光储直柔（PEDF）建筑电气系统设计与能量优化调度研究

1 引言

随着全球能源危机与气候变化问题日益严峻，建筑领域的节能降碳已成为实现可持续发展的重要议题。在建筑电气化与分布式光伏高渗透率的趋势下，电网面临着发电波动性、间歇性等突出挑战。“光储直柔”（PEDF）建筑作为构建新型建筑能源系统的创新理念，通过整合光伏、储能、直流配电与柔性负荷技术，成为破解上述难题、推动建筑迈向“近零能耗”的关键路径。目前，国外在直流建筑与微网优化调度方面已积累较多先进经验，而国内在政策引导与示范项目推进下，尤其是以清华大学江亿院士团队为代表的研究已取得重要进展，但现有工作多集中于单一技术或理论层面，缺乏从系统设计到多能协同调度的整体性研究。为此，本文旨在开展PEDF 建筑电气系统设计与能量优化调度的集成性研究，具体研究内容包括系统架构设计、组件数学建模与多目标优化调度模型的构建，技术路线遵循“设计-建模-优化”的框架，以期为 PEDF 系统的大规模应用提供理论支撑和工程参考。

2 PEDF 建筑电气系统架构设计

2.1 系统总体结构

PEDF 建筑电气系统采用以直流母线为核心的分层结构进行架构设计。该系统总体结构如图X 所示，主要由光伏发电单元、储能单元、双向A 流母线、 各类直流用电负荷及柔性负荷、以及并网连接点构成。光伏阵列作为核心供电源， 储能系统同样经 DC/DC 变换器与母线相连，起到能量缓冲和平衡作用； 流电网之间的能量双向流动，保障系统并/离网稳定运行；所有直流型及通 间接挂载于直流母线上。该架构消除了传统交流系统中多次交直流变换环节，显著降低了变换损耗，为实现系统高效、灵活运行奠定了物理基础。

2.2 关键设备选型与建模原则

在关键设备选型与建模方面，首先需根据建筑负荷特性与光伏资源条件进行容量配置。光伏系统容量需满足基础 daytime 负载及部分储能充电 光照、温度的关系；储能系统宜选用锂离子电池，其容量与功率配置需综 等需求，建模核心为描述其充放电状态（SOC）的动态过程，并考虑循 等级推荐选择国际趋势的±375V，其配电与保护设计需兼顾安全性与效率 充电桩、照明系统）需明确其可中断、可平移或可调节的运行特性，并建立表征其可调度潜力的数学模型，为后续优化调度提供约束边界。

3 PEDF 系统数学模型与优化调度模型构建

3.1 系统各组件数学模型

构建精确的数学模型是实现系统优化调度的基石，本小节旨在将 PEDF 系统中的物理实体转化为可被计算机处理与计算的数学表达式，其核心在于准确刻画光伏出力的不确定性、储能系统的能量时移特性以及柔性负荷的可调度潜力。具体而言，光伏发电模型采用结合当地历史辐照度与温度数据的经验公式，将其输出功率表征为环境参数的函数，以模拟其间歇性与波动性；储能系统模型则超越简单的功率约束，引入以充放电状态（SOC）为核心的状态方程，并综合考虑充放电效率、循环寿命损耗以及运行功率上下限，从而精确描述其“时空平移”能量的能力；对于柔性负荷，则需依据其物理特性进行分类建模，例如，对空调类温控负荷建立其与室内温度变化的微分方程关系以量化其热惯性带来的调节能力，对电动汽车充电负荷则建立其可中断、可转移的时间窗口模型。这些模型共同构成了一个数字孪生体，为后续的优化算法提供了与现实系统交互并做出最优决策的依据。

3.2 优化调度目标函数

目标函数是优化模型的“大脑”，它定义了系统运行所追求的终极目标，其科学设定直接决定了调度策略的导向性与工程实用价值。针对 PEDF 建筑系统，本研究摒弃单一经济性目标的局限性，构建了一个兼顾运行经济性与能源自洽率的双目标优化函数。经济性目标旨在最小化系统的日综合运行成本，该成本不仅包括依据分时电价与电网交换能量的购电费用，还创新性地计入了因充放电循环而引起的储能设备折旧成本，从而避免了以牺牲设备寿命为代价的短视经济策略；自洽性目标则旨在最大化本地光伏发电的即时消纳比例，通过最小化向电网的反送功率（即便在有补贴的情况下），减轻对公共电网的冲击，提升系统在离网或孤岛运行模式下的韧性。在实际求解中，采用线性加权或ε-约束法将双目标问题转化为单目标问题，通过调整权重系数即可灵活实现从“纯粹经济驱动”到“极致能源自治”不同偏好的调度策略。

3.3 约束条件

约束条件是确保优化调度策略在物理上与安全上均具备可行性的“边界护栏”，一个缺乏有效约束的优化方案无异于空中楼阁。本研究构建的约束体系是一个多层次的复杂集合，首要的是系统功率平衡约束，它要求在任一调度时段内，光伏发电功率、储能放电功率与从电网购电功率之和必须等于建筑基础负荷、充电负荷与储能充电功率之和，这是能量守恒定律在系统中的直接体现；其次是储能系统运行约束，包括SOC 的上下限约束以防止过充过放、充放电功率约束以符合设备额定能力、以及相邻时段SOC 的状态转移约束以保证能量的连续性；再次是柔性负荷运行约束，该类约束充分尊重用户的舒适度与需求，例如确保空调房间温度始终处于人体可接受的范围内，电动汽车在离场时必须达到预设的荷电状态（SOC），这些约束是“柔性”调控的底线，保障了用户的用能体验；最后是电网交互功率约束，将与电网的交换功率限制在变压器和线路的容量范围内，确保系统运行符合电网公司的并网规范。所有这些约束共同构成了一个可行的解空间，使得最终的优化调度策略既高效又安全可靠。

结论

本研究针对光储直柔（PEDF）建筑系统在集成设计与协同调度中的关键问题，提出了一套完整的“系统架构-优化调度”解决方案。首先，所设计的低压直流系统架构有效解决了多元化直流负荷高效接入与安全运行的问题，为能量双向流动提供了物理基础。其次，所构建的以经济性和自洽率为核心的多目标优化调度模型，通过协调储能充放电与柔性负荷的时移，成功实现了光伏能源的最大化就地消纳与用电成本的有效降低。案例仿真表明，该策略能显著提升系统运行经济性与能源自治水平。本研究证实了PEDF 技术路径的可行性与优越性，为推广近零能耗建筑提供了重要的理论依据与实践参考。未来研究将进一步考虑风光荷预测不确定性下的鲁棒优化问题。

参考文献

[1]李禹翔,胡亚欣,焦利敏,等.基于光储直柔技术(PEDF)的家庭能源管理系统设计与实现[J].家电科技,2024(S01):36-40.

[2]马倩,查晓雄,梁凯,等.光储直柔技术对城市建筑领域碳排放的影响[J].南方能源建设, 2025, 12:1-11.