​“光储直柔”配电系统对城市电网的影响与作用

在低碳发展的背景下，为适应高比例的可再生能源结构，建筑电气化已经成为未来的发展趋势。建筑电气化不仅要提高建筑电气化率，还要发展新型建筑配用电系统。长期以来，建筑配用电系统的设计以满足使用者的体验感、保障电气设备的安全性和可靠性为基本要求，同时与建筑节能紧密结合。未来为适应可再生能源在电网侧高比例渗透和在建筑周边分布式发展的新趋势，建筑配用电系统迫切需要发展新技术，其中“光储直柔”是关键。

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。

建筑作为城市电力消费的主体，发展“光储直柔”建筑，除了促进建筑自身节能、提高建筑用电体验外，对于解决城市电网面临的电网增容压力、可靠性提升压力等都有积极作用。以基于深圳市大型公共建筑的用能特点，分析“光储直柔”建筑对于城市电网的作用。

一、削减夏季空调负荷峰值

空调是导致夏季负荷峰值的主要原因之一。根据深圳市公共建筑能耗监测平台的数据显示，2019年公共建筑的单位面积用电指标为109 kWh/㎡。其中，照明与插座的用电量占比最大，达62.7%；空调用电次之，为26.5%，其余的动力用电和特殊用电占比为10.8%。

再选取典型日负荷曲线看，照明插座、动力用电和特殊用电受季节的影响较小，而空调用电负荷则有明显的季节差异性。以政府办公建筑类型为例（其典型日负荷曲线见图1），其夏季空调用电量占比高达40%，而冬季不到10%。如果能够充分挖掘空调系统的灵活性，一方面配置蓄冷、蓄冰、蓄电等储能设施，另一方面结合建筑的用能需求和负荷特性优化空调的运行调度策略，则有可能大幅降低夏季空调的负荷峰值。

与此同时，注意到光伏的发电峰值跟公建用电负荷峰值相重叠，积极开发建筑光伏发电资源也有利于减小建筑负荷的日间峰值。季节性上光伏发电峰值也与空调负荷峰值重叠。因此，发展“光储直柔”新型建筑配用电系统对于削减夏季空调负荷、缓解空调负荷逐年增长的压力有积极作用。


二、缓解电网增容压力

近年来深圳市建筑用电峰值负荷快速增长，2013~2019年深圳市用电峰值负荷增加了39%，同期用电量只增加了22%。为保障用电负荷需求，2014~2018年南网深圳供电局累计电力基础设施投资达到240亿元，即每增加1 kW用电负荷，投资增加4 700~5 800元。

电力负荷增容快的原因一方面是空调等建筑用电负荷的增长，另一方面是电动汽车的数量增长。在有序充电技术尚未普及时，电动汽车充电呈现明显的随机性和波动性，是典型的波动性负荷。目前，深圳市目前电动车保有量已达20万辆，预计最高充电负荷达到77万kW，未来当达到100万辆时，对于建筑配电系统的安全和电网的容量都构成了巨大的挑战。用电峰值负荷增长过快，不仅导致电力基础设施资源利用率更加恶化，也侵蚀了用户用能成本降低的空间。

然而，另一方面也注意到建筑变换器普遍长期处于低负荷运行状态。有研究分析表明，深圳市的国家机关办公建筑、商业办公建筑、商场建筑和宾馆饭店建筑4个类型建筑的变压器的实际运行负载率超过75%的运行时间占比分别为0.5%、1.4%、0.8%和0%，而负载率低于25%的运行时间占比分别为88%、82%、63%和78%。

“光储直柔”新型建筑配用电系统以直流配用电网为平台发展分布式能源、分布式储能和需求响应技术，实现建筑电力负荷的灵活调节，从而减少建筑对外部能源的使用量，同时削峰填谷使外部供电负荷曲线趋于平稳，提高既有电力设施利用率的方式，延缓甚至避免配电基础设施的升级改造。在当下增扩容所能带来的边际效益越来越低的情况下，这种方式可能比单纯的电网增容更加经济。对于深圳市电网而言，假设延续近年增速到“十四五”末期深圳市建筑用电峰值负荷达2 500万kW，如果通过发展“光储直柔”新型建筑配用电系统削减50%的建筑用电峰值，则可以减小电网投资50亿~60亿元。

三、增强电网供电可靠性

保障供电可靠性一直都是电网规划、建设和运行调度的关键目标，电网企业在保障供电可靠性方面承担了巨大的社会责任。据统计，2018年我国333个地级行政区平均供电可靠率为99.826%，其中城市用户平均供电可靠率为99.946%，即平均停电时间为4.72 h/户，达到了国际领先水平。但现阶段供电可靠性的实现主要是依靠电网侧电力设施冗余配置实现，这不仅使电网企业承担了巨大的投资压力，也制约了可靠性进一步提高。

实际上，供电可靠性保障应是电力供需双方的责任，在用户侧增加分布式电源，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。发展“光储直柔”新型建筑配用电系统，充分利用两部制电价和峰谷电价差，可从用户侧进一步降低用能费用。

光储直柔”技术并非全新的技术，但是在建筑领域的集成应用却是全新的探索。尤其在低碳发展背景下，可再生能源高比例渗透，建筑节能理念的转变为“光储直柔”技术的发展创造了机遇和场景。然而，“光储直柔”在建筑中集成应用仍然面临着技术不成熟、标准不完善、产品不完备等问题，要想实现工程应用和大规模推广，未来还有待更广泛深入的研究、跨学科跨部门的流程和大量实践经验的积累。