乡村光储直柔新型能源系统构架与挑战


文|郝斌   深圳市建筑科学研究院股份有限公司教授级高工


自2021年10月国务院发布《2030年前碳达峰行动方案》,集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑开始进入大众视野。从2021年6月能源局发布《关于整县屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》后,至2022年3月期间,各部委密集发文推进农村能源转型发展,助力乡村振兴。

乡村光储直柔的主要贡献与矛盾

不同于城市光储直柔重在“柔”,乡村光储直柔重在“光”。随着太阳能光伏组件效率的显著提升和成本的持续下降,分布式光伏发电已具备良好的应用场景,同时太阳能光伏发电系统简单高效,运行维护要求较低,是可再生能源建筑应用的主要技术选择之一,乡村光储直柔将成为分布式光伏的主战场。

目前市场上不同类型的光伏组件已能够实现既满足光伏建筑一体化与第五立面美观性需求,也满足发电效率的功能性要求。据统计,2021年光伏新增并网装机约5300万kW,其中分布式光伏新增约2900万kW,占全部新增光伏发电装机的54.7%,光伏发电集中式与分布式并举的发展趋势明显。同时,新增分布式光伏中,户用光伏约2150万kW。户用光伏已经成为我国如期实现碳达峰、碳中和目标和落实乡村振兴战略的重要力量1 。

与此同时,难以消纳与并网是乡村分布式光伏发展的主要障碍。

首先,乡村光伏发电能否自用消纳完?从单个用户来看,户均光伏装机容量至少为10kW/户,投资3万~4万元/户,年发电量8000~12000kWh/户,这在技术和经济性上都具有可行性。而户均生活用电量仅为1500~2000kWh/户,光伏发电除覆盖日常用电、采暖用电等在内的居民生活用电,仍有很大余量;从总量上来看,有相关研究机构预测,“双碳”目标下,未来农村光伏装机容量有望达到20亿kW,年发电量约2万亿kWh,基本上和目前全国建筑运行用电量相当。而农村建筑2020年用电量为3446亿kWh ,未来城乡一体化水平不断提高,即使户均用电量翻2~3倍也难以实现就地消纳。

再者,乡村用不了的电能否并网“送出去”?以目前农村电网一个台区为例,可供电范围约100户,则该台区光伏总装机容量约为1GW,发电高峰期可达800kW的出力,即使就地消纳50%,但由于台区变压器容量限制,近400kW的光伏余电依然难以并网。

以“光伏+”模式解决“用不了”问题

随着经济发展和城乡一体化的提高,农村居民家用电器种类逐渐接近城镇居民,户均光伏装机10kW在冬季可基本实现就地消纳。光伏余电问题主要出现在夏季,可通过“光伏+”模式解决,且已在农村部分地区有很好的试点和应用。

第一,生活水平提升,电气化率提高。农村能源消费模式近年来发生了显著变化,主要能源从生物质能转变为了商品能,尤其以电能增长最为迅速,从2001年的400kWh/户增长至2020年的2000kWh/户。而2020年我国农村电气化率为18%,未来还有较大增长空间。

第二,光伏+电采暖技术成熟。很多从前由于电力供应紧张无法大面积推广的电采暖技术,在需要提升光伏发电就地消纳的今天具备了应用优势。未来随着可再生电力占比的提高,建筑节能重点可能转变为以冬季光伏余电为边界条件,确定采暖怎么解决、建筑保温怎么做、部分空间环境营造该怎么设计和使用等。

第三,光伏+直流电器。现阶段农村居民用电以照明插座、空调用电为主,常用家用电器绝大多数已实现了直流化,已解决了从0到1的工作。未来随着“十四五”重点研发计划项目“建筑机电设备直流化产品研制与示范”的启动和完成,还会为农村居民提供更多的直流电器产品选择,价格也会随着推广使用具有优势,智能化水平比过去将有显著提高。

第四,光伏+电动车或电动农机农具。清华大学建筑节能楼、深圳建科院未来大厦等开展了大量的双向充放电实验,已经实践验证了在光伏发电富余的时候向电动车充电、光伏不出力且市政电网供电紧张时电动车向建筑放电的可行性。这一从建筑光伏到电动车再到建筑的过程称之为建筑电动车交互(BVB),其不仅可以解决了电动车有序充电问题,也能够对电网起到重要的支撑作用。

以直流微网解决“出不去”问题

光伏上网的难点主要在于村级电网变压器容量有限。一方面,每户光伏并网的时候都会给电网带来较大挑战,包括三相不平衡、谐波、电压波动、闪变等问题,光伏出力高峰时对电网的冲击影响也较大,这是现阶段电网很难接入的技术难点。另一方面,若全国都推广整县屋顶分布式光伏开发,500多个县近1亿kW光伏装机,近变压器扩容的改造成本将高达3000亿元,这是更大的难点。

直流微网作为一种解决方案,可以实现不同台区之间互连,一方面把光伏发电系统组成直流微网,通过柔性变换器和各个台区及电网交互,解决目前多点户用光伏并网带来的问题,实现柔性用电;另一方面,直流微网可以解决不同台区之间的电力调度,先就地、就近消纳光伏发电,余电集中上网时可选择有余量的变压器,可实现在既有变压器容量下的并网分配,解决了变压器扩容成本的问题,同时三相不平衡、闪变以及光伏波动性等问题都能得到很好的解决。

实践中,通过农户自建屋顶光伏+储能+直流配电+柔性用电的柔性直流微电网系统实现光伏发电的可控,能够在城市屋顶资源有限条件下为城市用电清洁化提供支撑,成为区域电网的可调节资源。同时,通过参与电力市场交易,未来还有可能为农户带来更高的并网电价收益,在快速收回投资的基础上实现农村的免费采暖、免费用电。这一方案如能推广应用,将是全社会范围内更大意义上的用电清洁化、低碳化。

综上所述,农村光储直柔新型能源系统对于提高农村电网可靠性、实现台区功率互济、光伏并网配置,以及提高建筑电气化和居民生活水平方面具有重要意义。加之城市光储直柔促进实现建筑电力交互、建筑电动车交互,以及主动功率控制,是建筑领域参与建设新型电力系统的关键技术,未来也将成为建筑领域实现“双碳”目标的重要解决方案。

1数据来源:国家能源局。