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

高层建筑光伏柔性直流用电关键技术研究及应用 电力系统运行、规划与经济技术委员会侯院军上海大國信息技术有限公司2024年11月2日 项目背景 任务及自标 三、 技术途径 四、示范工程 目/CONTENTS 一、项目背景 口上海市科委2021年“科技创新行动计划”科技支撑碳达峰碳中和专项口项目名称：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口负责单位：中国航大上海太阳能程技术研究中小有限公可口合作单位：上海电力大学口示范工程建设单位：上海大域信息技未有限公 项自名特 口预期效果： 项目承担单位信息 1、高层建筑光伏柔性直流配电系统整体规划》典型案例1项：完成光伏柔性直流配电系统多维度投资一收益量化模型1套：2、建设《高层建筑光伏柔性直流配电系统》示范项目1个：3、示范项目实现光伏消纳率100%，相比交流系统能效提升5%；4、研发《能量路由器装置》1套，满足并网电流谐波（额定功率）<5%，最大转换效率>94%。 上海太阳能工程技术研究中心有限公司获立法人统一社会信用代码：单检类型：企业/内资企业 一、项目背景 口高层建筑光伏柔性直流用电系统特点 口高层建筑光伏特点 “光伏+直流+储能”更好实现削峰填谷故障时保障特殊负荷安全运行 耗电量较大 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 交流系统复杂 ·减少交直流转换·减低故障率 办公直流化 负荷柔性控制·需求响应 柔性控制 一、项目背景 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 电可靠性高等特点。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7.2%的电能。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。 项目背景 二、 任务及自标 三、 技术途径 四、示范工程 目/CONTENTS 二、任务及自标 研究内容一：基于光伏建筑柔性直流供电模式研究 口电压等级序列选择的影响因素研究 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性。直流电压等级选择涉及多个因素，有负荷的供电需求、分布式电源的接入需求、直流关键设备的性能情况、供电问题、直流系统接地设计等多个因素。根据高层建筑实际情况，分析影响电压等级序列选择的其它因素，然后对经济性、可靠性和供电能力等几个方面综合评价和分析，最终提出直流母线电压的设计计算依据。 二、任务及自标 研究内容一：基于光伏建筑柔性直流供电模式研究 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： 口从人地电流大小、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； 二、 任务及自标 研究内容二：高层建筑光伏柔性直流用电系统的投资一收益评价方法 口围绕高层建筑场景开展低压直流配电系统经济性评估，如上图所示，主要考虑初始设备投资、能效收益、可靠性收益和电气安全性收益。通过与等效交流系统对比，考虑多维度的投资一收益量化评价方法，结合传统经济性指标，提出能准确体现高层建筑低压直流配电系统特征的经济性评估方法。 二、 任务及自标 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， 二、任务及自标 研究内容三：多级能量管理装置研发 口能量管理系统平台开发 （1）直流用户侧拓扑图可视化、系统各运行设备节点参数可视化：（2）系统的开关位置、事故跳间信号、保护动作信号、异常信号、开关储能状态、终端状态等状态量可视化；（3）针对特定的分布式电源电能质量数据的采集以及分布式电源运行状态数据可视化：（4）可自动检测系统中所有设备的连线情况，并自动提示报警当前连线状态；（5）软件系统能显示各个设备的运行数据与状态，并能生成各个设备的数据报表，并且具备电量统计、电表计量、温度管理以及分布式电源、负载的趋势曲线，以便数据的分析。 二、任务及自标 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司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。 项目背景 任务及目标 三、技术途径 四、示范工程 目/CONTENTS 三、 技术途径 口关键技术 1、单端架构2、单极性直流母线3、直流母线375V4、低压直流母线48V5、接地系统：IT6、保护系统：绝缘检测 三、 技术途径 三、技术途径 口投资-收益模型及优化算法 高层建筑投资造价差额：直流系统投资造价减去交流系统投资造价能效收益：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 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： Gc一一直流系统初始设备投资，万元；CAc一一交流系统初始设备投资，万元。 三、 技术途径 口电气安全性收益 Pxc(S = S,) = Poc(S =S,) j =0,1,2,3其中，c（S=S）为交流系统不同伤害程度（S=S～S）的概率，x:（S=S）为直流系统不同伤害程度（S=S～S）的概率。 口能效收益 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： Eins5_AC一每年交流系统中的非负载能耗，kWh；Eloss_Dc一每年直流系统中的非负载能耗，kWh；EP一电价，万元／kWh 三、 技术途径 口经济性评估指标 口净现值（NPV） NPV一净现值，万元；C1一现金流入量，万元；Co一现金流出量，万元； (C1-Co)t一第t年的净现金流量，万元；r一基准收益率 口投资回收期 投资回收期是以投资项目的全部净收益抵偿全部投资所需时间，按式（3.3）计算： 三、 技术途径 口投资效益评估模型 ①设备投资方面，采用供电模式375V的低压直流配/用电系统高于交流系统。 ②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 三、 技术途径 可实现： ★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 ★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。 项目背景 任务及目标 三、 技术途径 四、示范工程 /CONTENTS 四、示范工程 四、示范工程 口气象及光伏发电数据 四、示范工程 口谐波测试数据 四、示范工程 下一步工作：口直流系统能效数据 口光伏消纳率口直流系统电压降及线损数据口接地及防护等数据口回收期等经济性指标数据 谢谢！