《中国光储直柔建筑战略发展路径研究》系列报告1-光储直柔综合报告.pdf

中国光储直柔建筑 战略发展路径研究 综合课题 中国光储直柔建筑战略发展路径研究中国光储直柔建筑战略发展路径研究 项目项目组组 2022 年年 7 月月 3 目 录 1.研究背景与目标.5 1.1.农村以屋顶光伏为基础的新型能源系统.5 1.2.开发利用私家电动车电池资源的智能有序充电桩系统.5 1.3.城镇建筑的“光储直柔”配电.6 1.4.课题设置.8 2.项目实施情况.10 2.1.专题技术研讨会.10 2.2.区域级示范应用.10 2.3.公众宣传推广.11 2.4.宣传推广取得的主要成果.12 3.项目研究总结.13 3.1.标准体系.13 3.2.技术体系.13 3.3.示范工程.16 3.4.政策机制.24 3.4.1.农村地区光储直柔的商业模式.24 3.4.2.城市地区光储直柔的商业模式.25 4.存在问题与进一步对策.28 4.1.农村的光储直柔发展.28 4.2.城市的光储直柔发展.29 4.3.核心问题是光储直柔与电网的协调.30 4.4.技术推广中的障碍.31 4.5.未来需要进一步开展的工作.31 5.课题技术报告摘要.33 课题 2：中国“光储直柔”建筑未来发展实施路径研究.33 课题 3：“光储直柔”建筑与电网的关系技术及相关政策研究.38 课题 4：中国光储直柔建筑中直流关键技术体系研究.40 课题 5：建筑电器直流化技术及接口标准研究.42 课题 6：“光储直柔”直流建筑标准体系研究.45 4 课题 7：中国光储直柔建筑发展的关键政策机制研究.51 课题 8：“光伏+智能充电桩”可行性分析与示范.54 课题 9：芮城城镇地区光储直柔建筑示范项目.56 课题 10：农村光储直柔系统示范项目技术方案及商业模式研究.58 课题 11：浙江电网湖州鲁能公馆示范项目.60 课题 12：青岛奥帆中心建筑光储直柔改造示范研究.63 课题 13：深圳未来大厦“光储直柔”工程实践与示范研究.65 5 1.研究背景与目标 针对要实现能源革命、把以化石能源为基础的碳基能源系统转型为以可再生能源为基础的零碳能源系统这一伟大任务，本项目提出要通过全面建设“光储直柔”的建筑新型配电系统，使建筑在电力系统中从目前扮演的单一的消费者的角色转型为“产、消、调蓄”三位一体的新角色，从而有效解决发展零碳的新型电力系统中面对的缺少风电光电安装空间、缺少有效的调蓄能力等关键问题；也使建筑领域在全社会低碳发展大战略下，不仅继续在建筑节能上持续努力，同时还助力于新型电力系统的建设，在开发可再生电力资源、实现可再生电力调蓄、有效消纳风电光电等方面辟出新径，破解零碳新型电力发展中的难题。围绕这一目标，经过几年的研究和工程尝试，认识到近阶段光储直柔工作可从如下三方面重点突破：1.1.农村以屋顶光伏为基础的新型能源系统 通过识别分析卫星高分辨图片，我国农村可安装屋顶光伏 20 亿 kW，年发电量2.5 万亿 kWh，为未来农村实现全面电气化后需要用电量的 34 倍。在山西芮城农村现场调查，每户可安装光伏的容量在 2040kW之间，全年可发电 2.54.0 万 kWh。目前每户全年用电量不超过 3000kWh，即使全面推广生产和交通电气化，也将有大量剩余电力。全面推广农机电气化，有可能使每户拥有 60kWh 以上的储电能力（各类可移动农机和车辆的电池），这就为调蓄每户屋顶光伏的电力提供了合适的储能资源，既可以协调发电与各种用电之间在时间上的不匹配，还可以协调剩余电力与电网输电能力及希望的输电时间段之间的矛盾，从而有可能实现一个配电台区或一个村庄电力的“只出不进只出不进”，也就是只通过农网向大电网输出电力，而在任何时刻都不从电网获取电力。一个村庄成为一个发电厂。这将彻底改变农村电力系统状况：对农民来说，屋顶光伏将成为其新的经济收入；对电力系统来说，农网将从长期以来依靠财政补贴的包袱转身变为可对电网起一定支撑作用的新型电源。这是从来没有过的电力系统架构，需要从每户、每个台区变压器以下的供电区、每个村庄的电力系统结构设计、安全分析、运行调度等多方面进行全面研究、创新和工程尝试与示范。1.2.开发利用私家电动车电池资源的智能有序充电桩系统 6 大比例发展风电光电电源的瓶颈是由于缺少足够储能资源导致的大幅度弃风弃光。而我国到 2040 年将拥有 3 亿辆私家电动车，日储能能力 150 亿 kWh 以上，可满足未来中东部地区风电光电消纳任务的 70%。私家车 85%以上的时间停在住区或工作地点的停车场内，如果实行“一位一桩”、“既停既插”，就有可能使停靠车辆的车载电池服务于电网的峰谷差调节和风光电消纳。停车场旁边必然是居住或上班的建筑，我国城镇的高层、多层建筑屋顶光伏仅能提供建筑用电的 15%30%，再加上附近停车场通过充电桩连接的车载电池，可以在电网电力富足时（由于风电光电富足或处于用电低谷期）通过建筑对停车场车载电池充电，而在电网电力不足时由车辆放电满足建筑用能。这样就使光伏建筑成为“只进不出”模式，使城镇建筑加上其周边停靠的电动车仅在电网电力富足时从电网取电，满足其需求，而在电网电力不足时则停止或最少的从电网取电。既协助电网削峰填谷，又不由于反向送电给电网带来麻烦。1 万平方米的办公建筑+100 辆 5 座电动车，全年用电约 100 万 kWh(建筑 80 万 kWh，车辆 20 万 kWh)，自身光伏发电 10 万 kWh(1000 平方米)，日最大发电量 1000kWh，不到车辆可使用储电量的 30%；通过车辆的储能每天可以吸收低谷电力 20003000kWh，转移到电力负荷高峰期为建筑供电，从而助力电网的削峰填谷或消纳外界风电光电 0.51MW，同时维持“只进不出”，不影响电网的潮流。在目前电力系统电源仍以火电为主时，停车场车辆仅是消纳建筑自身光伏；而未来电网电源大比例为风电光电、停车场车辆也主要是电动车之后，则白天通过电网储存外界多出的风电光电，夜间在驻地停车场通过充电桩放电，为居住建筑供电。1.3.城镇建筑的“光储直柔”配电 充分利用建筑外表面安装光伏，建筑内部设分布式蓄电，光伏、蓄电池、邻近停车场的充电桩和建筑的电器设备直接接入建筑内的直流配电网，通过直流配电网与外电网的 AC/DC 接口调节直流母线电压实现对从外电网取电功率的调节和控制。蓄电池、充电桩以及连接在直流母线上的各种用电设备都根据直流母线电压的变化自行调节自己的用电或充/放电功率，从而实现整个建筑从电网取电功率的调节。除了仓库、会展中心、体育场馆等特殊的可大比例安装屋顶光伏的建筑，一般城镇建筑都可以是“只进不出只进不出”，但却可大比例消纳外电网的风电光电。光储直柔建筑由此成为连接电网和有序充电桩之间的桥梁，并且在未来零碳的新型电力系统中起到“生产、调蓄、消费”三位一体的重要作用。如果未来中国城镇建筑中 350 亿平方米的居住建筑和 100 亿平方米的办公建筑都成为这种配电模式，与 3 亿辆私人电动车相配 7 合，就足以实现 40 亿 kW 风电光电的调蓄和消纳。这就解决了我国未来规划的 70亿 kW 风光电的 60%的消纳问题。未来我国建筑年运行耗电量 4 万亿 kWh，私家车 0.7 万亿 kWh，农村生产生活0.5 万亿 kWh，农村为大电网提供 1 万亿 kWh，共 6.2 万亿 kWh，为规划的风电光电总量 9 万亿 kWh 的 70%。图 1 我国实现碳中和目标时电力系统的构成（注：图中“a 亿/b 万亿”是指“a 亿 kW/b 万亿 kWh”）图 1 给出规划的我国实现碳中和时的电力系统构成。其中东西部划分主要是依据胡焕庸线，仅在个别处有所修订。中间的四个方块为主要的电力负荷。其中中东部制造业和市政及交通供电依靠由核电、风光电、水电和调峰火电提供的电力供应，依靠水电和调峰火电可完全满足调峰的需要；中东部农村的屋顶光伏在满足自身电力需求的基础上，将剩余 0.8 万亿 kWh 电力经过调蓄在指定时间段送出，为电力主干网供电；而城市建筑及与其连接的私家电动车则要依靠自身屋顶光伏，并承担中东部集中的风电光电（20 亿 kW，2.6 万亿 kWh）的消纳任务。因此城乡建筑光储直柔成为我国未来实现以风电光电为主要电源的零碳电力的主要任务，是消纳与调蓄风电光电的主要支撑。上述目标是涉及城乡建筑、车辆、农机、和电力系统的巨型工程，需要 30 到 40年的时间、15 万亿的投资、以及全社会用电文化革命性变化才能实现。本项目就是围绕这一目标，尝试其可行性，规划技术路线，厘清实现这一目标的技术、政策、机制、产业、金融、文化等各个方面的障碍，并通过几个不同类型的典型工程的策 8 划与实施过程探索克服这些障碍的途径，从而初步规划出我国实现上述目标的路线图。为这个宏伟目标的实现初步探讨其可行路径，是本项目的主要目的。1.4.课题设置 按照这样的思路，2021 年 5 月启动的“光储直柔”一期项目设计了 13 个课题，如表 11 所示。各课题已完成结题技术报告，报告摘要见第 5 部分。表 11 光储直柔一期项目（2021 年 6 月到 2022 年 6 月）课题 课题编号课题编号 课题名称课题名称 所属类别所属类别 承担单位承担单位 1 综合管理、总报告、宣传推广 综合 清华大学，深圳建科院 2 宏观规划研究 规划 深圳建科院，清华大学 3 光储直柔与电网的关系 技术 南方电网深圳供电局 4 光储直柔配电系统 技术 南京国臣 5 建筑电器的直流化与柔性化 技术 珠海格力电器 6 光储直柔相关技术标准体系 标准 国网电科院 7 光储直柔政策机制 政策 中科华跃能源互联网研究院 8 有序充电桩系统 政策、技术 清华大学 9 芮城县城公共建筑光储直柔 示范 清华大学，深圳建科院 10 芮城县农村建筑光储直柔 示范 国臣，清华大学 11 湖州鲁能公馆光储直柔示范 示范 清华大学，国网湖州电力公司 12 青岛奥帆中心光储直柔改造 示范 清华大学，青岛奥帆中心 13 深圳未来大厦光储直柔 技术 深圳建科院 这一组课题设计的基本思路是通过课题 3、4、5 对光储直柔的关键技术进行进一步研究，弄清其中的逻辑关系、技术难点、可能的突破口。课题 13 则是围绕中国第一座全面按照本项目理念建成的光储直柔建筑进一步的测试分析和实验，说明本项目目标的可实现性和需要进一步解决的各种问题。这四个技术研究性课题既为示 9 范工程提供技术支持，同时也为国家有关部门设立相关重大科研项目初步探明技术方向。课题 912 则是不同场合的示范工程研究，分别包括农村以屋顶光伏为基础的新型农村能源系统（10），中小县城级通过光储直柔有效消纳外部风电光电从而实现零碳电力的可能性（9），新建商住综合体的光储直柔（11）、以及既有公建改造项目在改造中同时实现光储直柔（12）。这四个示范工程的初步探讨试图通过深入研究在各类工程项目立项初期，如何通过技术、经济和绿色发展愿景等作为推动力实现光储直柔技术的落地，梳理出在不同场合下推动光储直柔的动力和阻力、影响项目落地的瓶颈、障碍，可能的融资机制和经济回报。由于智能有序充电桩成为光储直柔建筑最主要的储能资源，所以又专门设置了课题 8 研究充电桩相关的技术、推广机制、以及如何改变目前的充电文化，从而能充分挖掘利用电动车车载电池的储能潜力。课题 2 则是以我国多个机构目前提出的中国未来低碳能源规划，研究和规划光储直柔在低碳能源系统中的作用，尤其是在建立零碳的新型电力系统中，对挖掘可再生能源开发所需要的空间资源、解决风电光电有效消纳所需要的电力调蓄能力所具有的重要作用。同时规划出需要与我国能源系统转型同步实施的建筑光储直柔实施路线图。希望这个项目的全面完成能够科学地回答发展光储直柔对我国实现低碳能源转型的意义和作用，初步厘清发展中必须解决的关键技术政策和机制问题，从而汇集各种资源，有计划有目的地解决这些问题，调动起全社会各相关方的积极性，通过全面利用各种资源，使建筑的光储直柔被全社会接受，并进入正常的研究、发展和推广轨道。10 2.项目实施情况 2.1.专题技术研讨会 项目在 2021 年 5 月正式启动，由于新冠抗疫的要求，大多数交流和研讨活动只能在线上开展，但各个课题克服困难，基本上按照原计划进行，完成了原定计划中的各项工作。围绕本项目的开展，综合组协调组织了多次进展交流会和专题技术讨论会，疫情期间主要以线上会议方式进行，主要的线上交流活动如表 21。表 21 项目专题交流与讨论会 时间时间 主题主题 主要议题与成果主要议题与成果 2021 年 5 月 21 日 项目启动会 项目启动与整理研究计划 2021 年 8 月 20 日 专题学术沙龙 直流微网架构与技术体系 2021 年 11 月 89 日 各课题进展讨论会 各课题汇报研究计划与进展 2022 年 2 月 23 日 专题学术沙龙 智能充电桩关键技术专题研讨 2022 年 3 月 2 日 专题学术沙龙 光储直柔关键技术与示范项目 2022 年 3 月 16 日 专题学术沙龙 建筑配电系统关键技术专题研讨 2022 年 4 月 14 日 专题学术沙龙 标准体系和政策机制 2022 年 6 月 16 日 专题研讨 项目研究进展总结与研究展望 2022 年 6 月 23 日 专题研讨 项目研究关键总结与下阶段工作计划 2.2.区域级示范应用 本项目依托的示范工程之一是山西芮城县。由县委县政府正式委托本研究团队承担芮城全县零碳规划。根据对全国能源零碳转型研究的认识，提出零碳能源的评价指标。一个区域由于能源使用导致的碳排放应为区域内直接燃烧化石燃料导致的碳排放和由于引入外界电力导致的间接碳排放之和。尽管芮城全年的光电和风电发电量已高于全年的用电量，但由于缺少调蓄能力，约 40%的用电量依然来自于山西电网，其主要成分为燃煤火电，因此并不能认为其实现了零碳。只有通过城乡建筑的“光储直柔”和全县车辆电气化与有序充电，获得足够的储能和调节能力，使全县不再依靠电网的燃煤火电，实现电力自给，才能真正成为零碳。由此明确了全县通过全面推广光储直柔技术要实现的目标：在 2025 年实现碳达峰，2035 年实现碳中和，并通过能源低碳转型拉动经济发展，使全县人均 GDP 从不到全国平均水平的50%提高到全国平均水平。这个规划在 2021 年 9 月在芮城组织了专家审查评议会，由国内电力、能源、建筑等领域的专家和中央有关部委、山西省地方政府部门人员对规划进行了全面研讨和评审，高度认可了通过光储直柔实现碳中和目标这一发展 11 思路和实施路线。依据本项目课题 9 和 10 的成果，这一规划提出把农村通过光储直柔建设成在满足自身全面电气化的基础上实现净对外输出电力的基地，而县镇又依靠农村电力和多种储能措施，以及生物质调峰电厂实现电力供给的零碳和平衡。这可以认为是如何依靠光储直柔实现整个区域能源零碳，而不依靠 CCS 或 CCUS 的一个具体例证。围绕有序充电桩系统建设，研究规划了海南岛电力系统的零碳方案，提出通过建成全岛的有序充电桩网络并实行全岛车辆电气化，就可以由岛上核电承担基荷、风电光电保证电量，车载电池满足储能和调节，使全岛电力零碳和自给。这一方案在 2021 年 4 月在海口“汽车百人论坛”上初步提出，在 2022 年 4 月海南绿色金融论坛上深入讲述，并几次向海南省有关部门汇报。2021 年 11 月应邀在北京市参事室就北京市建设智能有序充电桩系统做汇报，并形成参事室专门建议，上报北京市政府。2.3.公众宣传推广（1）光储直柔专业委员会光储直柔专业委员会 在本项目的支持下直流建筑联盟持续开展活动，并在中国建筑节能协会的支持下，成立了“光储直柔”专业委员会，全面组织光储直柔的技术交流、标准制定、以及相关宣传、推广工作。2021 年 5 月在成都的全国绿建大会上组织了专场报告会，受到参会者的高度关注。（2）直流联盟公众号直流联盟公众号 直流建筑联盟公众号自 2018 年 4 月发布以来，共推送直流建筑技术、建筑电气化、建筑柔性、光储直柔、专家报告分享等文章共 323 篇，其中原创文章 177 篇，累计阅读量 40 余万人次（截至 2022 年 6 月）。（3）重要会议报告重要会议报告 就光储直柔的发展及其对建设新型电力系统的重要意义，根据本项目研究结果，已分别写入中国工程院和中国科学院组织的中国实现碳达峰碳中和路径的两个重大咨询项目中，作为建议提交国务院。自 2021 年 5 月本项目开题以来，江亿等先后在国家和省的电力部门、建筑部门和科技管理部门组织的各种会议和培训班上做了十八次报告（每次 20 分钟到 2 小 12 时）（配电大会 21.9.14，22.4.27，中关村论坛 21.11.25，海南绿色金融论坛 22.4.15，电力系统光储直柔论坛(江苏电网主持)22.4.11，山东科协低碳论坛 22.5.26，海南岛21.9.15，横琴岛零碳能源 22.6.13，中国建筑节能协会 22.6.14，京能集团 22.4.29，天津科协22.5.21，华润集团总部21.12.11，全国政协常委会提案委员会学习会22.3.23，五道口金融学院 22.4.22，清华经管学院 22.5.12，新华网绿色投资 22.4.25，电机工程学会 21.12.15，淄博市 21.12.9）。2.4.宣传推广取得的主要成果 通过本项目支持的各项活动，使各级政府和有关部门开始关注这一技术。2021年 10 月国务院2030 年前碳达峰行动方案文件中明确写明“提高建筑终端电气化水平，建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑”。2022年 5 月国家发改委节能中心还专门举行了“光储直柔技术宣讲与推广会”，由各省地市两级发改委负责人员参加，宣讲和学习讨论光储直柔技术。经过多年努力，国家科技部也已经把光储直柔正式列入“十四五”的重大科技支撑项目，目前已经发通知征集科研团队，2022 年将先支持建筑电器直流化产品，解决目前没有系列的建筑直流化产品问题，2023、2024 年将陆续立项光储直柔的架构与调控理论研究、以及示范工程建设。国网公司、南网公司也相继在 2021、2022 年启动光储直柔重点研究项目，组织电力系统内外的科研团队合作，重点解决光储直柔系统的架构、调控、稳定性和安全保护等问题。各地政府和企业也积极响应国务院文件要求，相继筹划一些光储直柔工程示范项目。如：北京公交集团办公楼改造项目、太原机场 T3 航站楼项目、岳阳机场项目、雄安国网综合服务公司总部大楼项目、山西芮城县整村示范、保定市徐水童庄村项目、垣曲县项目等。在全国积极响应中央的双碳战略的形势下，发展光储直柔建筑配电系统已成为实施建筑低碳发展的一个重要措施。13 3.项目研究总结 面对这样的形势，怎样能科学地掌握步调，不造成大炼钢铁式的“先是一哄而上，然后满地鸡毛”，就需要建立标准化体系，解决相应的技术关键，并通过各种示范工程揭示这类工程所可能遇到的技术、政策、资金、文化等各种问题，给出对策与方案。3.1.标准体系 本项目课题 6 围绕光储直柔的标准化体系开展研究。梳理了国内外此领域的相关技术标准，根据光储直柔发展需要，提出应该开发研究的光储直柔技术标准体系，以及按照轻重缓急确定的标准体系发展路线图，给出标准化问题的系统解决方案，为科学地、系统地发展光储直柔工作奠定了基础。在这一标准体系规划的指导下，相关标准工作也在紧锣密鼓地开展。民用建筑直流配电设计标准已正式发布，并准备在 2023 年开始进一步更新修订。根据发展需要，又由深圳建科院为主导，开始光储直柔建筑性能评价方法的编写，将在 2022 年内完成。此外，针对光储直柔系统的核心单元各类电力变换器，提出通用变换器平台的思路，并由北方交大主持编写建筑光储直柔系统变换器通用技术条件的标准。3.2.技术体系 针对光储直柔系统需要解决的技术问题，本项目课题 3、4、5 分别从与电网的协调方式，光储直柔系统架构和安全与调控，建筑直流电器接口和功率调节手段三方面进行梳理，并协助解决各个示范工程中出现的相关问题。课题 3 通过对一些典型区域和工程用电特性的分析，说明电网面对的是两类不同的扰动：来自用电侧需求的变化和风电光电导致电源侧的变化。这两类变化特征不同，需要面对的调蓄任务也有很大不同。目前风电光电在电源中的比例很小，所以主要问题来自于负荷侧。而随着风电光电占比的增加，问题将出现大的变化。现在需要研究的是能够同时应对这两类需求的机制，以使得我们提出的电网与终端之间的协调方法能够可持续。研究了国网和南网目前推行的各种需求侧响应模式、虚拟电厂模式以及通过第三方在电力交易平台进行交易的模式。分析结果表明，现行的各种协调模式都不能有效解决光储直柔系统与电网的有效沟通和协调，不能实现通过光储直柔为电网提供柔性负载，从而解决大比例风电光电后的有效消纳问题。14 在电价和交易机制上纠结，可能永远也不能找到有效的解决方案。必须利用全社会低碳发展的新需求，设计新的可以有效地实时反映出电网供需关系状况和电源碳排放状况的参数，使光储直柔建筑可以根据这一参数自主地调控。这将是光储直柔实现其最终目标的技术关键。课题 4 详细研究论证了光储直柔系统架构。从系统的基本构成，电源、变换器、光伏和各类直流负载的性能到构成系统、连接之后的相互影响，都做了深入分析。由此给出系统的基本控制策略，包括分层协调控制模式和依靠母线电压变化进行调控的模式。安全保护和用电安全是电力系统首要目标，对于直流系统，可能的故障、保护方式、接地方式等都有所不同，并且由于没有过零点切断触头还存在电弧现象。设计合理可靠的保护系统，是保证光储直柔系统能够正常运行从而被社会所接受的基本条件。课题 4 对此做了深入研究，并结合研究者在此领域多年的研究和工程实践，全面梳理了基础架构平台的各方面问题和经验，对一些关键问题提出独到的解决方法，既满足安全可靠要求又具有突出的经济性。针对办公与商业建筑、居住建筑和制造工厂三种不同的应用场合，课题 4 分别提出推荐的光储直柔结构，并给出关键参数和装置的建议。在课题 4 的基础上，进一步通过大量工程现场实测和仿真平台的模拟分析，将系统地建立光储直柔系统分析和工程设计方法，完成各类光储直柔工程的导则、指南和标准。课题 5 则是突出在建筑直流电器接口方式和“交改直”的可行性，为建筑电器领域实现直流化做先期工作。分析表明，随着建筑电器电子化和智能化的发展，直流供电是必然的发展趋势。从电梯、空调和风机水泵，到照明、冰箱、炊具和各类小家电，直流化最终都可以降低生产成本，提高产品性能，并且通过减少电量变换环节来减少损耗。面对技术发展大趋势，只有积极地从接口、标准、调控方式等各方面引导建筑电器的直流化，主动地发展直流产品，而不是维持传统，守旧、消极地等待市场需求的变化，才能保持我国在建筑电器领域目前的领先状态，也才能进一步由家电大国发展到家电强国。消极等待、贻误战机，很可能会由于直流化变革而失去机会，失掉建筑电器市场。课题 5 具体研究了不同功率、不同电压等级下直流电器的接口要求，并探讨了通过直流电压来改变其用电功率的可能性和具体方法，以及终端电器使用者参与该设备柔性调节深度的方式。课题 5 针对接口问题提出系列的标准建议。课题 13 是利用建成于 2019 年 12 月的深圳未来大厦对上述研究结果的全面检验。未来大厦是已建成的完整的光储直柔项目。通过全面测试系统性能，包括各环 15 节损耗，通过多种分析和实验检验其用电安全性、可靠性、电能质量，按照不同的调控策略检验其调控效果，并考察使用者可接受性、经济性、和社会效益。研究结果表明：（1）可靠性和供电质量。运行实践表明，光储直柔这种新型配电方式实现了更好的供电可靠性和更高的供电质量。在孤网到并网运行的相互转换、大功率设备的启停等转换操作时，蓄电池、光伏、AC/DC 等主要影响系统状态的部件可自行重新分配功率，使系统在 0.10.6 秒内实现转换、恢复稳定，且电压波动范围小于 5%；在外电网停电时，系统自动转为孤网运行，对用电侧无任何干扰；（2）各种用电保护措施。保护系统所采用的接地方式，几种短路保护、触电保护、灭弧等措施都十分有效。当按照规定方法严格实施各环节的安全保护措施时，直流系统可以获得优于交流系统的安全性；（3）系统的电量损耗。通过仔细测试，发现系统主要的能量损失来自蓄电池管理模块，每日充放电电量差高达 15%30%。这主要是不适当的电池管理控制方式所造成。改进电池控制管理模块电路，改善其算法，把充放电环节一律改为电流控制，可以大幅度降低这部分损耗。此外，就是出现较大弃光现象，这也与蓄电池控制管理逻辑有关，需要提前预测出未来可能需要储存的光伏电量，在蓄电池留下足够的储能容量。各个变换器的损耗约占总用电量的 7%，其中约一半是入口 AC/DC 所耗。这是由于入口容量为2100kW，而平均输入功率不到 40kW，整流器基本上处在 20%左右的负荷状态下运行，待机电耗相对就高。仔细选择各变换器容量，并在小负载时主动切断一些回路，使各工作环节都处在较高的负荷率，是减少变换器损耗的重要措施。在优化各变换器容量、优化控制调节各个变换器后，光储直柔系统总的损耗可以控制在 5%以内，优于交流系统。（4）直流电压等级。楼内采用375V 和 48V 两种电压等级，375V 为空调等大功率设备供电，48V 则进入工作区，解决各种小功率用电设备的接入。实践表明双边 375V 仅是增加了系统复杂性而并无优势，所以可以改为单边 375V 或单边 750V。48V 低压配电大大提高了办公室用电安全性和灵活性，受到使用者的欢迎。（5）系统的柔性调节能力。主要对利用自备蓄电池和多联机空调的需求侧相应模式两个可调蓄设备的调蓄能力进行了测试、实验和分析；研究这两个 16 设备有效消纳光伏电力的能力和按照电网调度动态调节入口功率的能力。实验和分析表明，尽管这一系统仅接入 275kWh 储能，约为其日电总量的20%，但与需求侧响应方式运行的空调系统相配合，已具有很强的对入口功率的调节作用。可以实现如下模式调节：a)恒功率取电模式，根据预测的全天光伏和需要的用电量，确定全天需要的用电总量，按照恒定功率方式从电网取电；b)根据分时电价，只在低谷电价时从网上取电，避开高电价时段，从而在现行条件下获得最大的经济效益；c)按照电网调度提前一天给定的全天取电功率曲线从电网取电，参与电网调节。这三种方式都进行了实验，出现的主要问题还是储能容量不足。现在已经连接两个双向有序充电桩，如果在 70%的时间内有两辆电动车与其连接，提供 100kWh 的储电容量，则可以完全满足上述三类调节要求。（6）与电网的协调。目前此系统已实现与深圳供电局调度的实时通讯，可以随时响应电网调度要求的各种调节。但是，怎样根据电网供需矛盾的变化和消纳风电光电的需要对其进行调度，目前尚未给出适当的原则和策略。当光储直柔建筑大量兴建，其拥有的调蓄能力已经超过抽水蓄能电站时，与电网的协调问题就将成为发展光储直柔要解决的核心问题了。3.3.示范工程 课题 912 是在上述技术研究基础上的示范工程。本期的示范工程研究是通过考察各类不同性质的工程立项和实施过程，研究光储直柔项目实施过程中可能遇到的各种障碍，可能破解这些问题的途径，并总结出共性的政策、机制、经济和技术措施。课题课题 9 和和 10 都是以山西省芮城县全县的零碳能源系统为目标，是全县实现都是以山西省芮城县全县的零碳能源系统为目标，是全县实现2025 年碳达峰、年碳达峰、2035 年碳中和要完成的一系列任务中的核心任务。课题年碳中和要完成的一系列任务中的核心任务。课题 9 的目标的目标是全县电力系统怎样实现零碳。是全县电力系统怎样实现零碳。通过分析现行的碳排放评估方法，本研究指出，当不存在真正有效的碳汇资源或 CCS 时，真正的碳中和不能仅仅是电量的平衡（全年零碳电力的产量大于全年用电量），而必须是每个瞬间的电力平衡（每个瞬间零碳电力系统提供的功率不小于瞬态负载功率）。在区域外电网尚不能实现碳中和时，单独一个区域的电力系统碳中和不仅要满足自身零碳电力产量大于用电量，还需要通过足够的电力调蓄能力满足每个瞬间的电功率需求。由此课题 9 分析了当风电光电发电总量满足用电总量之后，把电源与预测的用电负荷之差分解为三部分：一年 17 内季节性变化，主要是由于太阳辐射的季节性变化和用电需求的季节性变化所导致；一周内逐日的变化，主要由于天气变化、周末及节假日所致；一天内的变化，由太阳辐射的大范围变化和用电变化所致。光储直柔通过充电桩利用车载电池资源和建筑本身的柔性用能，可以平衡和协调一天内的源与荷之差，同时还可以为解决一周内的不平衡问题做出一定的贡献。针对芮城县具体的资源和需求状况，则设计规划了利用其抽水蓄能资源、生物质电厂和部分可中断工业用电解决年内和周内的不平衡问题。通过全面的平衡分析，指出中心县城最主要的储能资源是电动车。尽管是低收入县，未来可拥有私人车辆将超过 10 万辆，具有日储电能力 500 万 kWh，只要开发利用其 70%即可完全满足平衡电力峰谷差的要求。怎样与电动车的发展速度同步地发展有序充电桩，并实现桩、车、电力平衡三者有机协同、同步发展成为问题的关键。为此规划设计出几种充电桩的建设模式，使其既可以服务于当前状态，又满足未来全面发展所提出的需要。对于建筑，由于投资问题很难对城区居住建筑进行光储直柔改造。建筑光储直柔改造的重点是部分公共建筑。作为开始，先以县政府大楼为示范案例，研究规划了性价比最高的改造方案，仅通过安装光伏、改变照明灯具、在停车场实现“一位一桩”，使安装光伏和工程改造费用可以较快地回收。课题课题 10 是农宅的光储直柔。是农宅的光储直柔。经过在芮城几个村庄的实际勘测，发现每户农户可利用的屋顶等空闲面积在 200 平方米以上，每户可安装屋顶光伏 2040kW，年发电 2.54.0 万 kWh，是目前农宅自身用电量的 10 倍以上。即使全面电气化，包括炊事、采暖和全部生活用能、各类交通和农机用能以及全面电气化之后的农业生产用能，未来也将有发电总量 1/2 到 2/3 的电量要外送上网，成为农户的经济收入。而完全依靠屋顶光伏满足自身用能需求并有效上网送电的关键又是要有足够的调储能力。每户 35kWh 储电能力可以满足自身生活用能（不包括采暖）；通过电热膜加蓄热墙体的方式，也可以用蓄热替代蓄电从而实现太阳能光伏采暖。为此在 5 户农宅进行了 2021-2022 年全冬季的实验运行，结果表明这种方式适应农宅的实际使用状况，基本上可以满足采暖舒适要求；在没有配置蓄电池的条件下，冬季由于连阴天出现了两次室温接近 10的情况。此时如果配有 20kWh 的蓄电能力，将可以避免这种现象出现。而农村能源革命进一步的任务是农机的全面电气化。由于各种农机装备年使用小时数并不高，所以可以采用换电模式，发展标准化电池模块，可用于任何农机和农用车辆。在不使用的时间，则把电池放置于户内的电池箱中，成为户内直流微网的蓄电单元。每户农户至少可以拥有 60kWh 以上的蓄电池，这就成为户内和村内直流微网正常运行和可靠供电的保障。其主要作用为：18 1.为农户用电提供保障。尤其是在冬季采暖季节，出现连阴天，利用蓄电池可以补足 23 天的采暖需要电量，而冬季为农闲期，各类农机使用率低，正好可以提供足够的蓄电容量；2.破除农电上网瓶颈。按照目前户均可安装 20kW 光伏的装机容量，即使全面实现农机和交通电气化，每户每年还剩余电量 11.5 万 kWh，需要上网送电。目前大多数农网的变压器配电容量是 56kW/户，如果每户安装 20kW光伏并直接上网，则只能满足 1/4 农户的需要，否则就导致变压器过载。而当每个农户平均拥有 60kWh 的储电能力，就可以通过调蓄充分利用变压器容量。通过与电网协商，选择合适的时间段上网送电，以满足电网调峰的需要。这样在不对农网进行大改动的前提下，就可以实现农村从电力的消费者到生产者的转变，使农村成为“只发不收”的电力生产者。3.通过村内的直流微网和跨村跨台区的互联互通，还可以在各户、各村用电需求不一致时，相互调用，使各户的电池资源充分发挥作用。为实现上述目标，需要户内改为户级直流微网，村内各个变压器台区下改为村级直流微网，农户的用电设备全部改为直流供电。通过在芮城县庄上村的实践，这两点都已顺利解决。家用电器直流化的困难比原来设想的小，经过简单的接口改造就可接入直流。居民的接受程度也比预想好。直流化改造困难不大，只是目前市场上没有相应的直流产品，使得居民在采购新的家用电器时出现麻烦。尽快建立直流家电产品标准并推出足够品种的直流产品，是光储直柔能够真正落地的基本条件。安全防护系统是直流配电必须解决的又一问题。为此课题承担小组获得多项发明专利，既实现高可靠的防护，又使成本可控，目前已成为正式产品批量生产。庄上村 100 户 20kW 光伏和户内配电系统（不包括蓄电池）投资 617.525 万元，平均每户约 6 万元。如果配 5kWh 储能作为用电可靠保障，则每户投入 7 万元。每户全年发电 2.5 万 kWh。如果免费生活用电 0.5 万 kWh，可出售电力 2 万 kWh，收入 0.8 万元以上（按照 0.4 元/kWh 计算），通过低息光伏贷款，十年可完成还本付息。支撑 100 户微网系统的村级直流配电网改造投入 282 万元（包括 300kWh 的储能电池和变换器）。这可以满足村内公共设施用电需求，并实现余电上网。如果未来拥有足够的电动车和移动式电动农机具，100 户将具有 6000kWh 的储电能力，则不仅可以为这些电动农机具和车辆免费充电，并且依靠其储电能力可以满足村内其它各种公共设施用电需求，并在电网公司调度下在需要电力的时间段送电上网。如 19 果在指定时间段上网的上网电价为 0.6 元/kWh，每年剩余的上网电量为 180 万 kWh（车辆免费充电 20 万 kWh），上网售电收入 100 万元，返还各户余电上网费 80 万，结余 20 万，可支付包括 2 名运行管理技工在内的运行管理维护费用。这样，只要解决村内约 300 万/100 户的村级直流电网建设费用，并全面实现农机电气化，就可以完成农村光储直柔系统建设，且实现可持续运行管理。由此分析，农机的全面电气化成为在农村实现光储直柔新型能源系统的关键。目前电动可移动农机设备售价普遍高于燃油农机，这也是由于昂贵的电池所致。绝大多数电动农机不包括电池的裸机价格都低于同功能的燃油农机。这样，通过采用换电方式并推广电池标准化就可以显着解决电动化的成本问题。每户 60kWh 的蓄电池目前需要 10 万元左右，成为实现农机电气化和农村新能源系统的核心。如果按照家电下乡的政策，由国家补贴一半，相当于每户补贴 5 万元，将极大地推动农村电气化和新能源建设的发展。课题课题 11 是浙江省是浙江省湖州供电公司湖州供电公司与鲁能集团联合建设的鲁能公馆新建商业综合与鲁能集团联合建设的鲁能公馆新建商业综合体体。主要是 38 户单身公寓和商业配套。电网公司为了尝试光储直柔概念，投资充电桩、储能和直流配电；而建设单位投资光伏和房屋本体。目前该项目正在建设中，预计在今年年内土建完工，明年上半年开始安装和调试。研究团队与业主方在光储直柔系统方案确定中遇到很多矛盾，主要是：配电系统系统容量的确定。按照常规设计方法，按照全部用电设备的最大功率之和再加上保险系数，项目的入口功率就会超过 1000kW（2000 平方米公寓 235kW，1000 平方米商业 340kW，外景照明 33kW，28 个充电桩 420kW）。而按照光储直柔系统的思路，充电桩应该在用电低谷和光伏富裕时充电，不应该占用入口功率；由于配备了 2300kWh 储能，又可以利用储能削掉短期可能出现的尖峰负荷。安装了180kW 光伏，全年发电 20 万 kWh，可提供整个项目一半以上的电量，因此即使入口功率取 200kW，年满功率运行小时数也不足 1000 小时，通过储能可完全应对短期大功率负载的需要。入口功率 1000kW 还是 200kW 将导致配电系统投资的巨大差别。经过讨论，最后仍采用 2400kW 入口的配电容量。这就不仅造成投资居高不下，而且变压器和接入口的 AC/DC 长时间在 10%以下的