安科瑞 耿敏花

摘要：探索“雙碳”目標下民用建筑用戶側儲能應用前景和應用策略，分析建筑用戶側儲能安全性等問題，探討建筑光儲直柔、儲能創新技術的推廣應用，并提出利用用戶側儲能構建多樣性自備電源的策略。

關鍵詞：“雙碳”目標；用戶側儲能；應用前景；應用策略；儲能安全；光儲直柔；自備電源；能源耦合

0引言

2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和，是中國為應對全球氣候變化而作出的莊嚴承諾，也是2035遠景目標綱要和“十四五”時期經濟社會發展的主要目標之一。我國碳排放主要來源于電力、建筑、工業生產等領域，其中電力占比大，約2/5左右，其次是建筑領域，占比超1/5。建筑領域大的碳排放源是建筑用電和用熱產生的間接碳排放，約占我國碳排放總量的17%。因此，探索和研究建筑領域的降碳理念及實施路徑，是非常重要的。

近些年，圍繞“雙碳”目標，地方相關政策頻出，相關行業從業人員也致力于不斷創新和研發，從理念、技術等各方面，積極推動綠色低碳生產生活方式的轉變和變革。其中，用戶側儲能作為一種新興的能源技術，其理念已被廣泛接受和認可，正在成為未來能源系統的重要組成部分，在平滑電網負荷和調峰填谷、節約能源成本、提高供電可靠性、可持續能源利用和碳減排等方面發揮重要作用，具有廣闊的應用前景和發展潛力。

1民用建筑用戶側儲能的應用前景展望

未來的供配電系統中，儲能是智能電網、可再生能源高占比能源系統、“互聯網+”智慧能源的重要組成部分和關鍵支撐技術。儲能技術主要有物理儲能（包括抽水蓄能、壓縮空氣蓄能和飛輪儲能等）和電化學儲能（主要包括鋰電池儲能、鉛蓄電池儲能和液流電池儲能）。物理儲能建設需要一定的自然條件，受地理條件制約，建設周期較長。目前，大規模儲能技術中只有抽水蓄能技術相對成熟，用于電網側。電化學儲能技術相對成熟，應用空間廣泛，未來有可能成為具發展前景的儲能技術路線。其中電池儲能技術具有響應速度快、效率高及對安裝維護要求低等優點。從技術特點考慮，鋰電池具有存儲密度高、循環特性好、響應速度快等優點，是電化學儲能中的juedui主力和發展方向，適合于用戶側儲能。

目前，用戶側儲能進一步發展和推廣應用尚缺少標準體系的支撐，以及政策方面的支持等，在具體實踐應用中，還存在諸多問題和不確定性，主要體現在以下幾個方面：

a.標準問題。b.政策問題。c.管理問題。d.安全問題。

2建筑儲能的安全性

上述幾個方面中，建筑儲能的安全性是尤為需要關注的，它也是制約用戶側儲能在民用建筑中推廣應用的主要因素之一，尤其是在建筑物內部的應用。從鋰電池大規模產業化伊始，安全性便成了與之相伴的焦點話題。由于鋰電池的電極材料以及電解質均較為易燃，當內部反應積聚的熱量不能及時散失時，熱失控現象的出現便容易引發電池安全事故。北京豐臺區“4·16”較大火災事故直接原因就是電池間內的磷酸鐵鋰電池發生內短路故障引發電池熱失控起火。近些年韓國發生的30多起電池儲能電站著火事件，也給我國儲能行業安全發展敲響了警鐘。雖然我國儲能裝機容量在近些年得到了大幅增長，但目前仍缺乏相關的安全標準文件，因此，亟待相關規劃、設計、施工、檢測、產品、運維等標準盡快出臺。

縱觀世界范圍內儲能相關安全標準，由美國消防協會制定的NFPA855-2023《StandardfortheInstallationofStationaryEnergyStorageSystems》相對系統和全面，該標準早發布于2019年秋季，據稱是全面的儲能系統安裝防火標準。該標準明確了基于儲能系統所使用的儲能技術，儲能系統安裝、尺寸、隔離及滅火和控制系統的要求。對不同類型儲能的大儲能容量值也有明確要求（鋰電池大安裝容量不得超過600kWh，如表1所示）。同時該標準還規定：儲能系統每組儲能容量大為50kWh，每組之間間距以及與墻的距離均不得小于0.9m；包含儲能系統的房間應具有至少2h耐火等級的防火屏障并與建筑物的其他區域分隔開等措施。另外，還重點對儲能系統的排氣通風、火災探測、火災控制、爆炸控制以及噴淋系統、撲救措施等作了細致規定。國內已經發布的儲能安全標準還較少，該標準也許可提供一些參考借鑒。

根據鋰電池特點，結合建筑安全，以及參考相關標準要求，建筑設置儲能系統建議重點做好以下幾個方面：

a.慎選設置位置場所。b.做好建筑空間防火。c.合理設置儲能裝置。d.儲能單元智能監控。e.配備完善消防措施。f.嚴格把控產品選型。

關于檢測標準，UL9540《能量儲存系統和組件的安全標準》和UL9540A《電池儲能系統熱失控擴散評估測試方法》是兩個行業影響力的電池能量儲存系統安全性標準。UL9540是全球儲能系統和設備安全標準，也是當下儲能系統的高安全標準。測試類目繁多，條件苛刻，被北美多個授權為級安全標準。適用于包括電化學、機械和熱能的各種類型能量儲存系統，評估集成到儲能系統中不同組件的兼容性和安全性，不針對構成儲能系統的單個部件/組件。UL9540A是儲能電池熱失控防護測試之一，側重于系統組件的安全性能評估和應對故障情況的要求，其測試報告主要從電芯（電芯是否熱失控）、模塊（熱失控在模塊內部擴散的傾向，并可能蔓延到其他相鄰機柜的情況）、機柜（熱失控是否在整個機柜內蔓延）、安裝（消防系統的有效性）4個層級測試對儲能系統熱失控蔓延的情況進行評估。

3 積極推動建筑光儲直柔應用落地

今天，光儲直柔（Photovoltaics，Energystorage，DirectcurrentandFlexibility，PEDF）已不是一個陌生的概念，它是指通過光伏等可再生能源發電、儲能、直流配電和柔性用能來構建適應碳中和目標需求的新型建筑配電系統（或稱建筑能源系統），如圖1所示。國發〔2021〕23號《國務院關于印發2030年前碳達峰行動

圖1建筑光儲直柔配電系統圖

方案的通知》明確提出：提高建筑終端電氣化水平，建設集光伏發電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的“光儲直柔”建筑?？梢哉f，光儲直柔是“雙碳”目標、能源政策的必然產物，也是重要的技術支撐。光儲直柔系統的終目的是柔性用電，使建筑用電由剛性負載轉變為柔性負載，其中用戶側儲能系統用于終端用戶側（如商業樓宇、工業園區等）存儲和管理電力，是其重要組成部分，發揮著關鍵作用。

目前，已有一些建筑中開展了“光儲直柔”系統的應用探索，如金磚新開發銀行總部（系統配置容量為86kW的光伏發電，126kWh的鉛酸電池儲能系統，應用直流配電系統供重要樓層照明）、深圳建科院未來大廈（系統配置容量為150kW的光伏發電，300kWh電池儲能系統，應用直流配電系統，直流負載容量達到388kW）、清華大學建筑節能樓（系統配置容量為20kW的光伏發電，3組6.6kWh的鈦酸鋰電池儲能，應用直流配電系統）等。然而，目前的這些應用案例中，儲能規模還較小，應用場景相對單一，未來對于如何在大體量、多場景建筑中構建合理的光儲直柔系統還需進一步探索和研究。

4 應用用戶側儲能構建多樣性自備電源之策略

隨著對儲能的政策支持，以及制約其大規模應用的儲能安全性、經濟性等問題得到逐步解決后，應用用戶側儲能可以在建筑內打造更多應用場景，如作為建筑自備電源。當前，建筑中常見的自備電源有：獨立于正常電源的發電機組、蓄電池組（EPS、UPS）、干電池等，具體根據用電負荷的容量、允許中斷供電的時間以及要求的電源為交流或直流等條件來確定。在儲能技術發展的今天，構建建筑自備電源就有了多種選擇，可以是傳統的柴油發電機，也可以是“柴油發電機+儲能”多能混合的模式，還可以是純儲能的模式，具體結合工程實際情況進行經濟性、合理性分析而定。

4.1儲能裝置與柴油發電機組合模式

儲能與柴油發電機組合的方式在建筑領域應用中很常見（如UPS+柴油發電機的組合），但這種模式下，UPS儲能裝置主要承擔的任務是柴油發電機啟動階段的過渡，一般在柴油發電機啟動成功后退出供電。這里要探討的是利用鋰電池等裝機容量較大、持續供電時間較長的新型用戶側儲能裝置。

實際上，這種方式已經被廣泛應用于一些地區的離網和獨立微網系統（指與大電網隔離、獨立運行的小型電力系統）中，如供電條件較差的偏遠地區或者海島等。系統充分利用可再生能源發電，如風力發電、光伏發電等。為了有效提高獨立微網系統的供電可靠性，需要在系統中配置柴油發電機，可再生能源不能提供足夠的電能以及儲能容量過低無法滿足負荷的情況下，啟動柴油發電機為系統提供額外的電能支持。當然，當儲能系統容量在正常運行范圍內時，也可以與風力發電、光伏發電一起為負荷供電。當柴油發電機開啟時，可以選擇將儲能系統退出運行，也可以盡量將柴油發電機運行在額定功率下，多余功率給電池充電。為了實現一定的經濟效益，獨立微網系統中的柴油發電機可采用多臺相對小容量的機組，根據負荷實際需求，協調控制開啟一臺或者多臺柴油發電機組，使單臺柴油發電機處在佳經濟運行狀態。

對于多能混合一體的供電系統，需要結合實際情況選擇合適的儲能設備和發電機組，并進行科學合理的系統設計和運行管理。

4.2儲能裝置替代柴油發電機的可行性

在安全性、可靠性、經濟性等得到保障的前提下，民用建筑采用大規模儲能裝置用以替代柴油發電機將成為一種可能。在儲能替代柴油發電機的應用中，基于儲能技術的運用，通過將電能儲存起來并在需要時釋放出來以替代傳統的柴油發電機發電時間長等問題。據報道，2023年高考期間江蘇通州gaoji中學等高考保點就采用了儲能設備作為臨時后備電源保障的方式，以保障考場內照明、英語聽力等用電設備的不間斷供電。

5 Acrel-2000MG微電網能量管理系統

5.1概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電樁的接入，全天候進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電樁運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

5.2技術標準

本方案遵循的標準有：

5.3適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

5.4型號說明

3.5.5系統配置

5.5.1系統架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統組網方式

5.6系統功能

5.6.1實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態]及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖2系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

5.6.1.1光伏界面

圖3光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。4.6.1.2儲能界面

圖4儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖10儲能系統PCS狀態界面

本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖11儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖12儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的大、小電壓、溫度值及所對應的位置。

5.6.1.2風電界面

圖13風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

5.6.1.3充電樁界面

圖14充電樁界面

本界面用來展示對充電樁系統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數據等。

5.6.1.4視頻監控界面

圖15微電網視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

5.6.1.5發電預測

系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖16光伏預測界面

5.6.1.6策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態擴容等。

圖17策略配置界面

5.6.2運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備指定時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

5.6.3實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖19實時告警

5.6.4歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖20歷史事件查詢

5.6.5電能質量監測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度百分百和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度百分百和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、大值、小值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖21微電網系統電能質量界面

5.6.7遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖22遙控功能

5.6.8曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

5.6.9統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖24統計報表

5.6.9.1網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖25微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

5.6.9.2通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

5.6.9.3用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

5.6.9.4故障錄波

應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

5.6.9.5事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故前10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶指定和隨意修改。

圖29事故追憶

6硬件及其配套產品

　　7結語

　　毋庸置疑，通過對光儲微電網混合系統控制策略及開關優化方面的分析，能夠合理的選擇出額定功率和額定容量的配置，從而保障微電網的經濟運行。

　　“雙碳”目標將推動整個能源系統的低碳發展，儲能技術的應用使建筑能源系統的構建模式也將更具多樣性和靈活性，將在降低裝機容量配置、避免電力增容、削峰填谷、有效解決可再生能源消納難、提高供電可靠性、促進碳減排提升社會效益等方面發揮重要作用。

　　本文主要探討的是用戶側電化學儲能，而實際上儲能的概念更加寬泛，它是儲電、儲熱、儲氣等的綜合，不局限于化學電池儲能等方式。建筑內可利用的各類具有儲能/蓄能能力的設備設施都可以作為儲能資源，如水蓄冷、冰蓄冷等，均是常見的可實現電力移峰填谷的技術手段。在此基礎上，還可通過能源基礎設施耦合建設，如水蓄冷系統利用建筑消防水池蓄冷，既節省土建費用，提升空間集約利用水平，也可節省消防水池維護和消防水質保持費用，進一步降低成本。

　　文中是筆者結合工程應用實踐以及對儲能相關知識的學習和研究提出的一些民用建筑用戶側儲能應用展望與應用策略，部分未經工程實踐驗證，尚不成熟，權作拋磚引玉，希望能給讀者帶來一些啟發。

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