王福林：建筑用电移峰填谷控制策略研究

5月19日至21日，“第八届中国国际储能大会”在深圳隆重召开， 来自中国、美国、德国、英国、加拿大、西班牙、日本、韩国、澳大利亚等国和地区1500余位政府机构、科研院所、行业组织、电力公司、新能源项目单位、系统集成商等代表出席本次大会。

清华大学建筑学院副教授王福林在“直流配电与储能专场”，发表了题为“建筑用电移峰填谷控制策略研究”的精彩演讲。

演讲内容如下：

王福林：各位专家、各位来宾大家上午好!非常感谢组委会给我这样一个机会让我在这里介绍一下建筑用电移峰填谷方面的一些想法。我本人是建筑专业的，对电力行业是外行，所以还请各位电力专家对我讲到的一些不足的地方多多指导。

首先介绍我今天要讲的主要内容，分为这三个方面：第一方面是背景与目的，第二方面是控制策略，第三方面做一个简单的总结。

首先是背景。市政电力负荷的背景，电脑先例峰谷差非常大，造成两个非常严重的后果，第一个后果是发电设备以及电网的装机容量非常大，电网运行在高负荷率的情况下时间比较少。左下角这张图是我国的火力发电、水力发电的利用小时数，可以看到在2014年大概只有4000多小时的利用小时数，一年8760小时只有一半的时间是在利用的，也就是说装机容量比实际的用电负荷大了接近2倍。(见PPT)右边这张图是我国目前弃风、弃光的情况，可以看到弃风、弃光最大的甘肃省和吉林省都达到了30%到40%以上，这是市政电力负荷的现状。

另外一个就是建筑本身用电负荷的现状。(见PPT)左下角这个图是一个实测的住宅区的电力负荷，可以看到波峰的功率在200千瓦左右，波谷在50千瓦左右，峰谷差达到了4倍。前面有些专家介绍过，在市政电网的峰谷差大概是30%到50%，在建筑中峰谷差达到4倍，所以电网的峰谷差主要的成因是建筑造成的。右下角这张图显示了城市里面电力用户负载的构成，其中橙色的部分是建筑用电所占的比例，大概占到了37%的比例，而且所占的比例在逐年上升，发达国家的建筑用电已经占到市政总电量的40%到50%，建筑用电比例增高，建筑用电的峰谷差又比较大，这种现象就会造成电力负荷峰谷差进一步的恶化。

为了解决这个问题，在建筑领域我们有非常多的尝试，其中一个尝试就是采用建筑用电需求响应，左下角这条曲线是建筑本身的一个用电负荷曲线，如果有了需求响应之后，用电负荷曲线就会变成右侧这张波峰被削减，波谷被填平，峰谷差减小。假如我们利用最新的直流供电和储能的技术，这个建筑用电的峰谷差会进一步被削减，甚至可以变成这样一种很平的直线，建筑的用电在一天24小时之内没有波动，从电网恒功率取电这样的用电模式，这对电网来说就是一个非常好的用电的负荷，大大地消解电网峰谷差的波动，这种峰谷差没了，就可以最大化利用可再生能源，避免弃风、弃光的现象。

在建筑中使用直流供电加储能的方式可以带来很多的好处，我简单列举了一下。第一是能够减少尖峰负荷，降低发电装置、配电装置、输电装置的初投资，节省初投资的费用。第二是提高发电、输配电效率，(见PPT)这张图是一些发电机组的发电效率，随着输出功率的变化，可以看到输出功率减小的时候，发电机组的发电效率全部是在降低的，所以如果消除了峰谷差，发电机组都工作在满负荷的状态下，发电机组总是可以维持在一个高效的工作状态。第三是提高可再生能源的接纳率，减少弃风、弃光。(见PPT)这张图也是跟前面那个表一致的，显示了我们国家目前各个省份弃风、弃光的规模，多大量的可再生能源被抛弃掉了。第四是可以利用分时电价，节约电费。在夜间电价非常便宜的时候，比如说三毛钱一度电的时候，我往蓄电池里面蓄电，在高峰(1.5元一度电)的时候，我从蓄电池放电，尽量节省业主用电的费用。

(见PPT)这是美国的劳伦斯伯克利国家实验室，在一个小型的数据中心建立了直流电供电装置，并且对直流供电和交流供电做了一个对比，从这个对比上可以看到，通过直流供电可以提高7%的电力输送效率，节省33%的建筑的使用空间，节约6%的输配电硬件成本。

从在建筑中使用直流供电加储能的可行性来说，已经完全成为了可能，现在在建筑里面所有的用电器几乎都可以使用直流电，从小的LCD的显示器到LED照明，到大型的空调制冷机组，几百千瓦的大型离心制冷机组都可以使用直流电驱动，所以在建筑里面使用直流电供电已经成为一种可能。

目前来说虽然电池的成本比较高，但是已经可以产生一定的经济性，目前市场上一度电的电池容量成本，铅炭电池700块钱，锂电池大概1000块钱，如果这个电池我们让它有1000次充放电的寿命，相当于每放一度电，电池的成本折合5毛钱，我们假设在3毛钱的夜间蓄电，在白天让蓄电池放电，整个电力成本加上蓄电池的硬件成本就是8毛钱，跟现在很多城市波峰的电价1.5元一度电相比，已经有很大的经济性。所以通过蓄电池都可以极大地提高用电的效率，降低用电的费用。

下面这张图是美国的蓄电池，特斯拉公司，它除了做电动汽车之外，还推出了在建筑中使用的建筑蓄电池，这是它的官网上公布的一个蓄电池的成本和报价，14度电的容量的蓄电池10年的服务费是6700美元，如果按照每天充放电一次，起到削峰填谷的作用，可以折合每度电0.13美元的成本，和咱们国家是基本持平的。

这是美国的一个咨询机构对在建筑里面使用直流电的市场规模的预测，到2020年可以达到97亿美元。

既然在建筑里面直流供电+储能有很好的效果，我们就来研究直流供电+储能应该怎么设计。首先需要考虑它的系统设计，要注意它的关键参数，然后是考虑它的控制策略，最后是需要在这个楼里面的示范应用和验证。

我想了三种策略实现移峰填谷的控制目标，第一是从电网的恒功率取电，彻底消除建筑用电的峰谷差。第二是根据电网的需求，电网让你多用电你就多用电，让建筑少用电我就少用电，采用这种需求响应的控制模式。第三是对建筑的业主提供最大化的经济效益，让总电费最小的控制模式，这三种模式需要不同的系统的设计参数和不同的实施的控制策略。

(见PPT)首先我们看这个蓄电池容量是如何优化选择的，在这里我举了一个例子，就是针对恒功率取电的控制模式，右上角这个图的蓝线显著的是建筑逐时用电曲线的波动，橙色的线显示的是我们要从电网取电功率目标。用电负荷和取电功率目标的偏差是通过蓄电池来补充的，比方说第一个尖峰，用电负荷大于从电网的取电功率，大的这部分量就要从蓄电池来放电，右下角这张图显示的是蓄电池荷电量的变化曲线，在蓄电池放电，它的荷电量在下降。当用电需求比较低的时候，可以往里面充电，就会得到蓄电池的荷电状态得到一个逐时的变化曲线，这种状态的波峰和波谷之间就是我需要的蓄电池的容量，左下角这张图显示的是一年365天中，我每天都可以计算出一个需要的蓄电池的容量，取365天中最大的蓄电池容量，就可以满足全年的移峰填谷蓄电池容量的需求。

(见PPT)下面是在这种蓄电池容量的基础上，对蓄电池的充电和放电进行控制，从这个图可以看到，通过蓄电池的补充，最终实现从电网恒功率取电的目标。

为了验证这个控制的策略能不能实现，我们搭建了一个小小的实验台，它中间的配电柜显示的状态，包括一个AC/DC的变换器，从电网取电，把交流电变成直流电，然后包括四块光伏板，连到一个光伏最大功率控制器上，然后有9组蓄电池，把它串联起来，形成一个连接到220V的母线上，由于蓄电池的额定电压是110V左右，我们用了DC/DC的装置，负载是LED照明灯、空调和其它的代表用电器的恒温水箱装置。

这是在实验台上取得的控制的结果，左上角这张图是从电网取电的电压和电流的曲线，可以看到电压会有一个比较小的波动，但是波动不超过1V，电流控制得非常稳定，几乎是一根直线，取电功率是左下角这张图，虽然有一定的波动，但是它的波动的偏差不超过1.1瓦。

这是负载、发电方面的曲线，左上角是光伏板逐时发电功率的波动，左下角是蓄电池充放电曲线的暴动，右上角是水箱、电脑以及空调这些用电负载的波动，在这样一个用电负载的波动，光伏发电的波动下，这种条件下也能实现前面的图所显示的大概正负1瓦左右的控制精度。

最后我们对这个实验台进行控制的恒功率取电的模式进行了简单的节能率和节费率的粗略计算。节能率主要是考虑到AC/DC的变换效率比DC/DC低2%左右，所以直流+蓄电的系统比交流系统节省1.3%左右的电量，电费的结算主要是考虑到直流供电+蓄电之后，可以采取低谷电价的时候蓄电，高峰的时候放电，采取一个比较低的电价来计算直流供电的时候电费是多少，交流电费的时候就按照峰谷分时电价，什么时候用了多少电，乘上这个时候的电价，算上交流供电的电费，把直流供电和交流供电做了一个对比，发现在我们实验这一段时间内，电费上可以节省21.6%。

简单做一个总结，今天的汇报跟大家讨论了，一是在建筑里面使用直流供电+蓄电有哪些效益，包括市政电力的移峰填谷、可再生能源的消纳，以及建筑里面的提高配电效率，节省电费、节省空间等等的效果。直流供电和蓄电的成本也做了一个策略的计算，大概蓄电池的成本在生命周期摊下来，充放一度电是5毛钱。控制策略有恒功率取电和需求响应、最小电费的策略，今天介绍了恒功率取电的策略，后面两种策略如果以后有了进展再跟大家进行分享。 最后一个是对建筑直流供电的市场规模预测，到2020年大概是97亿美元的规模。

我的报告就到这里，谢谢大家!

(本文根据现场录音整理，未经本人审核)