安科瑞 刘迈

　　摘要：探索“双碳”目标下民用建筑用户侧储能应用前景和应用策略，分析建筑用户侧储能安全性等问题，探讨建筑光储直柔、储能创新技术的推广应用，并提出利用用户侧储能构建多样性自备电源的策略。

　　关键词：“双碳”目标；用户侧储能；应用前景；应用策略；储能安全；光储直柔；自备电源；能源耦合

　　0引言

　　2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，是中国为应对全球气候变化而作出的庄严承诺，也是2035远景目标纲要和“十四五”时期经济社会发展的主要目标之一。我国碳排放主要来源于电力、建筑、工业生产等领域，其中电力占比大，约2/5左右，其次是建筑领域，占比超1/5。建筑领域大的碳排放源是建筑用电和用热产生的间接碳排放，约占我国碳排放总量的17%。因此，探索和研究建筑领域的降碳理念及实施路径，是非常重要的。

　　近些年，围绕“双碳”目标，地方相关政策频出，相关行业从业人员也致力于不断创新和研发，从理念、技术等各方面，积极推动绿色低碳生产生活方式的转变和变革。其中，用户侧储能作为一种新兴的能源技术，其理念已被广泛接受和认可，正在成为未来能源系统的重要组成部分，在平滑电网负荷和调峰填谷、节约能源成本、提高供电可靠性、可持续能源利用和碳减排等方面发挥重要作用，具有广阔的应用前景和发展潜力。

　　1民用建筑用户侧储能的应用前景展望

　　未来的供配电系统中，储能是智能电网、可再生能源高占比能源系统、“互联网+”智慧能源的重要组成部分和关键支撑技术。储能技术主要有物理储能（包括抽水蓄能、压缩空气蓄能和飞轮储能等）和电化学储能（主要包括锂电池储能、铅蓄电池储能和液流电池储能）。物理储能建设需要一定的自然条件，受地理条件制约，建设周期较长。目前，大规模储能技术中只有抽水蓄能技术相对成熟，用于电网侧。电化学储能技术相对成熟，应用空间广泛，未来有可能成为具发展前景的储能技术路线。其中电池储能技术具有响应速度快、效率高及对安装维护要求低等优点。从技术特点考虑，锂电池具有存储密度高、循环特性好、响应速度快等优点，是电化学储能中的juedui主力和发展方向，适合于用户侧储能。

　　目前，用户侧储能进一步发展和推广应用尚缺少标准体系的支撑，以及政策方面的支持等，在具体实践应用中，还存在诸多问题和不确定性，主要体现在以下几个方面：

　　a.标准问题。b.政策问题。c.管理问题。d.安全问题。

　　2建筑储能的安全性

　　上述几个方面中，建筑储能的安全性是尤为需要关注的，它也是制约用户侧储能在民用建筑中推广应用的主要因素之一，尤其是在建筑物内部的应用。从锂电池大规模产业化伊始，安全性便成了与之相伴的焦点话题。由于锂电池的电极材料以及电解质均较为易燃，当内部反应积聚的热量不能及时散失时，热失控现象的出现便容易引发电池安全事故。北京丰台区“4·16”较大火灾事故直接原因就是电池间内的磷酸铁锂电池发生内短路故障引发电池热失控起火。近些年韩国发生的30多起电池储能电站着火事件，也给我国储能行业安全发展敲响了警钟。虽然我国储能装机容量在近些年得到了大幅增长，但目前仍缺乏相关的安全标准文件，因此，亟待相关规划、设计、施工、检测、产品、运维等标准尽快出台。

　　纵观世界范围内储能相关安全标准，由美国消防协会制定的NFPA855-2023《StandardfortheInstallationofStationaryEnergyStorageSystems》相对系统和全面，该标准早发布于2019年秋季，据称是全面的储能系统安装防火标准。该标准明确了基于储能系统所使用的储能技术，储能系统安装、尺寸、隔离及灭火和控制系统的要求。对不同类型储能的大储能容量值也有明确要求（锂电池大安装容量不得超过600kWh，如表1所示）。同时该标准还规定：储能系统每组储能容量大为50kWh，每组之间间距以及与墙的距离均不得小于0.9m；包含储能系统的房间应具有至少2h耐火等级的防火屏障并与建筑物的其他区域分隔开等措施。另外，还重点对储能系统的排气通风、火灾探测、火灾控制、爆炸控制以及喷淋系统、扑救措施等作了细致规定。国内已经发布的储能安全标准还较少，该标准也许可提供一些参考借鉴。

　　根据锂电池特点，结合建筑安全，以及参考相关标准要求，建筑设置储能系统建议重点做好以下几个方面：

　　a.慎选设置位置场所。b.做好建筑空间防火。c.合理设置储能装置。d.储能单元智能监控。e.配备完善消防措施。f.严格把控产品选型。

　　关于检测标准，UL9540《能量储存系统和组件的安全标准》和UL9540A《电池储能系统热失控扩散评估测试方法》是两个行业影响力的电池能量储存系统安全性标准。UL9540是全球储能系统和设备安全标准，也是当下储能系统的高安全标准。测试类目繁多，条件苛刻，被北美多个授权为级安全标准。适用于包括电化学、机械和热能的各种类型能量储存系统，评估集成到储能系统中不同组件的兼容性和安全性，不针对构成储能系统的单个部件/组件。UL9540A是储能电池热失控防护测试之一，侧重于系统组件的安全性能评估和应对故障情况的要求，其测试报告主要从电芯（电芯是否热失控）、模块（热失控在模块内部扩散的倾向，并可能蔓延到其他相邻机柜的情况）、机柜（热失控是否在整个机柜内蔓延）、安装（消防系统的有效性）4个层级测试对储能系统热失控蔓延的情况进行评估。

　　3 积极推动建筑光储直柔应用落地

　　今天，光储直柔（Photovoltaics，Energystorage，DirectcurrentandFlexibility，PEDF）已不是一个陌生的概念，它是指通过光伏等可再生能源发电、储能、直流配电和柔性用能来构建适应碳中和目标需求的新型建筑配电系统（或称建筑能源系统），如图1所示。国发〔2021〕23号《国务院关于印发2030年前碳达峰行动

图1建筑光储直柔配电系统图

　　方案的通知》明确提出：提高建筑终端电气化水平，建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑。可以说，光储直柔是“双碳”目标、能源政策的必然产物，也是重要的技术支撑。光储直柔系统的终目的是柔性用电，使建筑用电由刚性负载转变为柔性负载，其中用户侧储能系统用于终端用户侧（如商业楼宇、工业园区等）存储和管理电力，是其重要组成部分，发挥着关键作用。

　　目前，已有一些建筑中开展了“光储直柔”系统的应用探索，如金砖新开发银行总部（系统配置容量为86kW的光伏发电，126kWh的铅酸电池储能系统，应用直流配电系统供重要楼层照明）、深圳建科院未来大厦（系统配置容量为150kW的光伏发电，300kWh电池储能系统，应用直流配电系统，直流负载容量达到388kW）、清华大学建筑节能楼（系统配置容量为20kW的光伏发电，3组6.6kWh的钛酸锂电池储能，应用直流配电系统）等。然而，目前的这些应用案例中，储能规模还较小，应用场景相对单一，未来对于如何在大体量、多场景建筑中构建合理的光储直柔系统还需进一步探索和研究。

　　4 应用用户侧储能构建多样性自备电源之策略

　　随着对储能的政策支持，以及制约其大规模应用的储能安全性、经济性等问题得到逐步解决后，应用用户侧储能可以在建筑内打造更多应用场景，如作为建筑自备电源。当前，建筑中常见的自备电源有：独立于正常电源的发电机组、蓄电池组（EPS、UPS）、干电池等，具体根据用电负荷的容量、允许中断供电的时间以及要求的电源为交流或直流等条件来确定。在储能技术发展的今天，构建建筑自备电源就有了多种选择，可以是传统的柴油发电机，也可以是“柴油发电机+储能”多能混合的模式，还可以是纯储能的模式，具体结合工程实际情况进行经济性、合理性分析而定。

　　4.1储能装置与柴油发电机组合模式

　　储能与柴油发电机组合的方式在建筑领域应用中很常见（如UPS+柴油发电机的组合），但这种模式下，UPS储能装置主要承担的任务是柴油发电机启动阶段的过渡，一般在柴油发电机启动成功后退出供电。这里要探讨的是利用锂电池等装机容量较大、持续供电时间较长的新型用户侧储能装置。

　　实际上，这种方式已经被广泛应用于一些地区的离网和独立微网系统（指与大电网隔离、独立运行的小型电力系统）中，如供电条件较差的偏远地区或者海岛等。系统充分利用可再生能源发电，如风力发电、光伏发电等。为了有效提高独立微网系统的供电可靠性，需要在系统中配置柴油发电机，可再生能源不能提供足够的电能以及储能容量过低无法满足负荷的情况下，启动柴油发电机为系统提供额外的电能支持。当然，当储能系统容量在正常运行范围内时，也可以与风力发电、光伏发电一起为负荷供电。当柴油发电机开启时，可以选择将储能系统退出运行，也可以尽量将柴油发电机运行在额定功率下，多余功率给电池充电。为了实现一定的经济效益，独立微网系统中的柴油发电机可采用多台相对小容量的机组，根据负荷实际需求，协调控制开启一台或者多台柴油发电机组，使单台柴油发电机处在佳经济运行状态。

　　对于多能混合一体的供电系统，需要结合实际情况选择合适的储能设备和发电机组，并进行科学合理的系统设计和运行管理。

　　4.2储能装置替代柴油发电机的可行性

　　在安全性、可靠性、经济性等得到保障的前提下，民用建筑采用大规模储能装置用以替代柴油发电机将成为一种可能。在储能替代柴油发电机的应用中，基于储能技术的运用，通过将电能储存起来并在需要时释放出来以替代传统的柴油发电机发电时间长等问题。据报道，2023年高考期间江苏通州gaoji中学等高考保点就采用了储能设备作为临时后备电源保障的方式，以保障考场内照明、英语听力等用电设备的不间断供电。

　　5 Acrel-2000MG微电网能量管理系统

　　5.1概述

　　Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电桩的接入，全天候进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电桩运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

　　微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

　　5.2技术标准

　　本方案遵循的标准有：

5.3适用场合

　　系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

　　5.4型号说明

3.5.5系统配置

　　5.5.1系统架构

　　本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

图1典型微电网能量管理系统组网方式

　　5.6系统功能

　　5.6.1实时监测

　　微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

　　系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态]及发电单元与储能单元运行功率设置等。

　　系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

　　微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图2系统主界面

　　子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

　　5.6.1.1光伏界面

图3光伏系统界面

　　本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。4.6.1.2储能界面

图4储能系统界面

　　本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

　　本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图6储能系统BMS参数设置界面

　　本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

　　本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

　　本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

　　本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图10储能系统PCS状态界面

　　本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图11储能电池状态界面

　　本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图12储能电池簇运行数据界面

　　本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的大、小电压、温度值及所对应的位置。

　　5.6.1.2风电界面

图13风电系统界面

　　本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

　　5.6.1.3充电桩界面

图14充电桩界面

　　本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

　　5.6.1.4视频监控界面

图15微电网视频监控界面

　　本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

　　5.6.1.5发电预测

　　系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图16光伏预测界面

　　5.6.1.6策略配置

　　系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

图17策略配置界面

　　5.6.2运行报表

　　应能查询各子系统、回路或设备zhi定时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

图18运行报表

　　5.6.3实时报警

　　应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图19实时告警

　　5.6.4历史事件查询

　　应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图20历史事件查询

　　5.6.5电能质量监测

　　应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

　　1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度bai分百和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度bai分百和正序/负序/零序电流值；

　　2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

　　3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

　　4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

　　5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

　　6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、大值、小值、95%概率值、方均根值。

　　7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图21微电网系统电能质量界面

　　5.6.7遥控功能

　　应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图22遥控功能

　　5.6.8曲线查询

　　应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

5.6.9统计报表

　　具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图24统计报表

　　5.6.9.1网络拓扑图

　　系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图25微电网系统拓扑界面

　　本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

　　5.6.9.2通信管理

　　可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

5.6.9.3用户权限管理

　　应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

5.6.9.4故障录波

　　应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

5.6.9.5事故追忆

　　可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

　　用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故qian10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户zhi定和随意修改。

图29事故追忆

　　6硬件及其配套产品

7结语

　　毋庸置疑，通过对光储微电网混合系统控制策略及开关优化方面的分析，能够合理的选择出额定功率和额定容量的配置，从而保障微电网的经济运行。

　　“双碳”目标将推动整个能源系统的低碳发展，储能技术的应用使建筑能源系统的构建模式也将更具多样性和灵活性，将在降低装机容量配置、避免电力增容、削峰填谷、有效解决可再生能源消纳难、提高供电可靠性、促进碳减排提升社会效益等方面发挥重要作用。

　　本文主要探讨的是用户侧电化学储能，而实际上储能的概念更加宽泛，它是储电、储热、储气等的综合，不局限于化学电池储能等方式。建筑内可利用的各类具有储能/蓄能能力的设备设施都可以作为储能资源，如水蓄冷、冰蓄冷等，均是常见的可实现电力移峰填谷的技术手段。在此基础上，还可通过能源基础设施耦合建设，如水蓄冷系统利用建筑消防水池蓄冷，既节省土建费用，提升空间集约利用水平，也可节省消防水池维护和消防水质保持费用，进一步降低成本。

　　文中是笔者结合工程应用实践以及对储能相关知识的学习和研究提出的一些民用建筑用户侧储能应用展望与应用策略，部分未经工程实践验证，尚不成熟，权作抛砖引玉，希望能给读者带来一些启发。

　　参考文献

　　［1］边涛.电储能系统在商业项目中的应用［J］.建筑电气，2020（11）：36-42.

　　［2］刘晓华，张涛，刘效辰，等.“光储直柔”建筑新型能源系统发展现状与研究展望［J］.暖通空调，2022，52（8）：1-9，82.

　　［3］郭力，富晓鹏，李霞林，等.独立交流微网中电池储能与柴油发电机的协调控制［J］.中国电机工程学报，2012，32（25）：70-78.

　　［4］殷小明.“双碳”目标下民用建筑用户侧储能应用展望与策略

　　［5］安科瑞企业微电网设计与应用设计,2022,05