建筑直流供电和蓄电系统蓄电池容量优化设计

 建筑全直流供电以及分布式蓄能系统可以实现建筑从电网恒定功率用电，能够从根本上解决城市电力负荷的峰谷差问题，提高电源电网效率，改变可再生电力无法利用的状况，具有巨大的社会经济效益。

　　蓄电池容量的优化设计方法

　　建筑直流供电系统选型设计，关键在于蓄电池容量的设计，它决定了从电网恒功率用电的移峰填谷目标能否实现。根据电力供给与需求的平衡关系，可以得到蓄电系统实时充电功率P bat：

　　（1）

　　其中P grid为从电网取电功率，P load为建筑的用电负荷功率，P gen为光伏板等建筑内部电源的发电功率，P load与P gen二者之差为建筑物的净用电负荷：P= Pload - P gen。P bat为正值时，表示需要向蓄电池蓄电；为负值时，表示需要蓄电池放电。

　　对式（1）进行一天24 h的逐时积分，有：

　　

　　（2）

　　即可得到直流供电系统在一天24 h内各个时刻T的蓄电池荷电量的瞬时值，荷电量瞬时值相邻波峰波谷差的最大值，即为当日所需的蓄电池容量。

　　从式（1）、式（2）中可以看出：蓄电池的容量与电网取电功率P grid和建筑净用电负荷P 有关，下面具体讨论这两个参数的确定方法。

　　▌ 1. 1 建筑用电负荷的计算

　　对于既有建筑的电力负荷，可以通过实地测量、日志记录等方式直接获得，对于新建建筑可以通过模拟计算得到。

　　本文采用DeST软件进行建筑建模，模拟计算空调负荷，并由软件的逐时气象数据计算光伏发电量。DeST是建筑环境及空调系统的模拟分析软件平台，用于建筑环境的模拟预测、性能评估、系统的性能优化 。这种基于软件模拟的方法与实测值可能存在一定的偏差，但对于新建建筑在设计阶段的设备选型定容，是非常有效的手段。

　　▌1. 2 直流供电及蓄电系统控制策略

　　建筑直流供电系统主要通过调节蓄电池充放电功率，满足建筑的用电负荷，达到电网实际取电功率 P grid恒定或者满足需求响应的目的。建筑直流供电系统控制策略不同，取电功率控制目标也不相同。主要的几种控制策略包括：

　　a. 恒功率取电策略：通过控制电池充放电功率，建筑将以恒定功率或接近恒定功率的方式从电网取电。

　　b. 基于需求响应的策略：需求响应是指为了提高电力系统运行效率、安全性和能源资源利用水平，通过各种激励手段促使电力用户改变用电行为，实现负荷的调节和转移［8］。基于需求响应的策略是指根据电网的需求响应规定，确定不同的分时取电功率。

　　c. 基于实时电价的经济最优化策略：市政电网会根据用电负荷状态，制定分时电价。建筑直流供电系统可根据市政电网的价格信号，对电池充放电功率进行动态管理，调整从电网取电的功率，达到建筑供电系统运行的经济性最优化。

　　不同的控制方法决定了不同的电网取电功率及蓄电池容量。较大的电池容量意味着较大的移峰填谷能力，但也意味着较高的经济成本；而较小的电池容量则会限制电网取电功率的调节范围。

　　下面将给出电池容量的通用计算方法。

　　蓄电池选型计算案例

　　以某小型办公建筑为例，该建筑位于深圳市，共4层，占地面积325 m2，总建筑面积658 m2。1层用作展厅，2、3层用于办公，4层用于科研实验。对该建筑进行直流配电以及蓄能系统设计，系统架构如图 2所示。

　　下面将依次介绍各个组成部分的电力参数的确定方法。

　　▌ 2. 1 空调负荷

　　用DeST软件进行全年空调系统能耗模拟计算。模拟得到的空调冷负荷如图3所示。其中，全天平均冷负荷最大为3. 95 kW。

　　该建筑使用的是光伏多联机空调器，其额定制冷量33. 5 kW，耗电量9 kW，额定工况下制冷系数COP = 3. 7。在本算例中，不考虑不同工况下空调的制冷系数变化，取COP 恒为3. 7简化计算，将逐时空调冷负荷除以COP，即可得到空调器的逐时耗电功率。

　　▌ 2. 2 光伏发电

　　采用DeST气象参数中的太阳辐射强度计算逐日光伏发电功率，光伏板面积S= 80 m2，光电转换效率η1 = 17. 5 %，电池板输出效率η2 = 90 %。

　　逐时光伏板发电功率为Q s= S η1η2P rad。其中，P rad为光伏板法向的逐时太阳辐射强度（单位：W / m2）。计算得到全年逐时发电功率如图4所示。

　　每日累计的总发电量如图5所示（DeST气象参数为历年典型气象参数，考虑了阴天等气象的随机变化，故存在日累计发电量突降的情况）。日累计发电量最大为92. 5 kWh。

　　▌ 2. 3 充电桩负荷

　　充电桩负荷以某型号电动汽车为例进行计算，其慢充模式下充电时间为8 h，充电量为23 kWh。根据电动汽车的使用情况，设定充电时间为夜间0 ~ 8时，电动汽车充电速率随蓄电池的荷电量上升而下降，故充电速率设定如图6所示。

　　▌ 2. 4 照明、设备负荷

　　为简化计算，照明负荷和设备负荷按照案例建筑中安装的照明灯具和插座取电设备的实际功率取值，取照明负荷恒为1. 5 kW，设备负荷恒为3 kW。且照明、设备作息时间与人员作息时间相同（早上8：00开启，下午5：00关闭）。

　　本文介绍了建筑直流配电与蓄电式系统中蓄电容量的优化设计方法，并以某小型办公建筑为例，通过DeST软件模拟，计算建筑全年逐时空调用电功率、光伏发电功率，并采用“恒功率取电模式”和“变功率取电模式”两种控制策略，分别对有无充电桩两种工况下的蓄电池容量进行了优化分析，演示了如何使用所提出的蓄电池容量的优化设计方法来确定最优的蓄电池容量。