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编辑:江亿 来源:中国美高梅报 发布时间:2020/2/25 16:45:11
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江亿院士:柔性直流用电变革建筑用能

 

 

能源供给侧和消费侧的革命将对建筑用能方式带来变革,建筑的能源来源、用能种类以及供能系统方式都将出现巨大变化。从建筑能源来源来看,太阳能将成为其重要来源之一。

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/W降至不足2元/W。太阳能光伏电池平均年发电小时数为1200小时,投入2元的光伏元件每年可以发电1.2kWh,如果电价为0.5元/kWh,则光伏元件的投资不到4年即可回收,低于其它发电装置的初投资回收年限。

鉴于此,发展太阳能光电的制约因素就由基础元件成本转为安装空间、安装成本和接入成本。而建筑屋顶以及可能接收到足够多的太阳辐射的建筑垂直表面,都将成为安装太阳能光伏电池的最佳场景。

目前,我国城乡建筑总量已超过600亿平米,建筑屋顶和可接受足够太阳光的垂直表面超过100亿平米。每平米表面安装光伏电池平均每年大约可发电200kWh,如果这些建筑表面全部被开发利用,每年可发电2万亿kWh,约为我国目前全年总发电量的28%,超过了我国目前民用建筑的年耗电总量。

建筑用电可以从其自身表面获取,建筑表面空间应该作为重要资源开发利用。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重要发展方向之一。用好建筑外表面,使其成为建筑用电的主要来源,将成为新建建筑和既有建筑改造需要重点考虑的内容之一。

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。光伏系统要配备蓄电池,蓄电池直接蓄存和释放的也是直流电,也需要逆变器在蓄放过程进行交流—直流之间的转换。

就目前建筑内的各类用电设备而言,照明装置采用LED光源,需要直流驱动,要通过整流器将交流变为直流;电脑、显示器等IT设备,其内部为直流驱动,也需先通过AC/DC(交流到直流的电压变换)整流;空调、冰箱等白色家电,现在的发展方向是变频器驱动同步电机,实现对电机转速的高效精准控制,这样,其内部也要直流驱动,需先通过AC/DC整流;电梯、风机、水泵等建筑中大功率装置,目前的高效节能发展方向也是直流驱动的变频控制。

这样,各种建筑用电装置的发展和技术进步方向都是由交流驱动转为直流驱动,光伏和蓄电池也要求直流接入。而建筑用电系统中不断地进行交流和直流之间的转换,多次转换就要重复地接入转换装置,不仅增加设备投入和增加故障点,还造成接近10%的转换损失。

建筑内部是否可以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?

一百年前爱迪生发明的电力是直流电,美国最后一个直流系统一直运行到1940年。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,可吸取用电侧负载瞬间变化对电网的冲击,维持电网的安全运行。本世纪开始的电力电子器件的飞速发展,这三方面的需求都有了替代的解决方案。

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。对1千瓦以内的小功率装置,其成本已低于交流变压器,对1兆瓦以内的装置,其成本也在可接受范围,且目前这些器件成本都在按照摩尔定律的规律发展。

通过电力电子器件实现由直流电驱动同步电机可灵活精准地调控转速和扭矩,已成为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,也可以有效吸取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,就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分布在建筑内不同区域的蓄电池连接。同时,直流高压母线还通过DC/DC向建筑内的大功率设备(如电梯、空调、风机等)及建筑周边停车位的充电桩供电。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,维持在预定值周围,以保障用电装置的功能和安全。例如电压过低会导致异步电机的电流增大,甚至烧毁。然而直流电系统的电压却可以在很大范围内变化(例如,±30%)。对电压敏感的用电器具是通过DC/DC接入直流母线,DC/DC可以根据用电器具的特点自行调节其用电电压,而带有智能调节功能的用电设备还可以根据母线电压的变化自行对其用电功率进行调节。

连接光伏电池的DC/DC可以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可以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以根据要求调控的柔性负载特性,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以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同时成为一座虚拟的蓄能调节电厂,可以根据电网的供需平衡状况进行削峰填谷调节。

目前,以火电和水电为主的电源系统可以根据用电负荷状况随时对电源进行调节,实现供需平衡。而未来低碳电力系统的电源中一半以上将为风电、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,将成为今后发展风电、光电的瓶颈。

尽管抽水蓄能电站的蓄存转换效率不到70%,但目前已经成为应对这一供需间矛盾的最主要手段。然而,我国适合修建抽水蓄能电站的地理条件有限,很难仅靠这一技术途径解决问题。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%,它将是未来缓解电力的供需矛盾,有效接纳风电光电的有效途径。

“光伏+直流+智能充电桩”一体化前景可期

我国未来建筑年用电量将在2.5万亿kWh以上,还将有2亿辆充电式电动小轿车,二者之和所消耗的电力将达到用电总量的35%以上。如果未来建筑全部成为带有充电桩的柔性建筑,则可以吸纳接近一半由风电、光电所造成的发电侧波动,并有效解决目前由于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为500~1800小时。也就是说,中低压配电网的年平均负荷率仅为6%~20%。采用这种建筑柔性用电技术,建筑年输入电力总量与建筑入口最大功率之比可以提高到4000~6000小时。这就可以使建筑小区中低压供配电网的容量降低到目前的四分之一以下,所对应节省的投资一般也会超过建筑内增加的投资。

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2亿辆充电型小轿车的充电要求,电网系统需要万亿元以上的扩容投资。而“光伏+直流+智能充电桩”的建筑内供配电系统,则不需要增加电网容量就可以实现对建筑周边停车场的充电桩系统的电力供应。只要有针对性地再设置少数快充点,满足一些临时和紧急需要,就可以完成汽车电气化要求的充电服务。

统一规划和建设、改造“光伏+直流+智能充电桩”的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。

(编辑系中国工程院院士、清华大学建筑节能研究中心主任)

 
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