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新型电力系统下的建筑电气创新实践研究
新型电力系统下的建筑电气创新实践研究
新型电力系统下的建筑电气创新实践研究
文/曹效义1，曹子烨2
（1.内蒙古电力集团蒙电经济技术研究院有限责任公司；2.内蒙古电力勘测设计院有限公司）新型电力系统的重构是实现“双碳”目标的重要举措，其“源网荷储”一体化的运行模式，打破了传统电力系统“源随荷动”的单向调节机制，推动电力生产、传输、消费各环节的协同优化。建筑作为电力消费的重要终端，其电气系统是连接新型电力系统与用户侧的关键纽带，承担着能源消纳、负荷响应、供需互动的重要功能，建筑领域的能源转型对新型电力系统的落地具有关键支撑作用。当前，我国既有建筑电气系统多基于传统大电网供电模式设计，存在分布式能源接入能力不足、能效管理水平偏低、与电网互动性弱等问题，难以适配新型电力系统的运行需求。据统计，建筑能耗在社会总能耗中占比显著，传统建筑供电主要依赖石化能源，不仅造成环境污染，而且面临能源短缺的挑战。因此，开展新型电力系统下的建筑电气创新实践研究，对提升建筑能源利用效率、促进可再生能源消纳、推动建筑领域的低碳转型具有重要的理论与现实意义。本文围绕新型电力系统下的建筑电气创新实践的理论分析、技术路径、实践案例、发展展望四个层面展开论述，为相关科研与工程项目应用提供借鉴。新型电力系统以光伏、风电等可再生能源为主体，建筑屋顶、外立面等空间具备分布式光伏开发的天然优势，成为新能源消纳的重要场景。建筑电气系统需具备兼容光伏、储能、充电桩等多元负荷的接入能力，同时满足“源荷双向” 的电能传输需求，实现了可再生能源的就地生产、就地消纳，改善了对大电网的依赖。 这就要求电气系统在设计阶段充分考虑可再生能源的出力特性，预留灵活的接入接口与调控空间，且需符合分布式电源并网技术要求。在新型电力系统中，用户侧负荷不再是被动的用电终端，而是参与电网调控的重要资源。建筑电气系统需具备精准的负荷监测与调控能力，能够根据电网峰谷电价、新能源出力波动等信号，自动调整空调、照明、储能设备等负荷的运行状态，实现需求侧响应，助力电网的削峰填谷。通过负荷分类管控与优先级设置，可最大化利用可再生能源，提升系统运行的经济性与灵活性，这一调控逻辑已在多项智能建筑电气研究中得到验证。新型电力系统中电力电子装备的高比例应用，易引发电压波动、谐波污染等问题，对建筑电气设备的稳定运行构成挑战。同时，分布式能源的接入增加了建筑电气系统的故障点，对电气系统的高可靠和安全防护提出更高要求。因此，建筑电气系统需强化继电保护、电能质量治理、应急供电等能力，严格遵循《接地装置施工及验收规范》等相关标准，保障供电的可靠性与安全性。低碳化是新型电力系统的核心目标之一，建筑电气系统需贯穿“设计-施工-运行-运维”全生命周期，通过智能化监测、精细化调控，实现能源消耗的实时统计、分析与优化，最大限度降低建筑的碳排放强度。这要求系统不仅关注设备自身的能效水平，更注重能源转换、传输、利用全链条的损耗控制，推动建筑从“能源消费者”向“能源生产者、存储者与调节者” 转变，而电力电子技术的创新应用为这一转变提供了技术支撑。分布式光伏与建筑一体化（BIPV）是建筑电气系统接入新能源的核心方式，其设计需结合建筑的外观造型、采光需求、结构承载能力，选择合适的光伏组件类型（如晶硅组件、薄膜组件）与安装方式（如屋顶平铺、幕墙镶嵌、充电桩车棚集成）。某供电局线路工区大楼便采用“应装尽装”原则，在屋面及充电桩车棚均设置BIPV光伏系统，总装机容量达262.68kWp，最大化挖掘建筑的新能源开发潜力。在电气设计层面，需配置光伏逆变器、汇流箱、储能变流器（PCS）等设备，构建“光伏＋储能” 的微能源系统，同时设计双向计量装置，实现分布式能源余电上网或电网电量下网的灵活切换。 某绿色产业园研发楼的光伏发电系统配备MPPT（最大功率点跟踪）控制器，输出直流电压范围450~850V，有效提升了光伏出力的稳定性与利用率。 此外，需考虑建筑用电负荷的时序特征，通过负荷预测模型优化光伏组件的装机容量与储能系统的配置参数，提升分布式能源的自给率，部分示范项目的可再生能源电力替代率已接近21％，电缆敷设与布线设计的技术创新进一步保障了系统的传输效率。智能电缆敷设技术的升级应用，可进一步提升布线的合理性与传输稳定性，适配分布式的合理能源接入后的复杂用电场景。 新材料在电缆敷设中的应用也可降低传输损耗，提升系统整体能效。“光储直柔”是新型电力系统在建筑领域的核心技术范式，其核心是通过光伏供电、储能蓄电、直流配电、柔性用电，实现建筑能源系统的高效运行，该技术已被写入国家《2030年前碳达峰行动方案》，成为建筑领域低碳转型的关键路径。相较于传统交流配电，直流配电具有电能转换环节少、损耗低、兼容性强等优势，可直接适配光伏、储能、LED照明、直流空调等设备。 建筑电气系统可采用“交流－直流混合配电”模式，对空调、照明等主要负荷采用直流供电，降低交直流转换损耗，这一设计需严格遵循《低压配电设计规范》的技术要求。 某绿色产业园研发楼将配用电形式全部从传统交流改为低压直流，电源端通过功率转换系统实现市电交／直转换，负载端直接使用直流电驱动办公设备、空调等电器，大幅减少了转换环节的能耗损失。依托建筑能源管理系统（BEMS），对建筑内的柔性负荷（如充电桩、储能设备、可调速风机）进行分类管控，建立负荷优先级机制。 当光伏出力充足时，优先为柔性负荷供电并为储能系统充电；当光伏出力不足时，由储能系统放电或电网补电，实现供需平衡。 某供电局线路工区大楼创新应用负荷柔性控制技术与功率曲线定制化调控技术，建筑负荷调节比例达62％，显著提升了新能源消纳能力与电网互动能力。 部分项目还研发了双向充电桩，其施工与验收需符合《电动汽车充电设施施工与验收规范》要求，实现光伏发电高峰时为新能源汽车充电，用电短缺时汽车反向为建筑供电的“车－楼互动”模式。 电力系统自动化技术的应用则进一步提升了调控的精准性与实时性。建筑智能微电网是实现“源网荷储”一体化的重要载体，其核心是通过智能化控制平台，整合分布式电源、储能系统、可控负荷等资源，实现微电网的孤岛运行与并网运行模式切换，对提升建筑供电可靠性与能源自主性具有重要意义。建筑微电网可采用“分层控制”架构，底层为设备层，包括光伏、储能、负荷等终端设备；中层为控制层，负责数据采集、状态监测与指令下发；顶层为调度层，与上级电网进行信息交互，参与需求侧响应。国外研究表明，基于光伏、储能与备用电源的孤立直流微电网，通过直流母线组网可避免无功功率损耗，显著提升系统整体效率。 某绿色产业园研发楼与某供电局线路工区大楼均采用类似架构，通过自主研发的能量管理系统实现源、网、荷、储、充一体化管理。在并网模式下，微电网遵循“自发自用、余电上网”原则，通过功率调节实现与大电网的友好互动；在孤岛模式下，通过储能系统的调频调压，保障建筑关键负荷（如消防设备、应急照明） 的持续供电。某商业建筑微电网实验平台的运行数据显示，采用基于负荷预测的优化调度策略，24h负荷预测平均误差仅为4.2％，高峰时段用电负荷降低25％，光伏消纳率提升至95％以上。 某绿色产业园研发楼的储能系统可确保工商业峰值用电时段3h不从电网取电，以及1h备用用电，大幅提升了建筑的能源自给能力。 电子技术在电气控制中的创新应用，为控制策略的落地提供了硬件支撑。推广使用一级能效的电气设备，如LED照明、变频空调、高效电机等，降低设备自身能耗；采用节能型变压器、无功补偿装置，减少配电系统的电能损耗。 某供电局线路工区大楼通过优化建筑围护结构、应用光导管自然采光、配备高能效冷源与电器设备等组合措施，能耗强度相对标准限值要求降低34％，为设备能效升级提供了综合示范。依托物联网、大数据技术，在电气设备上加装智能传感器，实现对电压、电流、功率因数等参数的实时监测；通过BEMS平台对设备运行数据进行分析，预判设备故障风险，实现运维管理的智能化与精细化。 部分项目引入BIM技术进行管线碰撞检测和施工模拟，结合DL/T 860(IEC61850) 通信协议标准，实现设备状态在线监测和远程控制，大幅提升了运维效率与系统可靠性，这一技术路径与电工电子技术在智能建筑电气系统中的创新应用方向高度契合。该建筑为全球首个运行超一年的“光储直柔”建筑，建筑面积约2500m2，是生态环境部《中国应对气候变化的政策与行动2022年度报告》 中的行业唯一低碳试点示范案例。 项目核心目标是实现建筑“零碳”排放，推动建筑能源系统从传统交流供电向直流柔性供电转型。光伏发电系统：屋顶安装超400m2的高效单晶硅光伏组件126片，单片峰值功率445Wp，总装机容量约55kWp，配备55kW MPPT控制器，年均发电量超6万kWh，组件具备高输出功率、优温度系数、低遮挡损失的特点。储能系统：配置30组磷酸铁锂电池，总容量300kWh，该电池类型具有工作电压高、循环寿命长、能量密度大、 安全性能好等优势， 充放电效率达94%以上，循环寿命超3000次。直流配电系统：全面采用低压直流配电模式，末端电器实现直流化改造，包括打印机、空调、咖啡机等设备直接使用直流电，减少交直流转换环节，系统设计严格遵循《低压配电设计规范》要求。能源管理平台：搭建柔性能源管理系统，可实时监测能量流动、设备运行状态、柔性度、减碳量等参数，实现各系统协同调控。项目运行后成效显著，建筑分布式能源自给率大幅提升，每年节约电量10.27万kWh，节约标准煤约33.34t，减少CO2排放约82.59t，碳排放减少超47%，相当于植树16万m2；通过储能系统的移峰填谷功能，有效降低了高峰时段电网用电压力；在电网停电时，微电网可快速切换至孤岛模式，保障关键负荷供电。 项目已获得授权发明专利25项，形成完整的“光储直柔”产品矩阵，为同类项目提供了成熟的技术范式。该建筑总用地面积8887.05m2，建筑面积14047.17m2，2023年4月投入运行，通过中国城市科学研究会金级碳中和建筑标识评审，是全国首个运行阶段金级碳中和建筑。 项目以“全零碳能源应用”为核心目标，整合了被动式节能、可再生能源利用、智能调控等多项技术。可再生能源系统：采用“屋面光伏＋BIPV车棚”组合形式，总装机容量262.68kWp，实现建筑可再生能源的最大化开发；配置磷酸铁锂电池600kWh储能系统，确保新能源就地消纳，系统并网符合分布式电源并网技术要求。直流供电系统：配备直流供电网络、直流空调、直流充电桩等设备，构建完整的“光储直柔”技术体系，减少能源转换损耗，充电桩施工与验收遵循《电动汽车充电设施施工与验收规范》。智能调控系统：应用自主研发的“光储直柔”能量管理系统，实现源、网、荷、储、充一体化调度；采用负荷柔性控制技术与功率曲线定制化调控技术，提升电网互动能力。节能优化措施：结合被动式节能设计，优化建筑围护结构，应用光导管自然采光与高中庭自然通风，降低基础用能需求。项目运行数据显示，建筑能耗强度较标准限值降低34％，建筑负荷调节比例达62%，可再生能源电力替代率接近21%；通过全面电气化消除直接碳排放，结合绿电与绿证采购，实现全生命周期零碳目标；借助峰谷电价差与需求侧响应，大幅降低运行成本，为公共建筑的碳中和转型提供了可复制、可推广的实践经验。两个案例均验证了“光储直柔”技术在建筑电气系统中的可行性与优越性，其核心启示包括：一是建筑电气创新需遵循“被动优先、主动优化”的原则，将节能降耗作为基础，再通过可再生能源利用实现低碳化；二是系统集成设计是关键，需统筹考虑光伏、储能、配电、负荷的协同运行，避免单一技术叠加；三是数字化与智能化是提升系统效能的核心支撑，能量管理平台的精准调控可最大化发挥各设备的协同效应；四是标准规范引领技术落地，项目严格遵循《光伏发电工程验收规范》《低压配电设计规范》等相关标准，保障了电气系统运行的安全性与可靠性。目前，建筑直流配电、微电网控制、“光储直柔”系统集成等领域的技术标准尚未完全统一，不同设备厂商的产品兼容性较差，增加了系统集成难度与后期运维成本。 虽然现有《低压配电设计规范》《光伏发电工程验收规范》 等标准为工程提供了基础依据，但针对新型技术融合应用的专项标准仍需完善。分布式光伏、储能设备、智能化控制系统的初期投入成本较高，制约了技术的大规模推广应用。尽管长期运行可通过节能降耗、电费节约回收成本，但较高的初始投资门槛使不少项目业主望而却步，需要政策支持与商业模式创新来破解这一难题。新型建筑电气系统涉及电力电子、自动化、物联网、建筑设计等多个领域，对研发、制造、设计、施工、运维人员的综合专业能力提出了更高要求。 现有人才队伍多专注于传统建筑电气技术，缺乏对新能源集成、智能调控等新技术的掌握和应用，难以满足行业发展需求。建筑电气系统的创新实践需要电网企业、建筑设计单位、设备厂商、运维服务商等多方主体协同配合。 目前，各方在技术标准、数据接口、利益分配等方面缺乏统一的协同机制，导致新能源并网难、需求侧响应执行不到位等问题，影响了系统整体效能的发挥。随着能源技术与数字技术的深度融合，建筑电气系统将向“数字化、智能化、网络化” 方向发展。依托大数据、人工智能、５Ｇ、边缘计算等技术，能量管理系统将具备更精准的负荷预测与优化调度能力；光伏组件效率将持续提升，储能技术将向高能量密度、长寿命、低成本方向发展；直流配电系统将实现标准化、模块化，设备兼容性大幅提升，推动“光储直柔”技术的规模化应用。 电力电子技术与电力系统自动化技术的深度融合，将为这一发展趋势提供核心支撑。探索“光伏＋储能＋充电桩”一体化运营、合同能源管理(EMC)、虚拟电厂(VPP)）参与电力市场交易等商业模式，通过售电、需求侧响应补贴、碳交易等方式，拓宽收益渠道，降低项目投资回报周期。 鼓励电网企业与建筑业主合作，建立利益共享机制，推动用户侧资源参与电网调控，实现多方共赢。加快制定建筑直流配电、微电网建设、“光储直柔”系统集成等领域的国家标准与行业规范，统一技术要求与数据接口；更新完善电气设备能效标准，强化节能降耗要求；加大财政补贴与税收优惠力度，鼓励企业参与建筑电气创新实践；建立健全建筑碳中和评价体系，引导行业向低碳化方向发展。加强高校与企业的合作，开设新能源建筑电气相关专业课程，培养兼具建筑设计与能源技术知识的复合型人才；开展在职人员技能培训，提升现有人才队伍对新技术、新标准的掌握能力；建立行业人才交流平台，促进技术经验共享，为行业发展提供人才支撑。新型电力系统的构建为建筑电气行业带来了深刻的变革，建筑电气系统不再是简单的电能分配载体，而是成为连接新能源与用户侧的关键枢纽，承担着能源消纳、负荷调控、低碳转型的重要使命。通过分布式能源接入、光储直柔技术应用、智能微电网构建、电气设备能效升级等创新实践路径，建筑电气系统能够有效提升能源利用效率、促进可再生能源消纳、增强与电网的互动性，推动建筑从“能源消费者”向“源网荷储”一体化的综合能源体转变。某绿色产业园研发楼和某供电局线路工区大楼等工程案例的成功实践，验证了新型建筑电气技术的可行性与优越性，为行业发展提供了宝贵经验。 虽然当前仍面临技术标准及规范不完善、成本投入较高、专业人才短缺等挑战，但随着技术的持续进步、商业模式的不断创新、政策标准的逐步完善，新型电力系统与建筑电气的融合将更加深入。未来，建筑电气行业将以低碳化、智能化、网络化为核心发展方向，为建筑领域的高质量发展与“双碳”目标的实现注入强劲动力。作者简介：
曹效义，注册电气工程师，正高级工程师。
来源：网络 版权归原作者
