超低能耗建筑中分布式电源与配电网协同设计研究

中图分类号：TU71 文献标识码：A

引言

超低能耗建筑通过被动式设计与主动式技术的结合，实现建筑能耗较常规建筑降低 50% 以上，是应对气候变化、推动建筑领域“双碳”目标的关键路径，其能源供给呈现分布式生产、近距离消纳的特征，与传统依赖集中式电网的能源模式形成显著差异。然而，分布式电源的间歇性、波动性与建筑负荷的动态变化，易导致配电网电压波动、潮流反转等问题，制约系统整体效能发挥。因此，研究分布式电源与配电网的协同设计，对平衡能源供需、提升系统稳定性与经济性具有重要现实意义。

1 协同设计的核心原则

1.1 供需平衡原则

以建筑能源自给为主、电网补充为辅为目标，实现分布式电源出力与建筑负荷的动态平衡。设计中需基于建筑负荷特性匹配分布式电源类型与容量，例如光伏系统容量应结合建筑屋面/墙面可用面积与日均用电需求确定，确保典型工况下自给率不低于60% 。同时预留与配电网的柔性接口，在分布式电源出力不足时由电网补充供电，出力过剩时安全并网消纳。

1.2 安全性原则

优先保障配电网与建筑能源系统的运行安全，包括：分布式电源接入点的短路电流不得超过配电网设备额定耐受值，需配置过流保护、孤岛效应防护装置；控制接入容量，单个建筑分布式电源总容量不宜超过配电网馈线容量的 30% ，避免潮流反转导致保护装置误动作；限制谐波注入，通过滤波器等设备将分布式电源产生的谐波畸变率控制在 5% 以内，防止影响配电网电能质量。

1.3 经济性原则

综合考虑初期投资与全生命周期成本，优化分布式电源与配电网的协同方案。在设备选型上，优先选择性价比高的分布式电源技术，如高效光伏组件、长寿命储能电池；在电网接入方案上，采用就近接入方式减少线路改造费用；在运行策略上，通过峰谷套利、需求响应等手段提升经济效益，使投资回收期控制在合理范围。

1.4 灵活性原则

适应建筑负荷变化与分布式电源出力波动，设计具备弹性的协同架构。系统应支持分布式电源的分期扩容、储能容量的动态调整；配电网侧需具备电压调节能力，应对分布式电源接入带来的电压波动；控制策略应具备自适应性，可根据天气变化、用电模式调整运行参数，避免刚性设计导致的效能损失。

2 协同设计的架构模式

2.1 集中式协同架构

适用于大型超低能耗建筑群，通过设立区域能源管理中心实现统筹调控。架构包含三层：感知层由分布在各建筑的光伏逆变器、智能电表、温湿度传感器等组成，实时采集运行数据；决策层基于能源管理系统分析数据，制定分布式电源出力计划、储能充放策略与配电网交互方案；执行层通过光伏控制器、储能变流器、负荷调节器等设备落实决策指令。配电网作为外部支撑，与能源管理中心双向通信，接收建筑群的用电需求与上网电量信息，动态调整供电方案。集中式架构的优势是全局优化能力强，可实现建筑群内能源互济，降低对配电网的冲击。

2.2 分布式协同架构

适用于单栋超低能耗建筑，以建筑内部能源自治为核心，通过本地能源管理系统实现协同控制。架构由建筑内部的分布式电源、储能系统、可控负荷及配电网接入点组成。本地能源管理系统根据实时出力与负荷，优先使用分布式电源供电，不足时启动储能放电，仍有缺口则从配电网购电；多余电能优先存储于储能，满储后向配电网售电。配电网侧仅需提供标准接入接口，通过智能电表计量电量，无需复杂的协调机制。分布式架构的优势是灵活性高、建设成本低，适合小型建筑或分散式布局场景。

2.3 混合式协同架构

融合集中式与分布式的优势，在建筑群设立中心管理平台，同时保留单栋建筑的本地控制权限。中心平台负责制定整体协同策略，单栋建筑的本地系统在不违反全局策略的前提下，可自主优化内部能源分配。例如，某栋建筑光伏出力过剩时，中心平台可指令其将多余电能输送至负荷高峰的相邻建筑，减少向配电网倒送；配电网电压偏低时，中心平台协调各建筑减少上网电量，优先保障内部用电。混合式架构兼顾全局优化与局部灵活，是平衡控制复杂度与系统效能的理想选择。

3 协同设计的优化策略

3.1 容量配置优化

基于建筑负荷特性与分布式电源出力规律，优化设备容量配比。采用负荷预测模型计算建筑全年逐时用电需求，结合当地气象数据模拟分布式电源逐时出力，通过匹配度分析确定光伏、风电等电源的最优容量；根据出力波动幅度与负荷峰谷差，计算储能系统的最小容量，确保在典型工况下可平抑 90% 以上的短期波动；参考配电网馈线容量与电压调节能力，限制分布式电源最大接入容量，避免对电网造成过大冲击。

3.2 控制策略优化

采用机器学习算法预测次日分布式电源出力与建筑负荷，误差控制在 10% 以内；基于预测结果，以最小购电成本、最低电网冲击为目标，优化分布式电源出力计划、储能充放时段与负荷调整方案；实时监测运行状态，当实际值与预测值偏差超过阈值时，动态修正控制指令。针对配电网交互，采用友好并网策略，控制上网功率的变化率，避免潮流突变导致电压波动。

3.3 接口技术优化

提升分布式电源与配电网的交互兼容性，包括：采用标准化通信协议，实现分布式电源、储能系统与配电网调度系统的信息互通；开发智能并网开关，具备快速孤岛检测与自动断开功能，确保配电网故障时分布式电源及时解列；在接入点装设电能质量治理装置，补偿分布式电源产生的无功功率与谐波，维持配电网电压稳定与功率因数在 0.9 以上。

结束语

超低能耗建筑中分布式电源与配电网的协同设计是实现能源高效利用与系统稳定运行的关键，其核心在于通过供需平衡、安全可靠、经济高效、灵活弹性的原则，构建适应建筑特性的协同架构。集中式、分布式与混合式架构各有适用场景，需根据建筑规模与布局选择。通过容量配置优化、控制策略优化与接口技术优化，可有效提升分布式电源利用率、保障配电网安全、降低系统成本，进一步释放超低能耗建筑的能源潜力，为建筑领域深度脱碳提供有力支撑。

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