潇河新城光储直柔 LED 照明系统关键技术研究

为配合国务院《2030年前碳达峰行动方案》加快推进城乡建设绿色低碳发展，本工程以位于山西转型综合改革示范区潇河产业园区作为先行试点，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，如图1所示。本项目中，光储直柔系统主要供给潇河国际会展中心中间组团的地下车库LED灯具的平时照明，会展中心平面图如图2所示。光储直柔中的“光”指的是分布式光伏，本项目在北部会展A4屋面铺设光伏板；“储”指的是分布式储能，本系统选择铅酸电池作为系统的后备应急电源；“直”指低压直流配电系统，本系统设置DC 750 V和DC 220 V两个电压等级；“柔”指的是柔性控制技术，本系统是指控制直流母线电压实现建筑对电网的柔性可调。

潇河新城光储直柔项目国际会展中心地下车库照明系统架构设计如图3所示，采用结构简单、方便控制的单极接线方式、辐射状拓扑结构。其中，光伏经光伏单向DC / DC变换器接入直流母线；储能经储能双向变换器接入直流母线；市电经AC 10 kV / AC 380 V变压器降压后，由AC / DC柔性双向变换器接入直流母线；直流母线电压等级为DC 750 V，向下经5台5 kW DC 750 V / DC 220 V直流变换器降压馈出，DC 220 V馈出支路末端接用电负荷LED灯具。

系统保护配置方面，如图3所示，在系统中配置了直流配电集中式保护装置，能够同时控制多条低压直流线路中直流断路器的通断，实现集中式的电流速断保护、低压过流保护、过电压保护、低（欠）电压保护和开关量联锁保护。除此之外，系统保护配置还包括：

a. 在DC 750 V母线上配置直流安全主动监控保护装置，实时监测系统的运行状态，当直流系统发生绝缘下降不正常运行、接地故障或交流窜入故障时，装置及时报警。

b. 在DC 750 V母线上配置灵活接地装置，根据需求灵活切换直流系统的接地方式。

c. 在馈出220 V支路上配置直流剩余电流保护装置，当装置中采集到的剩余电流值超出阈值，驱动保护装置中的断路器跳闸。

直流剩余电流保护装置与主动监控保护装置、灵活接地装置配合完成直流剩余电流保护，正常运行时，灵活接地装置接地点悬空，系统以IT型式运行；当安全主动监控装置检测到系统发生绝缘下降，灵活接地装置切换到直接接地，系统以TT型式运行。当故障所在馈线中流过直流剩余电流保护装置的剩余电流超过所设置的安全阈值，故障报警或脱扣跳闸。现场保护配置如图4所示。

潇河新城光储直柔项目国际会展中心地下车库照明系统中照明灯具25 W / 个，共1 000个，负荷总功率为25 kW。由于接入了屋顶分布式光伏和储能等分布式电源，光储直柔LED照明系统中能量的流动不只是从电网到负荷单向流动，而是在市政电网、分布式电源和负载之间流动。电气设计能量平衡关系图如图5所示。

> > > > 光伏容量配置

目前，分布式光伏系统具备良好的经济性，但屋顶租金占总系统成本的比例也逐步上升，产权清晰、结构安全、日照良好的建筑屋顶正逐步成为稀缺的空间资源。因此，对于光伏发电系统安装容量和安装型式的设计，基于技术经济性分析：具体来说，在屋顶租金或建筑光伏一体化成本比较高的情况下，应以单位屋顶面积最大发电量为光伏发电系统设计目标，这与既往以光伏组件每瓦发电量最大为设计目标有较大的差别。屋顶光伏系统的设计应以应装尽装为原则，充分利用好建筑第五立面。

根据勘察测算，北部会展A4屋面类型为缓坡屋顶，屋顶总面积约1万m ² 。用于光储直柔系统的光伏总装机容量为87.2 kWp，共选用160块峰值功率为545 Wp的单晶硅光伏板、组件串联数量为16块一串，5组并联对应一台光伏变换器，光伏变换器放置在A4专用配电室，由线缆引入变配电室。根据规划，北部会展A4屋顶光伏一半供应能源岛，一半供应会展中心地下车库，地下车库所对应光伏容量为43.6 kWp。

> > > > 储能容量配置

本项目将储能作为后备应急电源，在市电“丢失”且天气不好的情况下为负载提供不间断供电，容量按负荷功率后备1 h配置，提高照明系统的供电可靠性。

根据负荷功率及支撑时间进行蓄电池容量的选择。涉及到对蓄电池容量及数量的选择，C表示容量，容量和数量决定了蓄电池的支撑时间，电池放电时，随着放电时间的增加，电池电压会逐步降低，当电池电压降至终止电压（终止电压是指电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值）时，就当切断放电回路。终止电压值不是固定不变的，它随着放电电流的增大而降低，同一个蓄电池放电电流越大，终止电压可以越低，反之应该越高。也就是说，大电流放电时容许蓄电池电压下降至较低的值，而小电流放电就不行，否则会造成电池损毁或是降低其使用寿命。本项目预选OTP的铅酸电池6 - FM - 100，48节串联，单体电池电压12 V、容量100 A·h。图6为不同放电倍率下放电电压和时间的关系曲线，当放电倍率是0.55 C时，单体电池放电1 h后的电压为10.8 V。

设预选蓄电池容量为C ₁ ，负载功率为P，电池节数为N，单体电池放电1 h的终止电压为U ₁ ，则电池组最大放电总电流I为：

考虑电池容量储备，得：

C _bat = K _s C = 1.1 × 87.68 A·h = 96.5 A·h

式中，K _s 为电池储备系数，通常K _s = 1.1。

最后比较计算结果C _bat 与预先选择容量C ₁ ，96.5 A·h ≤ 100 A·h。则所选蓄电池满足要求，储能容量为100 A·h × 48 × 12 V = 57.6 kWh。

最后，交直流变换器、光伏变换器、储能变换器、直流适配器容量基于负荷、光伏容量、储能容量确定。

本项目还设计了监控管理系统实现光储直柔LED照明系统的可观、可测和可控，系统架构如图7所示。

在电源点（包括电网、光伏、储能）和负荷点安装双向智能电表，进行光伏发电量、负荷用电量、电网售电量等的计量统计。双向电表数据可通过现场总线传送至本地的监控系统，也可通过无线终端采用4G / 5G通信技术直接传送至远程监控系统。能量管理系统通过系统数据的采集和分析，对光储直柔系统各要素的运行状态进行实时监测，包括储能单元监测、光伏发电单元监测、交流并网监测、负荷监测等，同时具备状态指示、运行趋势图绘制等功能。

在此基础上，监控管理系统具备系统调度功能，通过控制直流母线电压实现建筑对电网的柔性可调，也就是光储直柔中的“柔性用电”。直流母线电压能够直接反映直流系统的功率平衡程度：当系统功率供大于求，直流母线电压上升；当系统功率供不应求，直流母线电压下降。根据光储直柔系统与电网间的协调调度控制需求进行系统模式的设计，光储直柔LED照明系统通过主动调节直流母线电压，可以使得系统工作在不同的运行模式下，如表1所示。 其中，U _n 为系统母线额定电压DC 750 V。

本光储直柔LED照明系统供电优先顺序为光伏 — 电网 — 储能，其中光伏始终工作在最大功率状态，储能为后备应急电源。系统各变换器控制策略随直流母线电压的变化而自行切换：当直流母线电压 ＞ 120 % U _n 时，光储直柔系统多余能量给储能恒流充电，同时经AC / DC双向变换器逆变至会展中心交流供电系统，供给交流负载使用，使母线电压稳定在120 % U _n ；当直流母线电压在80 % Un～120 % Un时，直流母线电压随光伏DC / DC变换器输出电压波动；当直流母线电压在40 % U _n ～80 % U _n 时，会展中心交流系统能量经AC / DC双向变换器整流至光储直柔照明系统，使母线电压稳定在80 % Un；当直流母线电压＜ 40 % U _n 时，系统处于紧急运行状态，AC / DC变换器因低压切出光储直柔照明系统，储能DC / DC变换器恒压放电，使母线电压稳定在40 % U _n 。紧急运行模式下，可切断部分LED负载或适当减低LED亮度，仅满足地库最低照明需求，以降低系统用电功率。

潇河新城光储直柔LED照明系统监控管理界面如图8所示。

> > > > 经济效益

潇河新城国际会展中心属于屋顶面积宽阔，同时自身用电量也较大的工商业用户，因此采用“自发自用、余电上网”的商业模式。光伏建筑在企业屋顶上，企业优先自用，其余部分返送给电网。潇河新城国际会展中心A4屋顶共安装87.2 kWp光伏板，年发电量约16万kWh，所发电量根据估算约50 % 就地消纳，50 % 余电上网，节约电费约4万元 / 年（用电0.5元 / kWh），余电上网收益3万元 / 年（并网电价按照山西并网电价0.375元 / kWh计算），碳收益0.9万元 / 年（0.997 kg / kWh，50元 / t），累计固定收益约7.9万元 / 年，固定收益之外还有响应电网调度的额外收入1.44万元（以每次响应200 kWh电，每月响应4次，响应价格为1.5元 / kWh计算），累计总收入9.34万元 / 年。项目总投资成本133万元，年投资回报率7.02 %，投资回报年限14.2年。

> > > > 社会效益

a. 建设本工程可以减少一定化石能源的消耗，有利于缓解环境保护压力，实现经济与环境的协调发展，节能和环保效果显著。参考中华人民共和国生态环境部官方文件：每产生1 kWh电能相当于消耗0.404 kg标准煤，释放0.272 kg粉尘，0.997 kg二氧化碳，0.03 kg二氧化硫，0.015 kg氮氧化物计算，本示范工程年发电量约16万kWh，平均每年预计可节约标准煤64.64 t，减少排放二氧化碳159.52 t、二氧化硫4.8 t、粉尘排放43.52 t、氮氧化物2.4 t。