体育场馆绿色低碳直流供配电系统改造研究_张永明.pdf

智能建筑电气技术Electrical Technology of Intelligent Buildings2022 年 12 月第 16 卷 第 6 期体育场馆绿色低碳直流供配电系统改造研究张永明1,于杰生1,颜 哲1,梁润琪2(1.同济大学,上海 200092,2.宁波诺丁汉大学,宁波 315199)摘要 加快建设体育强国背景下,我国的体育场馆与体育基础设施数量还将进一步增长。北京冬季奥运会实践表明,体育场馆应将持续保持绿色低碳设计、建设及改造。体育场馆如何满足大型体育赛事期间的高用电负荷以及绿色低碳化运行,给现有供配电系统带来了巨大的挑战。大型体育赛事期间,体育场馆常采用设置移动式柴油发电机的方式进行供配电系统的增容,此举通常伴随有高排放、高污染、高噪音等问题。基于直流配电技术、光伏技术、储能技术,本文提出了直流供配电改造方案和柔性调控策略。通过赛事期间与非赛事期间的负荷分析,验证了该方案的可行性与有效性。本文为直流配电技术在体育建筑改造领域的应用提供了技术支持。关键词 体育场馆;直流配电;绿色低碳;储能;照明;光伏中图分类号:TM727文献标识码:A文章编号:1729-1275(2022)06-0012-04Green Low-carbon DC Transformation for Power Distribution of GymnasiumsZhang Yongming1,Yu Jiesheng1,Yan Zhe1,Liang Runqi2(1.Tongji University,Shanghai 200092,China;2.University of Nottingham Ningbo China,Ningbo 315199,China)Abstract:For the construction of a sports power,the number of gymnasiums and sports infrastructure inChina will further increase.The practice of the Beijing Winter Olympic Games shows that stadiums andgymnasiums should be designed,constructed and renovated in a green and low-carbon manner.How tomeet the high-power load and green low-carbon operation during large-scale sports events has broughtgreat challenges to the existing power supply and distribution system in gymnasiums.During large-scalesports events,the mobile diesel generators are usually used to increase the capacity of power supply anddistribution systems,which is usually accompanied by high emissions,high pollution,high noise,andother issues.Based on DC power distribution,photovoltaic,and energy storage technology,this paperproposes a DC power distribution system with flexible control strategy.The feasibility and effectiveness ofthe proposed scheme are verified by load analysis during the event and non-event periods.This paperprovides technical support for the application of DC power distribution technology in the field ofgymnasiums.Keywords:gymnasium;DC distribution;green low-carbon;energy storage;lighting;photovoltaic作者简介:张永明,博士,同济大学副教授、建筑电气与智能化专业主任、建筑技术博导,Email:zhangyongming 。0引言 自我国 2008 年、2022 年成功举办两次奥运会以来,点燃了全民体育的热情,全国逐步兴起了建设各类体育建筑与体育设施的热潮。为促进群众体育和竞技体育全面发展,加快建设体育强国,依据“十四五”规划,我国的体育场馆与体育基础设施数量还将进一步增长。截止 2020 年底,我国人均体育场地面积已达 2.2m2,未来人均面积将进一步提升至 2.6m2。因此,我国的体育场馆建设将持续保持高速发展。北京冬季奥运会实践表明,体育场馆将持续保持绿色低碳设计、建设及改造,其中包括了对体育场馆的合理选址规划以及节能环保设计、建设。如何对体育场馆各类资源的可持续利用、推进场馆的可持续发展都应该是必须考虑的问题1。此外,体育场馆供配电系统是保障体育赛事平稳开展的关键环节,不仅要为运动员、裁判员以及21DOI:10.13857/11-5589/tu.2022.06.004第 16 卷 第 6 期张永明,等.体育场馆绿色低碳直流供配电系统改造研究观众提供舒适良好的光环境与热环境,还要保障大型赛事期间供电可靠性,避免由于停电带来的负面影响2。可以说体育场馆供配电系统能直接决定大型赛事举办的成败。综上所述,对体育建筑现有供配电系统进行绿色低碳升级改造,在满足相关赛事要求的前提下,提高供电可靠性,降低建筑碳排放,促进绿色低碳化发展。1现状分析与存在挑战1.1 体育场馆用电特性 体育建筑是作为体育教育、竞技运动、身体锻炼和体育娱乐等用途的建筑。体育场馆占地面积与空间较大,其照明、空调等系统需要较多电力来维持运行。因此,在体育场馆的设计和运行中,应采取适当的措施和策略,提升体育场馆的电力系统运行效率,提高体育场馆供电可靠性。体育建筑区别于居住建筑、商业建筑,在非赛事期间能耗水平低,在体育赛事期间能耗水平高。不同类型建筑的用能特征比较详见表 1。不同类型建筑用能特征比较表 1建筑类型主要用途用电特征体育建筑用于照明、空调、广播、监控等非赛事期间能耗水平低,体育 赛 事 期 间 能 耗 水平高住宅建筑满足居民基本生活要求(空调、照明、热水等)负荷水平低,用能时间集中办公建筑用于空调、照明、电子设备、监控等高峰期负荷水平高工业建筑用于大型工业设备、自动化系统全年负荷水平高,负荷波动小1.2 体育场馆供配电系统 根据规范体育建筑电气设计规范JGJ 3542014、体育建筑设计规范JGJ 312003,以及赛事重要性、中断供电对比赛和电视转播正常运行的影响程度,将场馆的体育设施用电负荷划分为一级负荷中的特别重要负荷、一级负荷和二级负荷。其中,特别重要负荷指一级负荷中不允许中断供电以及中断供电将严重影响比赛和比赛公平性的用电负荷;一级负荷指中断供电将直接影响比赛和转播的正常进行,造成重大影响和损失,导致公共场所秩序严重混乱的用电负荷;二级负荷指中断供电将间接影响比赛和转播正常进行,造成较大影响和损失,导致公共场所秩序混乱的用电负荷。然而在实际应用中,较多体育场馆在设计之初并未考虑承接大型体育赛事,因此原有供配电系统难以满足高等级赛事要求3。为举办国际性赛事,如奥运会、亚运会、世锦赛等,则相关体育场馆的各方面必须进行相应的升级改造。其中,对供配电系统的升级改造尤为重要,其供电能力、供电可靠性直接影响赛事的举办水平4。大型赛事举办期间,各项技术要求较高,因此用电负荷水平也随之增大,大型赛事举办时间较短、频率较低,建设永久性、固定性供电设备经济效益较差5。因此,可考虑通过设置临时电源对原有供配电系统进行增容。常见的临时电源有移动式柴油发电机。图 1 展示了现有常见的体育场馆供配电系统架构。在大型赛事期间,移动式柴油发电机通过相应接口,接入体育场馆供配电系统,保障部分比赛场地照明及部分赛时重要负荷用电,确保大型赛事期间比赛的顺利进行6。图 1 体育场馆供配电系统常见架构然而,现有的体育场馆供配电系统存在着以下问题:(1)移动式柴油发电机作为临时电源,在其工作期间,带来了诸如高排放、高污染、高噪音等问题,降低了体育场馆舒适性。(2)移动式柴油发电机常为交流电机,在接入时还需对齐相位,考虑三相电平衡,在实际应用中具有一定操作难度。(3)现有体育场馆配电系统缺少与可再生能源互动,阻碍了体育场馆的双碳目标实现。1.3 体育场馆安装光伏与安装电动汽车充电设施带来的挑战 随着光伏技术在建筑中应用普及,体育场馆具有较好的安装空间和安装潜力,但体院场馆非赛事期间负荷较小、白天负荷也往往比较小,较大规模31智能建筑电气技术2022 年的光伏接入体育场馆供配电系统成了难点。随着电动汽车的普及,在体育场馆停车场逐步兴建充电设施,为电动汽车用户提供充电服务,为体育场馆供配电系统设计改造带来了挑战。在体育场馆的充电设施设计与建设中,必须注意配电系统容量,考虑有序充电策略,避免由于大量电动汽车充电造成的电力过载。2供配电系统改造方案2.1 改造方案的构成 为满足比赛场地照明及部分赛时重要负荷用电,实现体育场馆供配电系统的绿色低碳化,助力体育场馆双碳目标,本研究提出供配电系统改造方案,包含以下部分。(1)照明直流系统改造将体育场馆照明灯具更换为采用直流电的LED 灯具7-8,并建设照明直流供电系统,利用直流母线供电,降低后续光伏设施、电池系统接入的能源转换损失,提高供电系统能源效率。(2)光伏设施接入及充电设施结合充分利用体育场馆的屋顶及周边停车场,建设光伏设施,并接入直流供电系统,为直流照明系统,剩余的电能再进交流供电系统,提高可再生能源利用率,助力实现体育场馆的绿色低碳化。此外,在非赛事期间,为避免浪费大规模光伏电力,可为周边充电设施提供充足电力。(3)将移动式电池储能系统作为临时电源为避免移动柴油发电机带来的污染、噪音等问题,并充分利用直流供电系统,将移动式电池储能系统作为临时电源,实现无污染、无噪音的临时供电;并且,为应对光伏发电具有的随着天气而波动的特性,电池储能系统还可执行光储一体化充放电策略,存储白天剩余的光伏电能用以夜间照明,从而提高可再生能源利用率,进一步实现体育场馆的双碳目标。因此,改造后的体育场馆配电系统图如图 2 所示,其为交直流混合配电系统,具有交流母线与直流母线,通过双向 AC/DC 连接。2.2 改造方案的柔性调控策略 由于光伏系统与储能系统接入,促使体育场馆从原本的能源消费者转变为生产者、存储者、消费者。特别是,场馆安装大面积的光伏后,在没有赛图 2 体育场馆交直流供配电系统的架构事、负荷较小情况下,如何处理新能源的接入和消纳成为挑战。鉴于该方案涉及交流直流系统互动,还涉及光伏系统、储能系统、直流供电系统,本文提出体院场馆新能源消纳的光储直柔控制策略(如图 2 所示),对体院场馆供配电系统进行“源网荷储”柔性调控,消纳新能源并为电动汽车提供充电,助力体育场馆零碳化建设与改造。本文通过光储直柔管理系统可有效缓解光伏发电上网难问题,使得体育建筑自身具有实时电力供需平衡的调节能力,并且还能提高体育场馆赛事用电的可靠性。2.3 改造方案的特点与优势 通过增设“移动柴油发电机组接口”进行改造,在提高了供电能力满足增长的用电负荷的同时,对原有交流配电系统几乎无影响,改造工程量最小,施工流程简单。在原有交流配电系统的基础上,采用了照明直流系统、光伏系统接入、EV 充电设施等直流改造方案,并将直流负荷迁移到直流母线上,更利于对整个系统实施管理与协调控制。考虑到没有移动柴油发电机组接入的情况,固定式电池储能、EV 充电桩以及“移动式储能接口”都可充当“临时电源”的角色,能够稳定持续供电一段时间,一方面确保了原有交流系统的可靠性,另一方面提高可再生能源利用率。3案例研究3.1 赛事期间 图 3 展示了某体育场馆举办某赛事期间的典型日负荷。由于主要是在夜间进行赛事,因此在19:00-21:00 该建筑的供配电系统迎来一波电力负荷高 峰 期,最 大 负 荷 为 1.87MW,日 用 电 量为 20.1MWh。41第 16 卷 第 6 期张永明,等.体育场馆绿色低碳直流供配电系统改造研究图 3 某体育场馆举办某赛事期间典型日负荷该体育场馆还建设有 240kW 光伏设施,在不接入储能设备的情况下,此时外部输入电力负荷(即净负荷)如图 4 所示。由于光伏发电时段与高峰用电时段存在差异,接入光伏设施后,该建筑供配电系统依然存在夜间用电高峰,供电压力巨大,最大负荷为 1.87MW,用电量为 18.2MWh。图 4 接入光伏后的电力负荷为应对上述问题,可通过接入固定式电池储能系统与 移 动 式 电 池 供 电 车,储 能 设 备 容 量 共 计1.8MWh,用于缓解夜间用电压力。此时外部输入电力负荷(即净负荷)如图 5 所示,将最大负荷降为1.29MW,平缓了市政电力负荷,降低了电力峰谷差。图 5 接入光伏与储能后的电力负荷3.2 非赛事期间 图 6 展示了某体育场馆在非赛事期间典型日负荷。由于夜间未举行重大赛事,因此在负荷时段集中 于 白 日,最 大 负 荷 为 0.4MW,日 用 电 量为 3.6MWh。图 6 某体育场馆非赛事期间典型日负荷体育场馆接入 240kW 光伏设施与 220kWh 固定式电池储能系统,此时外部输入电力负荷(即净负荷)如图 7 所示,将最大负荷降为 0.15MW,平缓了市政电力负荷,降低了电力峰谷差。图 7 接入光伏与储能后的外部电力负荷通过赛事期间与非赛事期间案例的分析,印证了所提出的改造方案的可行性,实现了对体育场馆进行绿色低碳直流配电系统的改造。4结论与展望 随着体育行业的蓬勃发展,相关的体育场馆与体育设施正广泛建设。本文针对现有体育场馆的用电特性与供配电系统,提出了体育场馆绿色低碳直流配电改造方案,形成体育场馆交直流混合配电系统,并通过赛事期间与非赛事期间的负荷分析印证了所提出的改造方案的可行性,且具备较高的节能潜力与进一步扩展能力,有效提高了体育场馆设施用电的可靠性与经济性,促进支撑体育场馆的双碳目标实现。参考文献 1 陈磊.体育馆提升改造工程电气设计 以西安城市运动公园体育馆为例J.智能建筑电气技术,2021,15(06):32-35.(下转第 26 页)51智能建筑电气技术2022 年图 7 足球场场地照明低压配电系统推荐接线3.2 平面布置方案 基于 MCM 连续供电模式对不间断电源的需求,为满足后期运营的灵活性,建议在场地照明配电间附近设置专用的 UPS 配电间。设计预留 UPS设置空间和结构荷载。前不久成都举行的世乒赛,基于空间的原因,保电单位将临时 UPS 设置在变电所外,增加了 UPS 的单点故障风险。设置在靠近马道的配电间附近,则可以提高供电的安全性。4结束语 FIFA 标准 2020和 2011 版相比,对场地照明多了更多维度的要求,同时对场地照明电源也提出了更明确的要求。设计者需要准确理解 FIFA 标准的要求,再结合国情综合评估经济性和可靠性,来设计合理的场地照明的供电方案。本文重点分析满足FIFA 标准 2020的专业足球场场地照明电源方案,并给出了建议的低压配电系统图。该系统接线图还可同时满足 2023 年亚洲杯的要求。本文参照的FIFA 标准 2020为英文原版,由于作者水平有限,文中观点有不当之处,欢迎大家批评指正。参考文献 1 建筑设计防火规范:2018 年版:GB 500162014S.北京:中国计划出版社,2018.2 供配电系统设计规范:GB 500522009S.北京:中国计划出版社,2010.3 民用建筑电气设计标准:GB513482019S.北京:中国建筑工业出版社,2020.4 体育建筑电气设计规范:JGJ 3542014S.北京:中国建筑工业出版社,2015.5 体育场馆照明设计及检测标准:JGJ 1532016S.北京:中国建筑工业出版社,2016.6 LED 体育照明应用技术要求:GB/T385392020S.北京:中国质检出版社(速印),2020.7 李炳华等,国家体育场电气关键技术的研究和应用M.北京:中国电力出版社,2014.8 国际足联比赛场馆和训练场地球场照明系统标准、要求和指南(2011 版).9 FIFA Lighting Guide-Standards,requirements andguidanceforpitchilluminancesystemsatFIFAtournament stadiums and training sites(2020 版).10 STA-2023 年亚足联中国亚洲杯体育场技术附件(译文).11 李炳华,王炳铮,潘鑫,等.从绿色节能角度浅析足球场人工照明新要求J.智能建筑电气技术,2021,15(05):1-6.(上接第 15 页)2 1傅卫东.体育中心供配电系统设计J.现代建筑电气,2011,2(05):31-35.3 李蔚,张林花,李炳魁,史海疆.建筑电气节能技术与方案若干问题的探讨工程师与制造商伙伴们的观点J.电气应用,2014,33(02):14-17.4 冯家禄.广州亚运会供配电设计及运行调查J.建筑电气,2011,30(09):17-27.5 张丰.体育场馆电气设计J.浙江建筑,2017,34(02):61-65.6 李炳华.国家体育场电气关键技术的研究与应用M.北京:中国电力出版社,2014.7 杨波.LED 在体育照明中的应用J.照明工程学报,2016,27(04):132-139.8 朱晓勇,杨波,于莎莎.横滨国际体育场照明系统改造工程J.照明工程学报,2020,31(04):24-29.62