“光储直柔”新型配电系统助力“双碳”目标

建筑是能源电力消费的重要主体。我国现有近500亿平方米房屋，建筑面积70%为高能耗建筑。建筑用能正持续快速上升，所占社会能耗的比重不断增大，目前的建筑能耗占比已上升至30%左右。

在低碳发展成为全球共识的背景下，建筑领域电气化也成为未来发展趋势。我国承诺二氧化碳力争于2030年达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。有研究表明，建筑领域高度电气化是能源系统低碳发展的前提。要实现巴黎协定的2度目标乃至更严格的1.5度和碳中和目标，建筑领域需要达到2个“90%”的目标，即建筑用能量中电的比重90%和建筑用电量中非化石电的比重90%。

建筑节能是一个系统工程，必须在能源利用的各个环节和系统从规划设计到运行的全过程中贯彻统筹。建筑电气化的技术路径不仅仅包括推进电能替代、提高建筑电气化率，还要促进建筑配用电系统的发展，提高其灵活性、安全性、可靠性和高效性，从而适应未来高比例的可再生能源渗透和差异化的供电服务需求。而且未来的建筑配用电系统也不再是单纯的消费者，它将会与城市电网深度融合为电网提供支持和辅助服务，使能源系统直接受益；会与电动汽车、分布式发电等互相协同，灵活整合多种能源；并且促进城市建设和新能源技术发展。 

双碳目标及新型电力系统的背景下，新型建筑配用电应具备4项新技术与发展趋势——光、储、直、柔。 

图1 新型建筑配用电系统

其中“光”和“储”分别指分布式光伏和分布式储能会越来越多地应用于建筑场景，作为建筑配用电系统重要组成部分；“直”指建筑配用电网的形式发生改变，从传统的交流配电网改为采用低压直流配电网；“柔”则是指建筑用电设备应具备可中断、可调节的能力，使建筑用电需求从刚性转变为柔性。

一、“光”，光伏发电与建筑的融合

太阳能光伏发电是未来主要的可再生电源之一，而体量巨大的建筑外表面是发展分布式光伏的空间资源。2018年建筑面积超过600亿m²，屋顶面积超过100亿m²，估计可安装超过800GW的屋顶光伏，年发电量超8000亿kWh。因此，把太阳能的利用纳入建筑的总体设计，把太阳能设施作为建筑的一部分，把建筑、技术和美学融为一体，是未来建筑和能源系统的融合发展趋势。

光伏组件成本的快速下降使得光伏建筑一体化变得更加可行，分布式光伏已经实现了平价上网的条件。而且与集中式的光伏电站相比，建筑光伏通过与建筑设计、施工同时进行，又或安装在已有建筑屋面上，可以节省土地租赁等一系列建设维护费用，比集中式光伏电站更具经济优势。未来光伏将会越来越多地应用在建筑中，并且成为建筑的重要组成部分。光伏建筑兼具绿色、经济、节能、时尚等优势。

二、“储”，电能时空的搬移

在未来的电力系统中，储能是不可或缺的组成部分。电池储能技术具有响应速度快、效率高、安装维护要求低等优点，是电力系统的灵活性资源和备用电源。国网能源研究院预计，中国新型储能（所谓新型储能，即为抽水蓄能之外的各类储能总称）在2030年之后会迎来快速增长，2060年装机规模将达4.2亿千瓦（420GW）左右。而截至2019年，我国中国的新型储能累积装机规模为2.1GW。这意味着，2060年中国新型储能装机规模将飙升近200倍。

电力系统的储能需求不只来自于电源侧和电网侧，负荷侧同样需要储能。随着分布式光伏和电动汽车与建筑配用电系统的融合发展，储能有利于提高建筑配用电系统的可靠性，同时允许建筑以虚拟电厂的角色参与电力系统的辅助服务。

随着电动车爆发带来的推动，储能成本正持续下降，新能源电站+锂电池储能成本会不断降低，根据GTM数据，2012年到2017年电化学储能电站成本大幅下降78%。而且未来到2030年，储能成本会下降到1000元/kWh，我国大部分地区风储光储结合就能实现平价。储能峰谷电价的效益增加，特别是随着灵活性资源逐渐稀缺，电池储能的收益会逐渐增加。经济性会成为建筑储能市场化发展的驱动力。

建筑储能技术目前还处于初期发展阶段，真正将储能配置在建筑内部的项目还比较少。从电动汽车和电网储能借鉴来的电池设计和管理技术也需要与建筑场景的特殊需求相结合，例如更多考虑建筑电池的热安全问题。锂离子电池对温度非常敏感，其最佳工作温度范围为20～40℃，在该范围内电池的工作性能较好，安全性能良好，可使用循环次数也相对较高。北京市颁布的《用户侧储能系统建设运行规范》中要求控制在0～45 ℃。因此，电池布置如何与建筑设计结合保证电池散热，电池控制如何与建筑负荷特性匹配防止过热事故发生都是储能电池应用于建筑场景所必须解决的关键问题。

三、“直”，建筑采用直流配电

随着建筑中电源和负载的直流化程度越来越高，直流配用电可能是一种更合理的形式。电源侧的分布式光伏、储能电池等普遍输出直流电。用电设备中传统照明灯具正逐渐被LED替代，空调、水泵等电机设备也更多考虑变频的需求，此外还有各式各样的数字设备，都是直流负载。建筑内部改用直流配用电网，可以取消直流设备与配电网之间的交直变换环节，同时放开配用电系统对电压和频率的限制，从而展现出能效提升、可靠性提高、变换器成本降低、设备并离网和电力平衡控制更加简单等诸多优势。

直流建筑的配用电系统结构见图1。在建筑入口处设有AC/DC整流器，其将外电网的交流电整流为直流电为建筑供电，或者在建筑电力富余时将直流电逆变为交流电对外电网供电。而建筑内部通过直流电配电网与所有电源和电器（设备）连接。当电源或电器（设备）的电压等级与配电网电压等级不同时，需设置DC/DC变压器。

直到今天，建筑低压直流配用电技术在国内外已经有了大量的研究。据不完全统计，国内外实际建成运行的直流建筑项目已有20余个，涵盖了办公、校园、住宅和厂房等多个建筑类型，配电容量在10~300 kW之间。 随着直流建筑研究和示范项目的积累，相关国际标准组织也已开展直流系统的标准化工作。旨在搭建直流电力系统技术领域的国际信息互通平台，推动直流电力系统技术领域的快速健康发展，促进直流电力系统技术以及产业的支撑配套。

未来随着“光”和“储”在建筑中的应用，低压直流配电技术将在建筑中得到持续关注和研究；同时随着标准的建立和更多家电设备企业的参与，建筑低压直流配电的生态环境也会逐渐成型。

四、“柔”，柔性可控的建筑负载 

建筑设备往往具有可中断、可调节的特性。例如空调和供热系统可以利用建筑围护结构的蓄热特性和人对温度波动的适应性来进行短期负荷功率调节，为电力系统提供一定程度的灵活性；洗衣机、洗碗机等也都具有延时启动、错峰工作的功能。寻找建筑用户体验和电网灵活性需求二者之间的平衡，建筑设备的可调节性也能够为电力系统所用，成为一种潜在的灵活性资源。

事实上，建筑设备的灵活性已经受到国内外学者的广泛关注，例如IEA EBC的Annex 67项目就围绕建筑柔性用能开展了一系列研究，包括用户调节意愿调研、控制策略优化、设备调节效益分析、可调节程度评价等。

然而，由于缺乏有效的激励机制，目前的需求响应技术还主要停留在理论研究和模拟仿真阶段，实际工程应用较少。未来电力市场化改革的深入推进可能会调动起建筑设备柔性调节的积极性，一方面用户参与电力市场交易的门槛会越来越低，参与其中的建筑用户会越来越多；另一方面电网辅助服务市场、电力容量市场逐步开放，建筑设备柔性调节的收益更加多样。