2022光储直柔建筑中直流关键技术体系研究.docx

光储直柔建筑中直流关键技术体系研究摘''在“近零能耗建筑”实践过程中，光伏发电无疑成为建筑电力供应的重要手段。传统的光伏发电均采用交流方案，然而随着大量的分布式光伏并网，低压电网的电能质量问题(谐波、不平衡)逐渐显现，导致电网公司对光伏并网做出了严格限制。光储直柔直流系统采用“自发自用，集中并网”的设计运行方式，不仅实现了分布式光伏的有效利用，还极大程度上解决了低压电网的电能质量问题，为规模化推进分布式光伏的发展提供了良好的技术支撑。与交流系统最大的区别在于分布式电源及负荷均通过直流接入，由于处于研究推广阶段，系统中的设备、控制、保护等均未形成系统性的技术方案和标准。针对上述现状，本课题在现有技术的基础上，从实际应用的角度，对建筑光储直柔系统主要技术进行梳理，并就其中部分关键技术展开实用化研究，形成不同场景下的光储直柔系统方案。本课题的主要研究内容包括以下几个方面：(1)建筑光储直柔系统的源荷特性及优化控制策略分析了建筑光储直柔系统内关键设备的现状和特性，包括电源、变换器、直流负荷、储能设备以及开关设备等。针对光储直柔内源荷特性，考虑到建筑用电本身特点，对建筑光储直柔系统进行了控制策略的研究，分析了分层控制策略和电压带控制策略，并研究了系统的具体运行模式。(2)建筑光储直柔系统的系统保护与用电安全考虑到当前直流系统在实际应用中的各类故障问题，首先分析了系统的故障类型和主要特征，包括变换器故障和电缆线路故障等。根据不同故障类型的特点，提出了响应的保护要求并分析了系统不同保护方案的类型。其次，在上述研究的基础上，提出了系统级保护策略，并根据保护策略给出了实际的保护配置方案举例。最后，在具体的保护产品研制方面，研究相应的数字化保护设备，并对成本低、体积小、易于推广的直流灭弧及绝缘检测方法进行研究，实现了直流负荷的无电弧操作以及直流支路多类型漏电流的快速保护，促进直流系统在建筑中的推广应用。(3)建筑光储直柔系统内关键设备选型开发及直流负荷设计针对市场光储直柔产品缺乏的现状，分析建筑光储直柔系统内电能变换需求，结合理论分析与实验测量，形成系统内变换装置的选型或开发方案，并对常规负荷进行直流化设计或改造。形成了包括电力电子变换设备（柔性双向变换器、整流设备、各类DC/DC等）、保护测控装置（母线保护、交直流线路一体化保护、支路保护）、系统监控管理平台以及多类型直流负荷等关键设备，满足了光储直柔系统的推广应用需求。（4）不同场景下建筑光储直柔系统的方案设计对不同场景下建筑光储直柔系统的电压等级、接地方式等进行研究，并设计合理的系统运行模式。具体形成了包括商业场景、住宅场景以及工业场景等不同类型的设计方案，并对方案系统结构、电压等级选取、核心装置以及运行模式等进行了选取配置。在前述研究的基础上，从拓扑结构选取、接地和接线方式以及容量配置等方面，给出了不同方式的特点对比和选取原则或建议。项目研究内容可为实现能源生产、消费、技术和体制改革提供重要的实践参考，对于新兴产业的发展,实现能源科技和装备水平的全面提升等方面都具有重要的理论和现实意义。对于双碳目标的实现，具有一定的促进作用。1 研究背景及意义12 建筑光储直柔关键技术发展概述32.1 建筑光储直柔系统的源荷特性及优化控制策略32. 2建筑光储直柔系统的系统保护与用电安全53. 3建筑光储直柔系统内关键设备及直流负荷84. 4不同场景下的建筑直流系统153建筑光储直柔系统的源荷特性及优化控制策略213. 1建筑光储直柔系统的源荷特性213. 2建筑光储直柔系统的优化控制策略285. 3光储直柔系统运行模式354建筑光储直柔系统的系统保护与用电安全384.1 光储直柔系统故障特点及保护要求384. 2光储直柔系统保护类型406. 3系统保护策略415建筑光储直柔系统内关键设备选型开发及直流负荷设计445. 1电力电子变换设备447. 2保护测控装置525.3系统监控管理平台605.4直流负荷656不同场景下建筑光储直柔系统的方案设计736.1商业办公736.2居民住宅776.3I:yN806.4方案设计建议817总结与展望841研究背景及意义光储直柔系统是在直流配电网的基础上，融合了光伏、储能、直流配电系统和柔性用电负荷，其核心目的是实现建筑刚性负载柔性化，增加建筑灵活调节能力，强化电力系统“荷随源动”的负荷响应调控。建筑作为城市电力消费的主体，肩负“节能降碳”的历史重任。发展光储直柔建筑，不仅可以促进自身节能、提高建筑用能体验，还可有效缓解城市电网负荷峰值、电网增容和可靠性提升等压力。此外，光储直柔建筑配备分布式能源、储能和需求响应等技术，实现用能的灵活性调节，减小建筑对外的能源需求，同时削峰填谷平滑负荷曲线，增强设备的运行能效，延缓甚至避免配电基础设施的升级改造。发展光储直柔建筑，构建“荷随源动”的调控模式，减小了大规模可再生能源接入导致的峰谷差，很大程度上解决电网灵活调节能力下降和生成水平下降的问题，符合电网的未来发展方向。在电网逐渐增加的扩容成本的当下，光储直柔技术的发展展现出它更经济的特性。在建筑侧配备分布式光伏电源和储能，利用直流微电网接入简单、调控灵活的优势，能够有效地提升用电的可靠性，并且配合峰谷电价、需求响应等激励政策，还能够降低用户的用电成本。国外对直流配电网的拓扑结构研究起步较早。美国弗吉尼亚理工大学CPES(CenterforPowerElectronicsSyStemS)提出一种未来家庭直流配电系统；美国北卡罗来纳大学提出了TheFutureRenewableElectricEnergyDeliveryandManagement(FREEDM)系统结构，用于构建未来自动灵活的配电网络；韩国成均馆大学和三星电子公司面向家庭应用提出一种低压直流配电网方案，并进行了应用试验；日本大阪大学提出±170V双极直流母线供电方案，并通过电力电子设备进行电能形式转换和升降压以满足负荷需求；日本大阪大学的KakiganoH.等从人体安全和设备安全角度论证了民用住宅低压直流配电系统的电压等级，提出了400V的直流配电电压；意大利米兰理工大学于2004年提出了一种与大阪大学的双极结构类似的直流配电系统结构。国内方面，国家电网公司、各大高校、电气设备供应商都积极开展了对直流配电网的研究。国家电网有限公司及中国电力企业联合会根据现有研究成果，组织各方面专家给出了不同应用场景下直流配电网的典型电网结构，对工程建设中电网结构的选择具有借鉴意义；浙江大学对直流配电网的特点、优势及其网络的整体概念进行了较为详细地综述，提出了直流配电网的拓扑结构一一环状、放射状与两端配电。但整体而言，当前光储直柔技术仍处于起步阶段，缺乏统一设计规范标准,相关的设备配套亦不成熟，缺少不同应用场景、商业模式下的适应性评价体系,以及亟需发展节能低碳的运行调控技术。要想实现工程大规模的推广运行，需要更广泛的、跨学科的研究和大量的实践经验积累和产业链的。据此，从光储直柔建筑的优化设计、设备配套、运行调控、安全防护等四个方面，开展光储直柔系统的源荷特性及优化控制策略研究、建筑光储直柔系统的系统保护与用电安全研究、建筑光储直柔系统内关键设备选型开发及直流负荷设计、不同场景下建筑光储直柔系统的方案设计的研究工作。2建筑光储直柔关键技术发展概述低碳建筑“光储直柔”系统的推广应用与其技术发展水平密切相关，其拓扑结构设计方法、设备及控制策略发展水平关系到光储直柔系统从设计到运行的实施；另外，光储直柔系统中的柔性应用强调与电网侧的互动作用，因此与电网的互动模式成为其关键点所在。以下就低碳建筑的光储直柔系统的拓扑结构设计、设备协同互动、运行调控策略、与电网交互模式及示范应用等五个方面的研究水平进行介绍。2.1建筑光储直柔系统的源荷特性及优化控制策略建筑负荷柔性化可以促进建筑自身的节能和经济用电，效缓解城市电网负荷峰值，针对未来建筑领域将有大量分布式储能、充电桩以及空调等设备接入电网，有必要对现有设备的功率变换特点、控制策略等进行分析研究，为进一步提高现有负荷柔性化程度具有重要意义。在电动汽车充电桩能量变换方面：目前国内外电动汽车充电桩的功率变换部分一般采用两级变换方式，即AC/DC+DC/DC,前级AC/DC较为成熟的拓扑是三相PFCVIE三,后级DC/DC拓扑一般根据电平不同分为两电平变换方式和三电平变换方式。整流器作为电动汽车充电桩重要部分，受到国内外广泛关注研究。例如基于自抗扰控制算法的电压型PWM整流器，增强了EVCP充电时的抗干扰能力，然而整流器消耗来自电网的恒定功率，在电网参量变化较大时只能“切负荷”运行，不能主动响应电网需求。采用负荷侧虚拟同步机技术的充电桩具备惯量模拟、有功调整、无功支撑等能力，能够满足电动汽车有序并网、安全充换电的实际需求。基于LVSM的三相电压型PWM整流器控制策略，在电网参量变化时，可使负荷从“切负荷”变为“降功率”运行，提升了整流器故障穿越能力。将虚拟同步机技术应用在充电桩中，通过变换器的自主降额运行，则可实现了对弱电网的支撑作用。在分布式储能能量交换方面：储能装置能实现动态调节和稳定母线电压目的，因此，需在母线和蓄电池、超级电容等储能装置间使用高效大功率、快响应双向变换器跨接。目前国内外主要在直流变换器拓扑和控制策略方面开展理论研究，但均用以提高功率密度和效率。由于高频变压器的存在，隔离型双向DC/DC变换器还具有体积较大，设计成本高，设计过程复杂目前大多分布式储能系统中采用非隔离型双向DC/DC变换器。分布式储能功率单元控制策略有下垂控制法、主从设置法、平均电流均流法、最大电流均流法等，均可实现对各模块输出电流的控制。自适应动态下垂控制通过在不同的工作状态下动态调节下垂系数的大小，改善系统在受到功率波动时的动态响应速度。而传统下垂控制中的下垂系数固定，使得储能模块间的充放电功率比值不变，鉴于各储能模块的SOC存在差异，长期以相同的输出功率比值运行，会导致储能模块因过充或过放而退出运行，影响直流微电网运行的稳定性。在建筑用电设备能量交换技术方面，建筑内部用电设备能耗在社会总耗电量中占比大，并有持续增加的趋势，其中空调负荷、电热水器等柔性负荷在建筑楼宇中占据了重要地位。目前过国内外大多采用控制制冷热温度的方式，利用集中式控制通过设立中心控制单元，实时处理汇总所有的信息后由调控中心直接向每个负荷发布调控命令，实现空调等负荷降功率运行，以加热、通风和空调以及热水器等恒温控制负荷为例，常通过以下2种方式实现：1）切换开、关状态速率和比值；2）改变设定温度。但该方式功率调节响应时间较长，在紧急功率调节需求下效果不明显。综上所述，目前分布式储能、充电桩、建筑用电设备内部功率变换器及控制策略的种类众多，存在功率调节响应时间、交互通信方式以及功能用途等方面存在诸多差异，所对应的互动响应需求也不一样，需要进一步根据换流拓扑类型、控制方式、响应时间以及功能用途对不同类型负荷进行分类研究，在此基础上，充分挖掘各类负荷柔性化潜力，有针对性开展负荷柔性功率调节接口定制化装备样机研究。随着多种类型直流负荷的应用，直流配电系统呈现多电压等级的特点，多个电压等级的直流母线的互联实现了电压匹配和功率交换，更好的满足用户需求。直流配电系统中集成了分布式电源、储能、并网逆变器、以及各类负荷，考虑分布式电源的间歇性、波动性，系统的稳定运行与各供电的协调控制密切相关。针对多电压等级直流母线的直流配电系统，国内外学者均开展了不同电压等级的直流配用电控制理论研究，提出多种协调控制策略，可分为集中式与分散式两类。美国弗吉尼亚理工大学构建的直流混合配电网分层控制架构，为直流配电过渡性发展从控制上提供了可实施方案。集中式控制策略，将上层管理系统需要与各模块单元保持联系，确定其工作模式与出力大小，从而维持系统的功率平衡，实现最优运行；但集中式控制策略对通信的依赖程度较高，系统的稳定性、可靠性完全依赖于该控制单元，该单元一旦出现故隙，将有可能导致直流系统崩溃。因此，分散式控制策略应运而生，系统中各模块单元根据直流母线电压信号(DCbusvoltagesignal,DBS)调整工作模式，共同维持直流母线稳定，控制简单，但是系统级控制中的大部分目标均无法通过基于DBS的直流系统协调控制方法来实现，储能单元缺乏有效管理，无法实现储能单元的最优充放电控制，更无法实现直流微电网全局的最优经济运行。另外，直流母线电压波动范围较大、无法实现最优运行。为了解决这个问题，基于互联通信的直流系统分层运行控制策略将分散式控制与上层管理相结合，在不同时间尺度上分别实现设备级控制和系统级控制，完成电气量控制、电能质量调节以及经济运行控制，旨在实现直流微电网控制系统的标准化、可扩展性以及提高直流系统整体运行性能,极大提升了系统的可靠性与经济性。同时，适用于中低压直流配电系统的分散式统一控制策略结合DBS的分散式控制策略与直流变压器的统一控制策略，也可实现系统的全局功率平衡。目前，直流配电系统的协调控制策略主要针对单一母线结构的直流配电网，对于多个电压等级的直流配电系统的运行模式多样，切换流程复杂，对协调控制策略提出了更高的要求。同时，直流负荷类型多样化也阻碍了自适应协调控制的研究。因此，对多直流母线的光储直柔系统的统一的自适应协调控制策略亟待研究，对不同类型负荷的自适应调节亟待解决。2.2建筑光储直柔系统的系统保护与用电安全保护的完善是直流系统安全稳定运行的必要条件之一，国内外专家学者一直关注和研究直流系统的各类保护，直流系统的保护自上世纪九十年代得到了较为快速的发展。(1)短路保护目前对于短路保护主耍采取断路器和熔断器解决。直流断路器的主要作用是改变直流系统的运行方式，用来清除直流侧出现的故障，实现直流系统的保护。早在1994年，Komastu就已指出，通过使用真空断路器和混合固态真空灭弧室，在较短的时间内断开故障电流；2005年，Meyer等人探讨通过外部谐振电路和混合固态方法，为电弧电流提供一个旁路通道或者熄灭电弧的方法；2007年，针对传统的、低成本的断路器无法用在较高电压等级直流系统的问题，Krstic等人提出伸展、分裂的方法，但考虑到直流断路器受电缆的电感、电阻限制和直流电压水平以及线间电容的影响，电弧具有不稳定性与暂态特性复杂。2002年，西安交通大学电气工程学院赵登福、董继民、王东等对直流系统短路故障的快速识别与短路保护进行研究，提出了利用霍尔传感器测量直流系统回路电流、母线电压，以电流、电压综合判据快速识别直流系统短路故障的方法。采用可控直流断路器替代传统的熔断器法，将交流系统三段式微机电流保护原理应用于直流系统的短路保护，设计了辐射式I、II、山段直流供电回路，同时为防止在切除故障支路时因II、III段开关同时拒动，而由I段开关切除故障引起的其他供电支路电源消失问题，对HI段直流供电回路采用了备用开关自投方案，并研制了直流系统三段式微机电流保护装置。天津大学副教授薛士敏指出采用保护、控制集成方案可以降低保护系统的复杂性，降低系统成本，也可大大减少保护动作时间，是未来直流系统保护技术的发展方向之一。2014年，为了克服熔断器和直流断路器的缺点，结合变换器中全控型电力电子器件IGBT可快速关断的特点，国网电科院提出了基于电力电子技术的主动式短路保护，保护时间和效果都优于传统的断路器。ABB、上海良信、常熟开关、人民电器等企业均研发了相应的直流断路器产品，用来保护线路及电源设备免受过载、欠电压、短路等的危害。但该类产品存在保护功能单一且无数字化功能的问题，不能满足多场景需求。(2)接地保护直流系统是不接地系统，整个网络的直流电压偏移量是同一个，因此，定位接地故障是一个比较棘手的问题。Karlsson针对直流不接地系统，利用在换流器节点安装电流测量装置实现接地故障检测，该方案可同时在直流和交流两侧对接地故障进行检测，对短路故障也起到一定的保护作用。采用这种检测方案，需要故障线路两端之间进行通信。早在80年代初，我国就已开始了对直流系统绝缘自动监测仪器的开发研制，到了80年代末90年代初，随着葛洲坝、三峡水利发电工程的进展以及我国内陆火力发电厂规模的发展，研制出一套寻检速度快、检测精度高的直流系统绝缘监测仪器越来越成为我国电力事业发展的迫切需要。在1988年，按电力部下达的科研项目要求，长江水利委员会与武汉市琴台电子研制所合作研制成功“WZJ-4型微机直流系统绝缘监测仪”，并通过技术鉴定，在当时填补了国内该领域的技术空白。近年来，该所也对监测仪器进行过多次技术改进。目前国内专业从事直流系统绝缘监测仪器开发生产的公司不多，主要有武汉市琴台电器有限公司、北京思达星电力自动化有限公司、浙江星炬电力电子有限公司、大连旅顺电力电子设备有限公司等厂家。但就产品总体性能而言，我国现有直流绝缘监测仪器的实际现场监测效果不甚理想，主要存在以下一些问题：仪器的检测精度低，尤其在干扰严重的工业现场检测精度很难达到仪器技术参数所规定的精度要求；仪器的寻检速度慢，在一些挂接负载较多的直流系统，仪器对全部支路寻检所需时间过长；仪器电路结构复杂，成本高。在直流系统绝缘监测研究领域，国内科研人员对检测方法进行了广泛深入的探索，取得了一些成果，有些方法已经在电力系统和通信系统的绝缘监测中得到了应用，有些方法还有待于进一步的试验和完善。从国内目前的研究现状来看，主要有以下几种方法：平衡电阻法、低频探测法、变频探测法、霍尔磁式平衡法、振荡频率探测法、相位差磁调制检测法等。对于接地和绝缘下降采取如下措施：查看绝缘监察装置报警信号，瞬时停电查找接地点；直流熔丝、空开的上下级配合，定期进行蓄电池组核对性放电试验；在微弱信号处理方法上，采用正交矢量锁相放大的方法；在信号处理电路设计方面，采用了多路并行处理模式；对变频信号法进行改进，提出采样交流信号波形后，进行频谱分析以计算接地电阻来判断故障支路。但投入应用的直流系统接地故障监测装置只能发出接地故障告警信号，无法及时、全面隔离或切除接地故障，此方面的研究仍存在不足，有待进一步改进与完善。（3）交直流窜入交直流窜入故障是近年来才受到特别的关注的问题。目前行业内的绝缘监测系统具备基本的母线和支路绝缘下降监测功能，但普遍不具备交流窜入监测、蓄电池接地监测等，而且母线与支路之间不隔离，任何支路发生故障都可能引起其他支路保护不正确动作，所以目前的监测和保护装置无法满足直流电源系统安全运行的要求。除了上述故障类型保护以外，光储直柔系统中也存在一些直流系统所具备的安全隐患，如灭弧问题、剩余电流保护问题等。在直流灭弧问题上，与交流系统相比，直流系统最显著的特点是不存在电流过零点。因此，在直流系统发生电弧故障的情况下，高温等离子弧放电很容易发展和维持。根据电流路径，电弧放电可分为并联电弧和串联电弧两种。并联电弧通常是由电线或老化设备的介质击穿引起的短路引起的。如果电气连接松动或由于断线，耦合器，插座和插头等原因导致负载和电源断开，则会产生串联电弧。在两个铜或青铜电极之间产生的电弧放电伴随着强光和巨大的热量。电弧产生时，通过流过诸如空气或气体的介质的电流来维持两个导电电极之间的导电性。由于非熟练电气用户即使在常规环境中操作也可能发生串联电弧，因此应制定适当的措施，例如抑制或灭弧，以保护人员或财产免受电弧故障的影响。除了常用的物理灭弧方法以外，在灭弧产品方面，天水二一三电器集团有限集团提出一种提高直流接触器灭弧能力的灭弧系统方案和有效缩小产品体积的设计方案；广西大学王巨丰等人提出一种自能式多断口灭弧装置，可在3ms内时间内全概率熄灭直流电弧，并阻断电弧重燃。直流剩余电流保护方面，Siemens>Doepke等公司最早展开B型剩余电流检测装置的研制，之后ABB、Sehneider等代表企业相继推出带平滑直流检测功能的B型产品；美国国家电气规范(nationalelectricalcode,NEC)第690.11号文件提出了直流母线大于80V的光伏并网系统要配备故障电弧检测装置和断路器，以解决光伏直流电弧故障导致的安全问题；西班牙加泰罗尼亚理工大学提出基于通信的直流配电系统保护方案；英国思克莱德大学在低压直流环网中应用电流差动保护实现故障隔离。国内方面，常熟开关，正泰电器等典型企业已经陆续推出B型漏电保护产品。该类B型剩余电流保护装置虽然可以实现直流剩余电流保护，但其价格较高，不易推广。综上所述，无论是直流灭弧还是直流漏电保护，集约化，模块化、小型化都将是电力工程直流电源设备未来的发展方向。2. 3建筑光储宜柔系统内关键设备及直流负荷光储直柔系统示意如图2-1所示：图2-1光储直柔系统示意可见，光储直柔系统本质上属于低压直流配电网，其中包含的主要元素基本可以分为以下几类：2. 3.1电源常见的电源有光伏、风电等新能源发电，也可以是交流电网（AC/DC转换）及其他各种应急电源等。对于多数市内建筑而言，风机不适合与建筑结合，交流电网是常规配电电源，此处不再赘述。重点介绍光伏电源。当前的光伏电源主要是太阳能电池，主要包括以下几类：1）单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%,这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以至于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。2）多晶硅太阳能电池多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12%左右（2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池）。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。3）非晶硅太阳能电池非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。4）多元化合物太阳电池多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产，主要有以下几种：a）硫化镉太阳能电池b）神化钱太阳能电池c）铜钢硒太阳能电池（新型多元带隙梯度Cu（In,Ga）Se2薄膜太阳能电池）太阳能电池目前和建筑结合主要有两种形式，结合式光伏建筑（Building-AttachedPhotovoltaic,以下简称BAPV）和集成式光伏建筑（Bui1ding-integratedPhotovoltaic,以下简称BIPV）0BAPV采用简单的支撑系统将太阳能光伏组件固定在建筑物外表面，从而形成发电系统，这使得分布式光伏发电系统的拆卸和维护简单易行，而且不会削弱或破坏建筑物的各项功能。BIPV通过设计和施工安装将光伏发电组件集成到建筑物上，使分布式光伏发电系统和建筑物的安全防护、节能等功能有机融合，从而提升建筑物的使用性能和绿色指标，具体见图2-2 o图2-2典型BIPV建筑体系除具备发电功能外，BIPV还具有抗风压性能、水密性能、气密性能、隔音性能、保温和遮阳性能等建筑外围护所必需的性能和独特的装饰功能，达到建筑围护、建筑节能、太阳能利用和建筑装饰多种功能的完美结合。其优越性主要表现为：表2-1BIPV优越性优点介绍光便打京城无污舞的绿色可再生资源，能够减少一般化石燃料发电带来的环境1 污暴，有痢于环境葆护；求优胜列二舷裒装至屋顶租城面上，我接洗手太阳能，避免墙面温度和屋顶温2 度疝高，降旅空调负客改善室内环境；原地发电，原地使用，减少电力输送产生的损耗；3 由于日照处于高压电网用电高峰期，BIPV系统除保证自身简主任用电外，还可以向电网供电，从而舒缓高峰电力需求，解决电网峰谷供需矛盾，具有极大的4 社会效益；可以有效利用维雪缙构表画（犀JI和墙面），无需额外用地或加建其他设施，5 这对于土地慕费命城市建段尤为量要；维护保养简单，维护费用低，运行可靠性、稳定性好；大尺度新型彩色光伏模块节约了昂贵的外装饰材料，使建筑物更加美观。-7分布光伏建筑主要包括光伏幕墙和光伏采光顶两大关键部分。光伏幕墙是将分布式光伏发电组件与玻璃幕墙相结合，在满足建筑工程装饰功能的基础上,提升建筑的发电能力。设计时，需科学调整幕墙的角度，以提高光伏发电的效果。光伏采光顶是实现分布式光伏发电在建筑工程中高效利用的关键部分。采用光伏采光顶可克服光伏幕墙受日照角度影响的局限性，保证最大限度地利用日照时间，提高光伏发电的能力和效率。此外，还可遮阳板、底板等部位采用光伏组件，具体见表2-2o表2-2典型BIPV形式BlPV形式光伏组件光伏类型应用场景采光顶光伏玻璃集成建筑采光顶光伏屋顶光伏屋面瓦建筑屋顶透明光伏透光玻璃集成建筑外层幕墙光伏幕墙非透明光伏玻璃（普通）集成建筑外层幕墙遮阳板米光不采光光伏遮光板（透光）光伏遮光板（非透光）集成集成建筑遮阳板建筑遮阳板光伏地板光伏石板集成庭院石板路而BAPV主要应用于屋顶，通过支架等将普通光伏组件固定在彩钢瓦或者水泥屋顶上。是将组件固定（外挂）在现有建材之外，需要先有屋顶，再铺组件，通常已有建筑上装的光伏都为BAPV,如图2-3所示。BAPV的巨大的痛点来自于通常安装之前认为它不会漏水，但是安装了光伏之后可能就会漏水。因为传统工业级的BAPV用支架和厂房屋顶的镀铝锌钢板之间，一个是铝合金的材料，一个是镀铝锌的材料，它们会天然的发生变化学的反应，加速它的老化，加速它的腐蚀，可能就会产生非常多的漏水点，这个隐患是不得不考虑的。如果是业主的厂房不需要有那么多的防水的要求，那么传统的BAPV还可以进行一定的安装，尤其是可能也不会坚持那么久的厂房。但是如果是高质量发展的企业，非常关心自己的厂房漏水，防火抗风阶，甚至于有更多的一些绿电需求的企业，可能更多的要去考虑BIPV的一些解决方案。现在光伏企业都在往产品化方向走，进而实现规模化。而建筑与其他的产品不同，它是定制化的，建筑老板一般不倾向于建一个和旁边建筑一模一样的建筑。但是光伏又希望一个产品可以适应不同的建筑。这就是建筑的定制化和光伏规模化之间的矛盾。图2-3典型的BAPV示意光伏在房屋建筑中的应用不仅是单独地在屋顶或公共设施上安装光伏组件，而且光伏与建筑的深度融合，兼顾设计、安全、节能、美观等问题。分布光伏建筑将太阳能发电与建筑相结合，使得未来的建筑实现电力自给，是未来建筑建设的主要发展方向之一。2.3.2变换器变换器是直流配电网中的核心设备，承载着电能形式的变换功能，把不同形式、不同电压等级的元件联系成真正的直流配电网络。按照电能转换形式，变换器可分为交流-直流、直流-直流型变换器；按照电能传递方向，变换器可分为单向变换器、双向变换器；按照电气隔离特性，变换器可分为隔离型、非隔离型变换器；按照直流侧极性，变换器又可分为单极性变换器、双极性变换器。光储直柔系统中的变换器按变换类型主要分为AC/DC变换器、DC/DC变换器两大类。按功能类型分为光伏变换器、储能变换器、升降压变换器、整流变换器、逆变器以及双向整流-逆变器等。目前市场上的光伏变换器以光伏逆变器为主，例如华为推出的智能光伏控制器和阳光电源的光伏逆变器，输入直流，输出交流，均具备MPPT功能，如图2-4所示；光伏DC/DC变换器仅限于为小功率负荷直接供电的电源模块，例如爱浦电力推出的太阳能DC/DC模块电源，输入为300-1200VDC,输出为5、12、15、24VDC,但其不具备MPPT功能。图2-4华为光伏逆变器储能变换器PCS（储能变流器，英译：PowerConversionSystem）可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。PCS由DC/AC双向变流器、控制单元等构成。华为、阳光电源等厂家均开发了相应的储能变流器。图2-5所示为阳光电源的储能变流器，直流侧电压等级800-1500V,三相并网。图2-5阳光电源储能变流器整流变换器类型较多，配电系统中出于成本考虑，常采用整流变压器实现电网整流，整流变压器内单方向的脉动电流经滤波装置变为直流电。典型的整流变压器的外形如图2-6所示。充电桩电源、储能充电机等多采用全控型开关器件，如麦格米特的整流电源以及石家庄通合的整流充电机等。图2-6典型的整流变压器双向整流-逆变器主要有三种主要应用。在混合动力电动汽车(HEV)或电动汽车(EV)中，车内将有车载充电器为汽车蓄电池充电。充电电源从电网流向车辆，也称为G2V；在一些新的HEV或EV设计中，要求车辆允许从电池回流到电网(也称为V2G)；或在孤岛状态下向交流设备供电，具有V2G要求的HEV或EV需要大功率双向AC-DC电源作为其车载充电器。深圳市拓沃得科技有限公司的双向整流-逆变器如图2-7所示。图2-7双向整流-逆变器2.3.3直流负荷同交流网一样，直流负荷是电能传递的终点。直流负荷形式也比较复杂多样，如大功率的充电桩、空调、计算机群等负荷，也有小功率的照明等电器设备。日本夏普公司在2007和2008年的日本电子展中两次展示了该公司开发的“直流生态住宅”技术和产品；日本TDK公司在2008年也在展览会中展示了该公司的“全直流生态住宅”技术和产品；在2009年日本电子展中，夏普、TDK和日本松下公司分别展示了各自开发的住宅直流技术和相关产品；松下电工公司在2010年开始批量销售交直流混合供电的住宅配电产品。广东白色家电产学研创新联盟于2009年7月成立了直流家电技术工作组，2018年1月18日，深圳市建筑科学研究院股份有限公司与清华大学、住房和城乡建设部科技与产业化发展中心、住房和城乡建设部标准定额研究所、深圳市供电局有限公司、珠海格力电器股份有限公司、南京国臣信息自动化技术有限公司、深圳桑达国际电源科技有限公司、北京交通大学、北京四方继保自动化有限公司、厦门大学、兴业太阳能等十七家中外科研机构、企业代表聚集在深圳国际低碳城,共同发起成立直流建筑联盟，为直流技术的产业化推进做准备。2.3.4储能设备储能设备是一种比较特殊的设备，它既可工作组负荷状态，又可以工作在电源状态。目前市场上主要的储能类型包括物理储能和电化学储能。根据能量转换方式的不同可以将储能分为物理储能、电化学储能和其他储能方式：1）物理储能包括抽水蓄能、压缩空气蓄能和飞轮储能等，其中抽水蓄能容量大、度电成本低，是目前物理蓄能中应用最多的储能方式。2）电化学储能是近年来发展迅速的储能类型，主要包括锂离子电池储能、铅蓄电池储能和液流电池储能；其中锂离子电池具有循环特性好、响应速度快的特点，是目前电化学储能中主要的储能方式。3）其他储能方式包括超导储能和超级电容器储能等，目前因制造成本较高等原因应用较少，仅建设有示范性工程。2.3.5开关设备直流开关一直是直流配电系统关注的重点。由于直流电弧没有过零点，因此开关必须具有较强的灭弧能力。目前在中压侧已经有采用电力电子器件和机械结构的混合式开关问世，但价格仍偏高没法大规模商业推广。直流低压侧目前以塑壳式空气断路器为主，其开断能力达数十千安，断开速度在IOms左右,能够满足实际使用，但无法满足系统主保护的需求。2.4不同场景下的建筑直流系统我国的分布光伏建筑也已经获得了广泛的应用。根据建筑物的分类和屋顶的具体情况，分布式光伏发电有以下几种使用场景：(I)工业厂房。工业厂房具有屋顶面积大、平整开阔的特点，可充分利用屋顶空间安装分布式光伏发电系统，减少工业生产的电能计费，降低工业生产的用电成本支出，有效缓解工业用电的紧张局面。(2)商业建筑。商业建筑多为钢筋混凝土屋顶，有利于安装光伏阵列。商业大厦、写字楼等建筑用户的用电负荷特性一般表现为白天较高、夜间较低，这能够较好地匹配光伏发电特性。但是，商业建筑的外观设计要求较高，在建筑设计阶段应同步考虑光伏发电系统的布置位置及安装方式。(3)公共建筑。学校宿舍等公共建筑具有明显的分时用电特征，因此白天可利用分布式光伏发电并进行储能，晚上利用储能进行供电。(4)通信基站用电。偏远ft区的通信基站一般较为分散，用电负荷较小，且供电线路铺设环境较差，易产生供电不稳定。分布式光伏发电能够有效地提高通信基站用电的可靠性。首都机场采用铝合金支架将光伏板固定在屋面，且光伏板与屋面之间形成架空层，保证光伏组件在发电的同时还能起到屋面隔热层的作用。此外，为了解决电动车辆充电问题，首都机场新建了一批集光伏、储能、充电和停车为一体的充电车棚。具体方案见图2-80但是，已有光伏建筑大都只考虑了分布光伏的发电能力，尚未将电能存储、配电及柔性调节进行一体化考虑。(a)光伏板屋面(b)光伏充电车棚图2-8首都机场光伏设备“光储直柔”的出现，为解决建筑结构与分布光伏发电的一体化问题提出了新思路。“光储直柔”是在建筑领域应用太阳能光伏(Photovoltaic)储能(Energystorage)、直流配电(DireCtcurrent)和柔性交互(Flexibility)四项技术的简称。其中“光”和“储”分别指分布式电源和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，从传统的中低压交流配电网改为采用中低压直流配电网；“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。近几年，国内外陆续开展了直流建筑示范工程建设。国内外实际运行的直流建筑项目电压等级多在DC350V-400Vo国内外的示范工程主要集中在直流建筑、数据中心、数据中心、海岛供电等低压、小范围等特点特定供电场景，但系统结构各不相同，供电可靠性等方面有所差异。从系统结构上而言，博恩霍尔姆岛工程、日本仙台工程、巨次岛工程、深圳未来大厦等均采用辐射形结构，在母线故障情况下会极大影响供电情况。博恩霍尔姆岛的供电系统由传统能源和可再生能源发电组成，交流系统分为60、10、0.4kV这3个电压等级。该直流系统内部分别通过专用母线连接60kW的光伏系统、192kWh的电池储能系统BESS(BatteryEnergyStorageSystem)、2kW的风力涡轮机和50kW的电动汽车快速充电器，并通过一个三相30kW的直流变换器与外部400V交流电网进行电能交换。ESS可通过不同数量的蓄电池组串联输出不同等级的直流电压，省略了不同电压等级互联时的直流变压器设备，但由于目前蓄电池组占地范围大且造价较高，实际上并未减少系统的占地面积，不利于家用或商业推广，且BESS的投切对开关的要求较高，增加了系统成本；日本电报电话株式会社仙台工程(NTT)在日本仙台市启动了日本首个直流配电系统的示范工程,该工程采用两极三线制母线结，交流侧电压为400V,直流侧母线电压为430V,ESS和光伏电池通过DC/DC变换器与直流母线相连，再经过DC/DC变换器连接300V直流母线，可直接向数据中心的高压直流输电服务器供电。负荷单元电压等级