地方案；口从经济成本、损耗、可靠性和故障清除能力等方面，研究换流器拓扑和直流断路器选型方案；安全性收益投资回收等价交直流系统对比等价交直流系统对比能效收益可靠性收益净现值净现值率初始设备造价收益二、任务及目标二、任务及目标研究内容三：多级能量管理装置研发口能量路由器装置研发：研制一套包含五端口的能量路由器，其中一个交流端口，接市电和负载；三个直流端口，分别接入储能、光伏和负载。其同一电路可实现功率的双向控制，实现离网和并网运行模式的无缝切换；并网电流谐波(额定功率)<5%,最大转换效率>94%;放电时具有并、离网两种逆变输出模式，支持计划性、非计划性并离网模式切换；可远程配置各保护参数。市电8BVWBVWxex气象汉加湿路直流照明显示屏空气净净水机气象汉加湿路高压直直按口1高压直直按口能量管理监视器算法控制单元算法控制单元数据可视化；数采及保护控制单元数采及保护控制单元以太网电子设备触器反馈电子设备触器反馈采集口关键技术1、综合考虑高层建筑多源和柔性负荷的灵活性、经济性和环保性等因素，研究直流配电技术的高层建筑光伏柔性用电系统的能源利用及转化效率提升策略。2、建立直流电压等级约束关系，以降低网损、减少资源损耗、节约空间、提高直流电网运行的稳定性和经济性为优化目标并根据实际用电需求，设计合适的供电模式以及研究各模式柔性切换控制策略。3、考虑针对高层建筑同时存在交直流两种电压形式的微源，不同微源由于输出特性的差异需要进行协调配合，构建多端口变换器的能量路由器，实现高层建筑各类微源的互联供电，为微源与负荷提供灵活且标准化的电力电子接口，同时实现系统的能量管理和协调控制。设计符合高层建筑场景的能量管理系统平台。一、项目背景目录/CONTENTS口关键技术2、单极性直流母线二二M3、直流母线375V二二M二二4、低压直流母线48V二二6、保护系统：绝缘检测直额定容量(kVA)额定也网电压(V)电网频率(Hz)总谐波畸变率(THDi)<3%(满载)电网连接类型电能方向双向福口2:光伏端口最大直流输入功率(kW)启动电压(V)直流输入也压范围(V)MPPT工作电压范围/额定电压(V)1端口3:交流负裁端口最大输出动率(kW)电池电压范园(V)最大充放电电流(A)最大充放电功率(kW)电池类型区电池/铝酸电池/超级电容电泡容量5-50kWh推荐)瑞口5:375V直流愉出塔口最大输出功率(kW)额定输出电压(V)瑞口6:48V直流输出湍口2每通道最大输出功率(kW)额定输出电压(V)交/直流最大转换效率口投资-收益模型及优化算法口投资-收益模型及优化算法能效收益：交流建筑与直流建筑系统损耗对应的电费差值为能效收益。安全性收益：使交流建筑与直流建筑具有相同电气安全性能所需的改造费用。可靠性收益：交流建筑与直流建筑可靠性差异对应的系统产值损失差值，以及维护费用差值。口初始设备造价差额高层建筑在满足相同负载需求，接入相同可再生能源和等容量储能的情况下，对比低压直流和低压交流系统的初始设备投资差异如式(2.1)所示：Gbc——直流系统初始设备投资，万元；GAc——交流系统初始设备投资，万元。三、技术途径三、技术途径口电气安全性收益Pac(S=S,)=Ppc(S=S,).j考虑交直流系统电能传输效率差异，结合电价得到低压直流配/用电系统的能效差异。直流系统相对于交流系统每年的能效收益按式(2.7)计算：口经济性评估指标口净现值(NPV)NPV-净现值，万元；C₁一现金流入量，万元；Co一现金流出量，万元；口投资回收期口投资效益评估模型s①设备投资方面，采用供电模式375V的低压直流配/用电系统高于交流s②低压直流配/用电系统的安全性收益比较可观，能效收益较为明显。③根据十年净收益来看，综合经济优势并不是特别明显。当前民用建筑场景算例中，对于采用优选供电模式方案的低压直流配/用电系统，相比交流系统在电气安全性、能效、经济性上都有明显优势，体现了低压直流配/用电系统在特定场景中的应用潜力。虽然目前低压直流配/用电系统在民用建筑场景下的综合经济性优势不明显,但是考虑到低压直流多方面的优势以及后续直流配/用电技术的成熟化和产业化，民用低压直流配/用电系统在推广应用上具备较大的潜力◎四空网131理理“5“8rHB5虹计hkehkeara交CIn电电t交““交三交/0能量管监视题算法控制单元单口以太网采集继电器/接触燃反馈采集继电器/接触燃反馈继电强/接触器统运行界面★控制继电器及反馈：可视化实现系统内各个通道/支路继电器控制,实现各支路的闭合和分断控制，并能实时采集系统内各个继电器的通断状态。★实时数据采集与交互：与各个设备模块交互，采集各控制模块的电流、电压、功率、运行状态等，实现配置参数更改、状态获取、模式切换、故障与报警功能0光储直柔电能路由器光储直柔电能路由器★储能备电与削峰填谷控制：本项目储能采用铅酸电池。通过对储能系统的充放电控制，实现储能UPS备电功能，当电网掉电时，使用储能系统为数据中心负载供电。同时，在夜间谷电时对储能电池进行充电，白天峰时控制储能电池放电。一、项目背景目录/CONTENTS典型案例示范案例典型案例示范案例口气象及光伏发电数据s高高口谐波测试数据