柔性直流用电:建筑用能的未来

作者:江亿
  点击数:184  发布时间:2020-03-18 20:04
未来,低碳电力系统的电源中一半以上为风电、光电,这些不可调控的电源大大降低了电网对用电侧峰谷变化的调节与适应能力,由此造成大量的弃风、弃光现象。怎样使电力负载由目前的刚性转为柔性,以适应电源侧大比例的不可调控电源,成为今后发展风电、光电的待解难题。
关键词:直流电 ,柔性直流用电 ,太阳能

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太阳能将成为建筑的主要能源来源之一。郭刚制图

我们的地球“发烧了”,澳洲山火、南极高温……一系列“危险信号”敲响全球变暖警钟。为避免更多灾难的发生,节能减排已成为全球共识。建筑节能是节能减排的重要环节之一,但却常常被忽视。为此,本报推出“聚焦建筑节能系列”栏目,邀请中国工程院院士、清华大学建筑节能研究中心主任江亿多角度阐述我国建筑节能发展路线图。

能源供给侧和消费侧革命将给建筑用能方式带来变革。建筑的能源来源、用能种类及供能系统方式都将迎来巨变,而太阳能将成为建筑的主要能源来源之一。

目前,太阳能光伏电池成本大幅下降,光伏元件价格由本世纪初的50元/瓦降至不足2元/瓦,发展太阳能光电的制约因素已由基础元件成本转为安装空间、安装成本和接入成本。建筑屋顶和可接收足够太阳光的建筑垂直表面,都将成为安装太阳能光伏电池的最佳场景。 

目前,我国城乡建筑总量超过600亿平方米,建筑屋顶和可接收足够太阳光的垂直表面超过100亿平方米。这些建筑表面若全部被开发利用,每年可发电约2万亿千瓦时,为我国目前全年总发电量的28%,超过了全国民用建筑的年耗电总量。 

近年来,光伏瓦、光伏幕墙、光伏玻璃等新产品不断涌现,与建筑外表面装饰一体化成为太阳能光伏电池技术的发展方向。用好建筑外表面,使其成为建筑用电的重要来源,也将成为新建建筑和改造既有建筑的重要内容。 

驱动方式由交流转为直流 

光伏发电输出的为直流电,需要通过逆变器转变为与电网同步的交流电,接入建筑电力内网。光伏系统配备的蓄电池,直接蓄存和释放的也是直流电,蓄放过程也需要进行交流—直流转换。 

目前,各种建筑用电装置的技术发展方向都是由交流驱动转为直流驱动。建筑内的各类用电设备,如LED光源的照明装置,电脑、显示器等IT设备,空调、冰箱等白色家电,以及电梯、风机、水泵等大功率装置,都需要直流驱动,光伏和蓄电池也要求直流接入。 

建筑用电系统不断进行交流和直流之间的转换,需要重复地接入转换装置,不仅增加了设备的投入和故障点,还造成近10%的转换损失。建筑内部能否完全改为直流供配电、彻底取消交流环节、改变建筑的供配电方式? 

特斯拉发明的交流电之所以全面战胜直流电,原因有三:交流电可以通过变压器高效地改变电压,满足不同的电压需求;交流电可以产生旋转磁场,由此产生异步电机;交流电网利用其无功功率的特性,可吸收用电侧负载瞬间变化对电网的冲击,维持电网的安全运行。而随着电力电子器件的飞速发展,这三方面需求都有了可替代的解决方案。 

目前,电力电子器件可以实现高效可靠的直流/直流变压和直流开关。1千瓦以内的小功率装置,成本已低于交流变压器;1兆瓦以内的装置,成本也在可接受范围,且这些器件成本目前都在按照摩尔定律规律降低。通过电力电子器件实现由直流电驱动同步电机、灵活精准地调控转速和扭矩,是未来电机发展的主要方向。建筑内的直流微网依靠其分布连接的蓄电池和电力电子器件,通过智能控制,也可以有效吸收负载瞬态变化的冲击,维持系统的稳定可靠。 

因此,目前技术条件都已具备,到了挑战建筑内的交流供配电系统的时候了。 

电力负载由刚性转为柔性 

建筑供电的入口通过交流—直流整流装置把外电网的交流电转为高压直流电,接入建筑内直流高压母线。直流高压母线分别通过DC/DC(直流到直流的电压变换)与分布在建筑外表面的光伏电池和建筑内不同区域的蓄电池相连,还可通过DC/DC向建筑内的大功率设备及建筑周边充电桩供电。由直流高压母线通过DC/DC引出若干路直流低压分路,分别进入各个建筑区域为小功率设备供电。 

交流系统的电压和周期必须严格调控,维持在预定值,以保障用电装置的功能和安全,若电压过低会导致异步电机的电流增大,甚至烧毁,而直流电系统的电压却可以在很大范围内变化。 

连接光伏电池的DC/DC可根据光伏电池的输出状况,自动调节接入阻抗,使光伏保持最大的输出功率;连接蓄电池的DC/DC可根据母线电压的变化,在蓄电、放电和关闭三种状态之间选择和调控;系统中连接的智能充电桩还可根据目前电压状况决定充电速率,甚至在母线电压过低时从汽车电池中取电,反向为建筑供电。 

直流高压母线的电压则由入口的交流—直流整流器控制,通过调节直流母线电压,调控建筑的瞬间用电功率。这样,建筑用电就从以前的刚性负载特性变为可根据要求调控的柔性负载特性,从而实现“需求侧响应”方式的柔性用电。 

不同功能的建筑、不同的光伏电池安装量及不同蓄电池的安装容量,通过调节直流母线电压可实现不同的功率调节深度。蓄电池安装量越大,实现的瞬态功率调节深度就越大。而当通过智能充电桩接入足够多的电动汽车时,就可以响应电网要求,使建筑瞬态用电功率在0到100%之间实时调节。这时,一座直流供配电建筑就成为一座虚拟的蓄能调节电厂,可根据电网的供需平衡状况进行削峰填谷调节。 

未来,低碳电力系统的电源中一半以上为风电、光电,这些不可调控的电源大大降低了电网对用电侧峰谷变化的调节与适应能力,由此造成大量的弃风、弃光现象。怎样使电力负载由目前的刚性转为柔性,以适应电源侧大比例的不可调控电源,成为今后发展风电、光电的待解难题。 

蓄存转换效率不到70%的抽水蓄能电站,是目前应对这一供需矛盾的主要手段。但是,我国适合修建抽水蓄能电站的地理条件有限,仅靠这一途径很难解决问题。带有储能的直流柔性用电建筑可实现的蓄存转换效率高于70%,将是未来缓解电力供需矛盾、接纳风光电的有效途径。 

一体化供配电系统前景可期 

未来,我国建筑年用电量将在2.5万亿千瓦时以上,并将有2亿辆充电式电动汽车,二者所消耗的电力之和将达到用电总量的35%以上。未来,如果建筑全部成为带有充电桩的柔性建筑,不仅可吸纳接近一半由风电、光电所造成的发电侧波动,还能有效解决建筑本身用电变化导致的峰谷差变化。 

“光伏+直流+智能充电桩”的建筑供配电系统虽然增加了投资,但极大降低了中低压电网输配电的容量。目前,建筑入口的供电容量是建筑最大负荷时的容量,建筑的年用电量与入口配电功率之比在500~1800小时,中低压配电网的年均负荷率仅为6%~20%。采用这种建筑柔性用电技术,建筑年输入电力总量与入口最大功率之比可提高到4000~6000小时,使建筑小区中低压供配电网的容量降低到目前的1/4以下。 

发展电动汽车的制约因素之一是充电桩系统的建设。如果按照加油站模式建起遍布城市的快速充电网,将导致电网的供配电容量再增加一倍以上。要满足2亿辆电动汽车的充电要求,电网系统需要超万亿元的扩容投资。而“光伏+直流+智能充电桩”的建筑内供配电系统,不需要增加电网容量就可实现对建筑周边充电桩系统的电力供应。在此基础上,有针对性地设置少数快充点,满足紧急需求,就可以完善符合汽车电气化要求的充电服务。 

统一规划、建设和改造“光伏+直流+智能充电桩”一体化建筑供配电系统,是电力系统应对能源革命、实现新型用电模式的重要任务之一。 

来源:《中国科学报》


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