新型电力行业：“光储直柔”微电网洞察双碳背景下新型电力系统的应用创新

双碳背景下新型电力系统的应用创新双碳背景下新型电力系统的应用创新——“光储直柔”微电网洞察施耐德电气出品//cn达成碳达成碳达峰、碳中和目标，构建清洁低碳、安全高效的能源体系是第一要务，而清洁电力则是能源转型的“牛鼻子”。在能源转型的过程中，电力系统的安全性是保障中国能源安全的重中之重，为适应新能源的大规模接入，保障电力系统安全可靠，新型电力系统应运而生。为了保障电力系统安全稳定运行、适应新能源发电比例和终端电气化率的快速提升，提升电力系统灵活性至关重要，每一个环节都将在构建的过程中发挥重要作用。“光储直柔”技术使建筑在能效提升的基础上进一步实现电能替代与电网友好交互的新型建筑能源系统。使建筑从传统能源系统中刚性消费者的角色转变为未来整个能源系统中具有可再生能源生产、消费、能量调蓄功能“三位一体”的复合体，这也是建筑面向构建未来低碳能源系统应当发挥的重要功能。基于施耐德电气长久以来在电力行业的深耕，同时收集了业界各科研院的一线专家、深耕前沿技术的研发工程师、参与行业政策和标准制定的专家学者等的调研中进行价值提炼。我们希望通过这份报告，对新型电力系统下的光储直柔微电网，发现其中的挑战与机遇，探索光储直柔完整解决方案、新一代直流产品及柔性控制技术，帮助客户实现减碳目标，迈向零碳未来。1机遇-光储直柔与电力交互31.1发展光储直柔的必要性与价值41.2光储直柔的战略发展目标52探索-光储直柔发展中面临的挑战102.1光储直柔的市场及商业价值112.2分布式电能并网带来的谐波112.3缺乏光储直柔的整体技术标准体系122.4缺乏对柔性负载的全生命周期的整体控制133路径-助力实现高效用能与清洁低碳143.1系统可行性规划-MGDT为光储直柔规划投资中规避风险153.2系统预测调优控制–EMA应用于光储直柔微网系统咨询顾问173.3建筑设备管理系统(BMS)–协同构建柔性负载223.4配电系统设计–ETAP谐波计算优化系统电能质量253.5光储直柔系统–DCSystems解决方案273.6直流母线配电系统324实践-SEMW光储直柔微电网示范基地34结语37关于作者38致谢39Lifelsn施耐德电气开启新型建筑电气系统新篇章与施耐德电气结缘已有二十余年，施耐德电气在中低压配用电及建筑智能化系统解决方案中一直处于技术和标准的引领近年来，在全球经济高速发展的同时，气候问题日益突出，全球温升严重，我国也越来越多的出现北方洪涝、南方少雨高温持续等异常极端气候现象，降低碳排放有利于全球温升速度的控制，经济低碳化是需要全世界各国协同才能实现目标。我国在2021年向全世界庄重承诺“3060”双碳目标，为了实现双碳目标，我国能源结构将发生根本性改变，从现在的化石能源占主导地位转为到碳达峰末期非化石能源将占主导地位，其中，风光为主的新能源比例将大幅度提高，建筑用能进入电气化阶段。为了适应能源结构的改变，更好的接纳新能源，建设新型电力系统，将是电力行业未来5-10年的重要任务；在建筑等用能侧建设的适应新能源接入和消纳的新型建筑电气系统是新型电力系统的不可缺少的组成部分。光储直柔技术最早由江亿院士提出，其精准概括了新型建筑电气系统的四个基本要素。新型建筑电气系统需要给风光等新能源发电系统、分布式储能系统、充电桩、柔性用电设备等提供接口，这些接口基本是力系统中将存在直流供用电环节；新型建筑电气系统需要尽可能的实现新能源的就地消纳和与电网的友好互动，所以，新型建筑电气系统需要配置合适的建筑园区能源调度管理系统和柔性用电设备运行优化管理系统；由于变换器等电力电子元器件对过电压等故障敏感，容易误动作，为了实现建筑园区内部电网的稳定可靠安全运行，新型建筑电气系统的继电保护需要重新研究和确定，考虑设置微网运行控制系统将是有必要的；新型建筑电气系统的电能质量也是值得我们关注的问题，如光伏发电系统的功率因数、LED照明和变频设备等柔性负荷带来的谐波超标造成中性线过载和变压器过热噪声大、直流系统的纹波等问题，都越来越多的被行业内提及。目前，国内已有一些企业给新型建筑电气系统提供系统技术解决方案，通常称为光储直柔技术方案，但由于这一技术是近几年刚开始兴起，目前研发的主要企业对建筑电气系统特点了解不够，所提供的技术方案未能完全适应新型建筑电气系统，妥善解决问题。施耐德电气在经过详细调研和长期研发积累后，提出了整套的光储直柔技术方案，方案阐述了光储直柔的必要性与价值，探索了光储直柔发展中面临的挑战，研究了光储直柔系统设计与控制方案，采用基于人工智能技术的预测调优控制技术，提供系统可行性规划工具、抑制谐波的ETAP辅助计算工具、基于CurrentOS的DCSystems直流系统解决方案、直流母线配电系统网建设到长期能源运营全生命期服务解决方案，该方案可以较妥善的解决目前实践经验下已知的新型建筑电气系统的诸多主要问题。最后，本书以施耐德电气武汉工厂为实例展示了施耐德电气光储直柔技术方案，相信可为读者提供光储直柔示范案例。莫理莉华南理工大学建筑设计研究院有限公司-建筑设计三院电气副总工程师中国建筑节能协会光储直柔专委会委员2—光储直柔与电力交互屋顶光伏储充电桩柔直光直流设备屋顶光伏储充电桩柔直光直流设备1.1发展光储直柔的必要性与价值1.1.1政策支持2021年10月24日，中共中央、国务院发布的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》指出：到2060年我国的非化石能源比重达80%以上，并着重指出大力发展低碳建筑，深化可再生能源建筑应用；2021年10月26日，国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》提出：要加快优化建筑用能结构，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。到2025年，城镇建筑可再生能源替代率达到8%，新建公共机构建筑、新建厂房屋顶光伏覆盖率力争达到50%，为“光储直柔”建筑的发展目标指明了方向。2021年12月31日，工信部等五部门联合发布《智能光伏产业》创新发展行动计划(2021-2025年)》提出：发展智能光伏建筑，在有条件的城镇和农村地区，统筹推进居民屋面智能光伏系统，鼓励新建政府投资公益性建筑推广太阳能屋顶系统，开展以智能光伏系统为核心，以储能、建筑电力需求响应等新技术为载体区域级光伏分布式应用示范；提高建筑智能光伏应用水平，积极开展光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑建设示范，进一步细化了“光储直柔”建筑发展的技术路径。2022年3月1日，住房和城乡建设部《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》提出：“十四五”累计新增建筑光伏装机容量0.5亿千瓦；建设以“光储直柔”为特征的新型建筑电力系统，发展柔性用电建筑；在满足用户用电需求的前提下，打包可调、可控用电负荷，形成区域建筑虚拟电厂，整体参与电力需求响应及电力市场化交易，提高建筑用电效率，降低用电成本。国家各部委出台的相关政策对发展建筑“光储直柔”系统、建筑侧需求响应、建筑层面的储能利用、建筑光伏利用等均提供了有利条件，这些政策支持为“光储直柔”建筑的推广应用提供了重要支撑，也对合理构建“光储直柔”系统、开发系统关键设备、开展工程应用等提出了具体要求[1]。中国是世界上最大的能源消费国之一，但能源供应依赖程度较高，尤其对化石能源的依赖较大。发展光储直柔技术可以降低对进口能源的依赖，提高能源供应的安全性，同时推动能源结构向可再生能源转型，实现能源的可持续发展。光储直柔技术可以提高能源转换效率和利用率，降低能源浪费。光伏发电可以在阳光充足的时候大量发电，储能技术可以将多余的电能储存，柔性电网技术可以根据需求进行能量调配，减少能源浪费。这有助于减少温室气体排放，应对气候变化问题。光储直柔技术可以提高电网的稳定性和抗干扰能力。储能技术可以平衡电网负荷波动，解决因光伏发电的间歇性带来的电网不稳定问题，从而保障能源供应的稳定性。1.1.3发展潜力巨大的太阳能资源：中国地域广阔，太阳能资源丰富，适宜大规模发展光伏发电。光伏发电可以利用分布式的方式在城市和农村实现能源生产，满足不同地区的能源需求。技术创新和产业升级：光储直柔技术的发展需要涉及光伏发电、储能和智能电网等多个领域的技术创新。中国政府大力支持清洁能源技术研发和产业升级，为光储直柔技术的发展提供了良好的政策环境和市场前景。电力市场改革：中国正在进行电力市场改革，推动能源市场逐步实现市场化运作。光储直柔技术的发展可以促进电力市场的竞争，提高市场效率，同时为用户提供更加稳定和可靠的电力供应。国际合作与影响力：中国在清洁能源领域的发展已经获得国际认可，发展光储直柔技术可以增强中国在国际能源领域的影响力，促进国际合作，共同应对全球能源和环境挑战。综上所述，光储直柔技术在中国的发展具有明显的必要性，其对于推动能源转型、提升能源供应的安全性和稳定性，减少能源浪费和排放有着关键作用；同时光储直柔技术也具备巨大的发展潜力，是中国清洁能源领域的重要支柱之一。1.2光储直柔的战略发展目标“光储直柔”（photovoltaics,energystorage,directcurrentandflexibility,PEDF）是指通过光伏等可再生能源发电、储能、直流配电和柔性用能来构建适应碳中和目标需求的新型建筑配电系储能系统屋顶光伏—直流建筑利用建筑表面敷设光伏板、充分利用建筑作为光伏等可再生能源的生产者是实现建筑低碳发展的重要途径；储能是实现建筑能量蓄存、调节的重要手段，需要建筑层面整体考虑储能方式，包括建筑周围停靠的电动车等都可以作为有效的储能资源；直流化是实现建筑内光伏高效利用、高效机电设备产品利用的重要途径，系统内设备通过DC/DC（直流）变换器连接到直流母线，在建筑内打造出直流配电系统；“光储直柔”建筑的最终目标是实现建筑整体柔性用能，使得建筑从传统能源系统中仅是负载转变为未来整个能源系统中具有可再生能源生产、自身用能、能量调蓄功能“三位一体”的复合体，也是建筑面向未来低碳能源系统构建要求应当发挥的重要功能[2]。1.2.1“光”太阳能光伏发电是未来主要的可再生电源之一，而体量巨大的建筑外表面是发展分布式光伏的空间资源。2018年建筑面积超过600亿m2，屋顶面积超过100亿m2，估计可安装超过800GW的屋顶光伏，年发电量超8000亿kWh。因此，把太阳能的利用纳入建筑的总体设计，把太阳能设施作为建筑的一部分，把建筑、技术和美学融为一体，是未来建筑和能源系统的融合发展趋势。光伏组件成本的快速下降使得光伏建筑一体化变得更加可行。与10年前相比，晶体硅光伏组件的效率提升了6%，2018年已有超20%效率的产品实现商业化；同期光伏组件价格降低了94%，2018年已不到2元/Wp。而且与光伏电站相比，建筑光伏通过与建筑设计、施工同时进行，又或安装在已有建筑屋面上，可以节省土地租赁等一系列建设维护费用，比集中式光伏电站更具经济优势。在新材料方面，碲化镉、铜铟镓硒等新型光伏电池技术在国内外也正处于快速发展阶段，未来光伏的转换效率和经济性有望进一步突破。考虑到低碳发展机遇和技术拐点的即将到来，未来光伏将会越来越多地应用在建筑中，并且成为建筑的重要组成部分。光伏建筑兼具绿色、经济、节能、时尚等优势[3]。9000800070006000500040003000200010000分布式能源装机配图201620172018201920202021202270%60%50%40%30%20%10%0%分布式光伏新增装机容量(万千瓦)集中式光伏新增装机容量(万千瓦)分布式新增占比(%右轴)数据来源：能源局1.2.2“储”在未来的电力系统中，储能是不可或缺的组维护要求低等优点，是电力系统的灵活性资源和备用电源。截至2018年，我国已投运的电化学储能项目规模达107万kWh。有研究预测我国2050年的电化学储能容量有望达到3.2亿kWh。电力系统的储能需求不只来自于电源侧和电网侧，负荷侧同样需要储能。而在建筑中应用的储能属于表后储能（behind-the-meterenergystorage是指在用户所在场地建设，接入用户内部配电网，以用户内部配电网系统平衡调节为特征，通过物理储能、电化学电池或电磁能量存储介质进行可循环电能存储、转换及释放的设备系统。随着分布式光伏和电动汽车与建筑配用电系统的融合发展，储能有利于提高建筑配用电系统的可靠性，同时允许建筑以虚拟电厂的角色参与电力系统的辅助服务。未来储能电池技术呈现出成本降低和收益增加的趋势，因此未来建筑对于储能电池的需求会越来越大。成本上得益于电动汽车和电源电网侧储能的快速发展，储能电池的成本在近年快速降低。例如目前磷酸铁锂电池的初投资价格已经低1.5元/Wh，考虑使用寿命和效率后的单位度电储存成本已经低于0.7元/kWh。目前很多城市的电力峰谷差已经高于0.8元/kWh，特别是随着灵活性资源逐渐稀缺，未来电价峰谷差逐渐拉大，电池储能的收益会逐渐增加。经济性会成为建筑储能市场化发展的建筑储能技术目前还处于初期发展阶段，真正将储能配置在建筑内部的项目还比较少。从电动汽车和电网储能借鉴来的电池设计和管理技术也需要与建筑场景的特殊需求相结合，例如更多考虑建筑电池的热安全问题。锂离子电池对温度非常敏感，其最佳工作温度范围为20～40℃,在该范围内电池的工作性能较好，安全性能良好，可使用循环次数也相对较高。北京市颁布的《用户侧储能系统与建筑负荷特性匹配防止过热事故发生都是储能电池应用于建筑场景所必须解决的关键问题[4]。建筑本体冷热电力电器水蓄冷蓄电池电动车扫地机蓄电池电动车扫地机带蓄电设备围护结构蓄热水罐相变材料建筑中可供利用的蓄能资源数据来源：建筑光储直柔技术与工程案例储能的灵活性调节储能的灵活性调节1.2.3“直”随着建筑中电源和负载的直流化程度越来越高，未来直流配电的应用场景将更为广泛。电源侧的电机设备也更多考虑变频的需求，此外还有各式各样的数字设备，都是直流负载。建筑内部改用直流配用电网，可以取消直流设备与配电网之间的交直变换环节，同时放开配用电系统对电压和频率的限制，从而展现出能效提升、可靠性提高、变换器成本降低、设备并离网和电力平衡控制更加简单等诸多优势。在建筑入口处设有AC/DC整流器，其将外电网的交流电整流为直流电为建筑供电，或者在建筑电力富余时将直流电逆变为交流电对外电网供电。而建筑内部通过直流电配电网与所有电源和电器随着直流建筑研究和示范项目的积累，相关国际标准组织也已开展直流系统的标准化工作。例如国际电工委员会（IEC）于2009年正式启动了低压直流相关标准化工作，先后成立了低压直流配电系统战略组（IEC/SMB/SG4）、低压直流配电系统评估组（IEC/SEG4并于2017年成立术委员会，旨在搭建直流电力系统技术领域的国际信息互通平台，推动直流电力系统技术领域的快速健康发展，促进直流电力系统技术以及产业的支撑配套。未来随着“光”和“储”在建筑中的应用，低压直流配电技术将在建筑中得到持续关注和研究；同时随着标准的建立和更多家电设备企业的参与，建筑低压直流配电的生态环境也会逐渐成型。中国建筑节能协会光储直柔专委会发布的《直流建筑发展路线图2020～2030》中预测直流配用电技术将拉动每年7000亿元的市场规模[5]。1.2.4“柔”建筑设备往往具有可中断、可调节的特性。例如空调和供热系统可以利用建筑围护结构的蓄热特性和人对温度波动的适应性来进行短期负荷功率调节，为电力系统提供一定程度的灵活性；洗衣机、洗碗机等也都具有延时启动、错峰工作的功能。寻找建筑用户体验和电网灵活性需求二者之间的平衡，建筑设备的可调节性也能够为电力系统所用，成为一种潜在的灵活性资源。事实上，建筑设备的灵活性已经受到国内外学者的广泛关注，例如IEAEBC的Annex67项目就围绕建筑柔性用能开展了一系列研究，包括用户调节意愿调研、控制策略优化、设备调节效益分析、可调节程度评价等。然而，由于缺乏有效的激励机制，目前的需求响应技术还主要停留在理论研究和模拟仿真阶段，实际工程应用较少。未来电力市场化改革的深入推进可能会调动起建筑设备柔性调节的积极性，一方面用户参与电力市场交易的门槛会越来越低，参与其中的建筑用户会越来越多；另一方面电网辅助服务市场、电力容量市场逐步开放，建筑设备柔性调节的收益更加多样[6]。数据来源：SolarPowerEurope注[5]王昊晴,刘宁,马钊,段青.面向安全可靠用电需求的“光储直柔”直流建筑标准体系研究[J].供用电,20注[6]直流建筑发展路线图2020-2030(Ⅰ)[J].建筑节—光储直柔发展中面临的挑战2.1光储直柔的市场及商业价值新型电力系统架构下，从包含分布式电源的复杂供电系统及其关键设备的能量效率、建设成本、及系统用电安全和电能质量等众多角度，同时对实际工程的“投资-收益”分析的指标、方法和相关工具上都亟待更多的数据支撑及系统性的闭环分析。此外，“光储直柔”系统技术上已经形成一定的成熟度，但整体上还处于试点、起步阶段，在光伏与建筑设计融合度、电化学储能安全隐患、柔性用电技术成熟度等方面仍然存在局限性，距离达到大规模推广应用的技术条件还有一定的差距。“光储直柔”不能“跑偏”，如果只有“光储直”，没有柔性控制，那么储能利用效率就不会太高，整个项目的性价比也会大打折扣。与此同时，随着电力市场化改革的深入，电力中长期市场、电力现货市场、辅助服务市场等等越发多元的电力价格体系，使得电力这种未来能源体系的价格波动不断增加。再加之新能源自身消纳的价格与上网的价格、储能系统运营的价格和柔性负荷参与市场的收益价格，使得整体的能源价格体系复杂度急剧提升，这不仅对原有简单配网体系下的能源价格管理方式提出了巨大挑战，对于光储直柔系统的柔性互动综合经济性也同样如此。第三，当逐渐增加的新能源渗透率对配网运行提出挑战的同时，电网运行和电力市场也提出了与市场参与、需求响应等的网荷互通需求，而且即使是在配网内部，不同源荷之前的变动对于配网运行策略也提出了不同的调整，如何进行自身需量的管理，如何应对不同系统间的调整对自身整体配网运行的影响等挑战。综合以上来看，一个先进的柔性控制技术必备成熟完善的系统可行性规划和基于人工智能技术的预测调优控制技术[7]。2.2分布式电能并网带来的谐波太阳能光伏电池、燃料电池等分布式能源，其输出电压是直流电，当前仍然有大量的分布式能源通过逆变器等电力电子设备将直流电转换为交流电并入配电系统。这些变流器是通过电力电子器件的频繁开通与关断来实现电力变换功能，其输入输出关系具有明显的非线性特征，产生一系列的谐波分量，对交流侧的电能质量带来较大影响。开关频率附近的谐波分量幅度较大，也是优先需要重视的谐波分量。除分布式能源以外，负载侧的变频器、电动车充电器、照明驱动器等器件的安装均呈增加趋势，此类负载均需要作为谐波源在交流微网的系统规划时考虑完善。而在光储直柔的接入系统中，由于系统内大量光伏、储能、电力电子负载均在直流侧汇集，在其交流出口的谐波状况应优于全部交流接入的微网系统。但考虑到当前的直流负载体量有限，仍然有部分光伏、储能在交流层面接入，整体系统的电能质量仍需着重考虑。从上游的交流系统角度看，光储直柔仍然作为一个可控电力电子负载存•线路损耗增加及供电质量变坏。大量谐波注入电网，使电网的电压电流波形发生畸变，供电质量•对电气设备产生不良的影响。增加了变压器的铜耗及铁耗，铜耗与铁耗与电流频率的平方成正谐波降低系统电能的波形质量，威胁系统和用电设备的安全稳定的运行。为了保证电力系统的电能质量，要对分布式发电及电力电子负载合并产生的谐波进行抑制。一旦注入电网的谐波超出GB14549中所要求的限值，需要设计相应的谐波抑制措施。2.3缺乏光储直柔的整体技术标准体系“光储直柔”技术作为面向民用建筑，尤其是公共建筑的新技术，规模化的推广和应用必须依靠进而有效和规范地指导“光储直柔”项目全环节的实施。此外，“光储直柔”技术对其他行业的新型电力系统发展也有一定的影响。目前，国内外已经编制和发布了一系列与“光储直柔”系统相关的技术标准，能源基金会也组织国内专家梳理了“光储直柔”技术标准体系。但是，从实用化和指导性的角度来看，现阶段的技术标准还存在不少问题。现有的标准无法覆盖“光储直柔”系统应用全环节的实施需求，更缺乏系统典型设计、安装调试、维护要求等与工程实施相关的标准等[8]。2.4缺乏对柔性负载的全生命周期的整体控制建筑业终端碳排放占全国碳排放总量的50%，公共建筑面积仅占建筑面积的19%，其能耗占比却高达38%。其中，暖通空调系统（HVAC）能耗占比大于45%，在医院、酒店、商业建筑等不同种类建筑中，暖通空调系统部分能耗占比甚至更高。作为建筑用能柔性的重要组成部分，暖通空调负载的管理及其柔性体现需要更高的全局视角。建筑空调能耗高的关键在于缺少对空调全系统生命周期的整体把握，目前主要体现在三个方面的问题：一是规划执行割裂，各个环节的厂商不同，单项目各自管理，不仅沟通成本高，而且结果与预期差距很大；二是楼控系统失准，数据失真、缺损，缺乏分项计量，能耗不明，表计安装位置欠考量；三是虽然AI软件推出了解决建议，但缺乏专业人员与物业运维人员交流，产生大量无效或无法执行的建议。用户从传统的能源消费者向生产者、交易参与者、聚合者的多元角色转型，用户将面临如何最大化的利用自身建设的新能源发电资源-光，如何调节和使用自身的可以利用资源-储和柔，如何应对更加多样化、随机性更强的配网体系-直。如何从全局的视角去规划和管理优化此类微网系统的优化运行将成为所有工商业用电企业的挑战。路径—助力实现高效用能与清洁低碳3.1系统可行性规划-MGDT为光储直柔规划投资规避风险施耐德电气的MGDT(MicroGridDesignTool)可提供清晰的光储微网系统投资的成本和收益报告。施耐德电气作为能源管理领域全球头部企业，已成功设计、建造和维护了800多个先进的微电网控制项目。我们将行业专家知识带入每个执行的可行性研究，包含：a)能源设施的运营需求。b)与电网互联的关键调控技术。c)与市场协同相关的激励措施。d)公司的财务目标和约束。e)现有能源设施有效利用率分析。f)关键性负荷分类。电网费率分析负荷能耗分析合理建议分布式储能策略规划交直流配电系统仿真MDGT微电网规划工具助力高效、准确地设计相应光伏、储能的额定容量及系统投资回报率，适配业务需求。从系统规划的层面来说（包含系统装机容量的制定、光伏的产出曲线及负荷曲线等等光储直柔与交流微网的规划是类同的。光储直柔系统相关的分布式光伏、储能、交直流转换系统、充电桩、柔性负荷等基础设施将会是长期投资，需要对前期成本投入以及可以达成的能源服务目标做出良好的综合判断。配置光伏、发电机组及电池的类型/容量/成本/补贴输出光伏、机组设计容量配置光伏、发电机组及电池的类型/容量/成本/补贴输出光伏、机组设计容量微电网性能及经济性分析多能互补的能流模式在面对越发复杂分布式系统的规划建设场景，利用MGDT微网规划工具在设计阶段依据项目的自然资源条件、负荷分布条件、电力系统结构、土地建筑条件、各种能源的价格体系与电网接入方式等关键信息最优化的生成整体微网各类关键要素的设计容量和运行模式等。可以实现在项目规划设计阶段对投运后实际运营期间的经济性和回报率等有个前期的认知。光伏储能容量设计设计结果展示 用户资料收集光伏储能容量设计设计结果展示输入站点地理位置—光伏资源曲线输入用户负荷曲线输入用户分时电价...3.2系统预测调优控制–EMA应用于光储直柔微网系统咨询顾问在新型配电系统的建设过程中，用户从传统的能源消费者向生产者、交易参与者、聚合者的多元角色转型。光储直柔系统是典型之一，但并不是唯一。着眼于整个配用电系统，交直流配用电将在长时间内并存（包括建筑光储直柔场景）。统一的配电系统监控、楼宇控制系统、以及再上一层的预测调优控制系统（EcoStruxureMicrogridAdvisor）才能实现综合用户价值。从用户的角度来看，我们将聚焦两个方面–供电安全与经济用能。电力电力SCADA(交直混合）交流配电变压器EBOEMA覆盖整体交流配电系统的预测调优控制暖通策略交流配电部分（可包含光储）直流负荷DC/DC直流负荷DC/DC建筑楼宇控制微网顾问系统交直变换AC/DC直流源DC/DC直流源DC/DC光储直接柔部分柔性负荷柔性负荷LVDCMV储储光光荷能源转型为用户带来更多挑战：供电安全•波动性、随机性、间歇性的分布式新能源大量接入对供电系统的稳定平衡能力带来更多要求，增加了维持电力系统平衡稳定的难度；•极端天气、夏季用电高峰持续考验电力供应保障，借助调优系统深入发掘用电侧的分布式新能源潜力，有序管理本地发用电平衡，有利于更好应•新型配电系统（包括光储直柔）及新能源发电的混合系统往往依托大量电力电子设备，需要关注多种电能质量问题，易造成用电设备过度损耗。通过可靠成熟的电能质量分析优化，保障系统关键节有功功率/MW0.2晴天多云天气晴天多云天气阴雨天00:0004:0008:0012:0016:0020:0024:00发用电波动性配图205SpectrumPrint%MagnitudevsHarmonicOrder0510152025303540455055能源转型为用户带来更多机遇：经济用能•峰谷电价政策带来更大获利空间：峰谷价电差达0.7元/kWh以上省区有23个，储能峰谷套利空间明显。通过调优控制系统智慧储能控制策略进一步挖掘经济价值。•增容扛峰需求日益提高：越来越多的充电桩等负荷接入导致用电量增大，带来增容需求，传统供电局静态扩容周期较长，成本较高；通过接入调优控制系统控制“交直流转换设备+储能+柔性负荷+并网设备“，实现动态增容可有效降低增容成本，缩短增容周期。•灵活多变的电价机制与电力市场改革：用户可聚合能源资产，提升能效水平的同时，参与需求响应、辅助服务获取补贴或参与市场交易获利。面向更加灵活多变的电价机制，用户需要及时可靠的用户侧分布式能源管理解决方案，更好快速应对电力市场的活跃变化。•柔性负荷调节潜力巨大：调优控制系统可进一步聚合挖掘充电桩、储能系统、楼宇空调等可实时调节的柔性负荷资源，提高新能源的本地消纳率和用电能效。1.401.201.000.800.600.400.200.00内蒙古蒙西甘肃宁夏青海福建︵厦门等︶云南内蒙古东部陕西新疆黑龙江冀北贵州安徽河南山西江西江苏北京辽宁山东重庆吉林湖南广东天津海南河北四川广西上海浙江2023年4月各地最大峰谷电价差内蒙古蒙西甘肃宁夏青海福建︵厦门等︶云南内蒙古东部陕西新疆黑龙江冀北贵州安徽河南山西江西江苏北京辽宁山东重庆吉林湖南广东天津海南河北四川广西上海浙江现货市场模式需求上报负荷调整需求上报分布式电源及储能电力用户需求侧响应电网企业售电公司需求侧上报交易中心现货价格大幅波动需求用电侧用能精细化发电厂调峰调频电厂发电厂施耐德电气EMA(EcoStruxureMicrogridAdvisor)微网顾问系统，基于人工智能技术的预测调优控制技术,从整体配电用能的角度，实现以下具体功能价值：2.供给可靠电能，提高系统弹性3.绿色低碳用电，优化碳足迹•储能与柔性负荷智慧调度实现动态增容功能用例：•能源经营数据可视化：通过一目了然的数据概览，了解能源运营的财务收支、能碳指标与实时能源流向情况。•综能系统实时监视与分析预测：通过对历史数据的分析和积累，对未来一段时间的本地耗电量，发电量，以及碳排放量进行预测。•微电网系统优化调度：基于对未来的预测以及对天气气象信息的收集,制定储能充放策略，实现电费优化管理,与智慧楼宇管理,电能管理,智能配电等系统协同。使用户电力供需比的达到最优，提供经济可靠的功能。•利用日间光伏消纳后剩余电量为储能充电•快速应对电力市场活跃变化，积极响应电价政策变化与电力市场改革；•基于平台的需求响应避免了用户履约程度低、维护人员经验不足问题。借助柔性负荷或储能系统减少系统负荷。除此之外，施耐德电气基于EcoStruxureTM架构体系，通过数字化工具提供高度集成化、可快速部署的能源中心ECC(EnergyControlCenter)，大幅优化整套微网体系核心的建设安装空间。在该能源控制中心内，我们将微网运营优化调度有所依赖的关键要素都囊括在内，使客户能够直接实现从接制的所有设备集成。3.3建筑设备管理系统(BMS)–协同构建柔性负载在建筑或园区中，柔性用能的体现可能会关联BMS(BuildingManagementSystem)系统。其中施耐德电气定义并很好地理解该系统与外部BMS系统的相互作用，以实施为满足微网EMA要求（前文描述）而必须进行的任何修改，这对真正实现更高的实际用能柔性非常重要。暖通空调系统必须满足包含公众建筑物通常的使用标准，并且必须满足这些标准，独立于外部系统所建议的优化，比如对接待公众的区域进行通风的任务。对于建筑HVAC系统来说有如下要点：•正常占用(20/26°C)占用模式的切换是根据每小时的计划或由内部或外部的逻辑命令完成的。根据暖通空调系统的情况，非占用模式可以与停止模式合并。根据温度设置，用户可以通过应用设定点偏移(±3℃)进行温度测点：通过温度传感器控制。•温度传感器安装在每个区域内以确保正确的调节•同时也要安装一个通用的外部温度传感器多区域多区域是对一组区域分别应用不同的命令的能力，使用同一套HVAC系统管理几个区域，如一栋楼的几个楼层。不同的占用日历可以专门与每个区相关联。每个EMA指令都有如下格式，如果有ANSL模式温差设定点区域_1(偏移_开始;偏移_结束;ANLS转换模式)区域_x(偏移_计时开始;偏移_计时结束;ANLS转换模式)其中ANLS：积蓄指令(A)正常指令(N)低功耗指令(L)睡眠指令(S)当考虑暖通空调HVAC系统在微电网中的协同管理时，则需要遵循以下原则与设置：电费管理和最佳启动/停止原则暖通空调管理模块的输出则是：•电价管理和未来24小时的最佳启动/停止指令•未来24小时的室内温度预测•未来24小时的耗电量预测暖通空调使用模式在调试期过后，暖通空调管理模块可以在不同的模式下使用。•供暖模式：在寒冷天气期间设置，舒适管理的临界温度是室内最冷临界温度•制冷模式：在温暖天气期间设置，舒适管理的临界温度是室内最热临界温度•供暖和制冷模式：此模式在供暖模式和制冷模式之间的过渡时期设置。在此模式下，最冷临界温度与最热临界温度都是管理舒适度的关键温度•无人模式或关闭：建筑物内没有住户，室内临界温度特定，称为无人模式最佳的启动/停止优化微网EMA根据不同区域的占用规划来优化HVAC的启动和停止顺序。该优化包括：•尽可能晚地启动HVAC系统，同时观察用户到来时室内温度是否高于“优化启动设定的不舒适温度”。•然后尽可能早地停止HVAC系统，同时观察室内温度是否高于“优化停止设定的不适温度”或“优化停止设定的偏差温度”，直到用户离开建筑物。电价管理优化微网EMA随时计算一个温差设定点，该设定点应该应覆盖建筑管理系统的默认设定点，以考虑•在价格高峰期之前积累能量（冬季供暖或夏季制冷在价格高峰期之前，发送一个蓄积命令。•在价格高峰期尽量减少能源：向BMS发送"节能"命令。•在非高峰期和正常电费期间，向BMS发送舒适指令。所有优化均在以下约束条件下进行：•在每个峰值价格结束前，确保室内不会达到临界温度。•保证在高峰价格期间，室内漂移温度高于临界偏差。3.4配电系统设计–ETAP谐波计算优化系统电能质量如上文所述，在新型配电系统中，除分布式能源以外，负载侧的变频器、电动车充电器、照明驱动器等器件的安装均呈增加趋势，此类负载均需要作为谐波源在交流微网的系统规划时考虑完善。而在光储直柔的接入系统中，由于系统内大量光伏、储能、电力电子负载均在直流侧汇集，在其交流出口的谐波状况应优于全部交流接入的微网系统。但考虑到当前的直流负载体量有限，仍然有部分光伏、储能在交流层面接入，整体系统的电能质量仍需着重考虑。从上游的交流系统角度看，光储直柔仍然作为一个可控电力电子负载存在。以下demo案例中，利用ETAP谐波分析简述了交流微网与交直流混合型微网中谐波影响程度的不同。此模型中谐波源包含在交流微网中常见的光伏逆变器、充电桩、照明驱动器及变频器。通过整流、逆变等环节，在低压配电母线380V系统注入谐波，以评估在低压配电侧的总谐波畸变率。模型中各类PrintSpectrumPrint%MagnitudevsHarmonicOrder2050510152025303540455055PrintWaceFromPrint%MagnitudevsCycle1005000.20.40.60.81-50-100如下第二幅图中的谐波源由于光储直柔系统的接入，大部分光伏、充电桩、照明、变频负载谐波源由光储直柔的接入变换器替代。结果显示有利于系统谐波的降低。但在实际项目当中，其余的交流逆变器及驱动器接入仍然需要统一系统评估。当整体交流配电系统的谐波超限时，需要实施相应的谐波抑制措施。谐波抑制主要为两方面：一是抑制谐波电流发生量（减少分布式电源谐波输出二是谐波源附近将谐波电流就近吸收或抵消（加也可设置有源滤波器APF（一种用于动态无功补偿和谐波抑制的电力电子补偿器）。使用ETAP软件，可以合理设计由于大量电力电子设备涌现的交直流耦合系统电能质量治理，做3.5光储直柔系统–DCSystems解决方案3.5.1关于CurrentOS协议施耐德电气的DCSystems提供了一套基于CurrentOS的直流微网系统解决方案。CurrentOS协议是一种创新的直流配电系统解决方案，充分结合直流电与电力电子的特点，构建更为简单、安全且经济的直流微电网：•CurrentOS协议化解针对直流配电的常见质疑，并充分利用直流电的固有特性，保证人员与资产的高度安全。•CurrentOS协议定义了能源管理规则，以使微电网便于控制。该协议也支持微电网的寻利行为，充分利用可用电气资源，并按照优先级驱动负载。•CurrentOS为电气系统进行软件交互定义了通信模型。尽管如此，CurrentOS微电网的固有结构足以灵活应对各种通信损失与网络攻击。借助CurrentOS协议可以实现更高的安全水平，其中包含下列内容：•CurrentOS定义了不同等级的电气保护区域，以促进运维人员理解系统、清晰风险等级、熟悉操作注意事项。•该协议规定了电路连接、预充电和断开连接时的电流特性，以便实现黑启动且避免系统误跳。•该协议定义了检测短路故障、接地漏电故障、串联电弧故障的脱扣准则，并保障双向选择性。•该协议定义了安全线功能，该功能用于在维护时对微电网部分进行安全断电。•CurrentOS协议定义了针对所有连接设备的电磁兼容性要求。直流微网能源管理在电路层级进行分布，以实现最高的韧性和最有利的工作模式。•CurrentOS协议定义了直流系统工作电压区间与限值。•该协议规定了电路的电压响应以及电压相关的优先级服务，可以通过开关阈值或线性调整电路的功耗/供电来实现。•该协议规定了如何校准设备，如何补偿线路损耗及线路电压降落。•该协议阐释了如何在初始设置外影响负载与电源特性。3.5.2安全第一！直流电通常会让人们感到畏惧。运营交直流混合配电/直流应用的电工人员往往会在最危险的部件上面对直流：电池室、太阳能电池板阵列。在这些区域中持续存在电压，且很难断电（因为电池带有负载，或者太阳光照射且很难阻断短路故障。当直流配电系统使用传统的机电断路器或熔断器进行•难以分断短路电流•在断开连接或位于母线时产生电弧，导致严重后果。•难以保障选择性。电源与负载电容可能会导致所有保护同时失效。•熔断器与通用断路器只能管理有限的线路长度，否则可能会被毁坏。换而言之，由于短路电流特性与机电技术的限制，直流易产生诸多问题，所以只能选择交流。这也是直流配用电直到最近才开始兴起的原因。而固体技术、超低故障能量及快速分断是应对新型电力系统发展，并支持新一代架构优化的有效解决办法。根据安全类型、电压水平和段内最大电流，阐明直流电的风险并定义电气保护区域对于习惯了交流配电的设计运维人员来说至关重要。3.5.3保护区域划分电气装置的风险通常决定于其安全类型、电压水平和段内最大电流。直流微网装置可能具有特定的风险。根据电池储能与装置在某一点的供电情况，可以对危险和非危险装置部件进行分类。对直流微注：在铁路牵引中，直流电已在长线网络中应用了几十年。但是这些网络具有较大的电感，可以限制故障电流。这些应用中使用的断路器通常具有很大的灭弧室。通常比通用断路器（比如施耐德电气的CompacT或MasterpacT系列）大很多。区域0-无保护源在这个区域，存在着具有高功率的自主电源。这个区域包括电池（多组电池或大容量电池）、公共电网和大型光伏装置。可能存在极高过电流可能有多个电源区域1-具有较高短路能量的受保护源在这个区域，来自区域0的电源若发生故障，下级的保护器件被动进行保可能存在极高过电流可能有多个电源区域2-具有较低（受限）短路能量的受保护源在这个区域，电流受限超低电压（ELV）源（处于潮湿或湿润环境中电压<120VDC或60V或30V）。过电流较小，可能难以触发保护动作可能有多个电源，双向电力流动区域3-多个电子源在这个区域，可能存在“产消者”（发电机、用电设备或二者的组合）。极低过电流无短路功率可能有多个电源双向电力流动区域4-单一电子源这个区域中只有用电设备。无明显过电流不支持多电源，单向电力流动3.5.4工作电压与限值传统配电体系中，电压通过标称值和公差来定义。而在DCSystems的直流微网中，标称电压值只是一个标签。关键值是适用于系统不同运行状态的电压区间限值。在这些限值范围内，电压对于所有电路来说都是一个有意义的信号，用于告知系统内的电力可用性，使其可以做出相应的响应。例如，所谓350V“标称”系统实际上在320VDC至380VDC之间属于正常运行范围。而250VDC至320VDC属于紧急负载运行区间。380VDC至540VDC则是系统不同的过电压状态区域。DCSystems解决方案的核心原则是通过电压水平来触发负载与电源的运行模式。因此，不需要通信系统和中央控制来保持其应用的稳定性。3.5.5电压信号驱动电网平衡通常，电压理解为带有一定公差的标称值。在DCSystems解决方案中，将其视为一个电压区间，通过电压值反映应用中的电能可用性。如果电压超过中值或“标称值”（350VDC或700VDC则意味着“供过于求”。电压水平将提示空调储能等）。较高电压水平甚至可以触发制氢设备运行。•负载按照相互的优先级匹配降功率或被停用•储热设备降功率或停用•储电设备向电力负载供电>对于小型简单负载，通常采用最简单的响应类型。这些小负•当负载功率对电网稳定性具有重大影响时•当负载可向功耗调整提供更大作用时过每个电路的下垂响应，可以实现更趋于线性的过渡：使负载从全功率使根据每个微电网案例进行调整。桩等负载。储能设备等双向功率电路配置一定的电压死区，系统在其中将处于非活动状态。在此“死区”之上，用于电池充电或反馈交流系统的功率将交流系统提供的功率将线性增加，直至达到标称供电功率。>DCSystems的分布式稳定性控制•无中央实时控制的自治系统：通过电压波动传达微可用性以便根据优先级设置来匹配需求和供应。在此稳定性之上，集中的调控策略仍然可以实现如前文所述的其他关3.5.6DCSystems直流微网核心产品直流固态保护器DCSystems直流微网系统中采用的保护装置称为固态保护器。这些设备工作于如前文所定义的区域2到区域4当中。由于固态开关技术的应用，它们可极速分断故障(<8μs）。并且能够在短路情况下实现完全选择性，不受设备额定值的限制，简化直流系统的保护设计。•基于Current/OS规则的固态保护元件•电流等级16A,200A•电压等级700Vdc,350Vdc•快速关断:8µs•RCD剩余电流保护当前该设备具有16A和200A版本，适用于700V和350VDC微网系统。固态断路器的优势如下：•固态技术可实现更加简单、快捷的直流保护•通过极速分断提高对人员的安全性，在故障时大幅降低故障能量•与机电技术不同，在跳闸过程中没有气体排放•固态技术具有原生的计量、通信和本地计算能力。这一点使其与机电技术之间的成本差距大大减小。市电双向变换器柜AFE市电双向变换器柜AFE是用于直流微电网的双向AC/DC变换器。它将电力与电网互动结合，实现负荷供电平衡。•交流和直流的双向转换•交流电网和直流电网的电气隔离（350V或700V）•AC/DC的转换效率>96%•保障直流电网的稳定性•支持并网、离网双运行模式DCSystems的解决方案有助于减少新型电力系统对电网所需的投资。在高密度地区和高层建筑区域，光伏产量只能覆盖很小一部分电力消耗。但是，如果将微电网结合电池储能作为本地电气资源，注：*其他相关产品/附件信息可垂询当地办事处可以使电网的电力需求更加稳定。此外，电池将在低负荷时段进行充电。这将有助于保持整片地区（包括附近街区）的电网正常运行，从而避免在街道上进行大规模的电缆和供电站升级工程。帮助建筑物减少耗能高峰，甚至可以通过微电网为高峰时段供电，最终将会减少全民电费负担。3.6直流母线配电系统直流配电系统相比交流配电系统有许多优点，具有更高的效率和可靠性。因为直流系统中没有无功功率损耗和频率稳定问题，可以降低铜损耗，提高整体系统效率并改善电能质量。直流系统可以更轻松地集成可再生能源和储能系统，这有助于增加清洁能源的使用并提高系统的可靠性。在直流配电母线槽系统中，母线槽电流可以超过10000Adc，电压可以达到1500Vdc，相比380Vac交流系统，同等规格的母线槽，采用直流系统能传输更大的功率。现有交流母线可以通过将交流母线的相邻或相隔的母排并接，形成两极的直流母线系统。如下图所示。电流:25~10000Adc电压:1500Vdc 电流:16~1200Adc电压:750Vdc 插接箱与交流配电系统不同，直流配电系统具有即插即用的特性，因为它不需要任