摘要

商业综合体作为城市能耗大户，其中央空调与照明系统能耗占比超60%，面临峰谷电价差大、电网负荷波动剧烈、能源利用效率低等痛点。本文提出基于双向储能变流器（PCS）的能源优化方案，通过构建“光伏+储能+负荷侧调控”的协同系统，实现中央空调冷量存储与照明智能调光的深度融合。结合国内某大型购物中心的改造实践，详细阐述系统架构、核心控制策略与运行效果。结果表明，该方案可降低商业综合体整体能耗15%-20%，年节约电费超百万元，同时提升电网稳定性，为商业建筑的能源转型提供可复制的技术路径。

关键词

双向储能变流器；商业综合体；中央空调；照明系统；能量优化；峰谷套利

一、引言

1.1 商业综合体的能源困境

据中国建筑节能协会数据，我国商业建筑能耗占全社会总能耗的25%，其中中央空调与照明系统能耗分别占建筑总能耗的40%和25%。传统运营模式存在三大核心问题：

• 成本高昂：高峰时段（如白天10:00-18:00）电价是低谷时段的3-5倍，商业综合体需承担高额电费支出；
• 电网压力大：中央空调与照明的同步启停导致电网负荷峰谷差超50%，易引发局部电网过载；
• 能源浪费严重：中央空调冷量无法有效存储，照明系统未充分利用自然光，能源利用效率仅约30%。

1.2 双向储能变流器的技术价值

双向储能变流器作为连接储能电池、电网与负荷的核心枢纽，具备三大关键功能：

• 双向能量流动：实现低谷时段电网充电储能、高峰时段储能放电供电的“削峰填谷”；
• 负荷动态调控：与中央空调、照明系统联动，优化能源分配，提升设备运行效率；
• 电网友好交互：参与需量响应、虚拟电厂等电网辅助服务，获取额外收益。

二、商业综合体能源负荷特性分析

2.1 中央空调系统的负荷特性

• 周期性波动：冷负荷随室外温度变化呈现明显昼夜周期，白天峰值负荷是夜间低谷的3-4倍；
• 冷量存储潜力：中央空调冷水机组产生的冷量可通过冰蓄冷、水蓄冷系统存储，实现“谷电蓄冷、峰电释冷”；
• 能效提升空间：传统冷水机组在部分负荷下能效比（COP）仅为满负荷的60%-70%，通过储能协同可优化运行工况。

2.2 照明系统的负荷特性

• 时间依赖性：照明负荷与营业时间高度相关，白天自然光充足时可降低人工照明功率；
• 调光兼容性：LED照明系统支持0-100%调光，可根据自然光强度与场景需求动态调节亮度；
• 瞬时响应需求：照明系统对供电稳定性要求高，电压波动需控制在±5%以内，响应时间≤100ms。

2.3 峰谷电价下的能源套利空间

以国内某一线城市为例，商业用电峰谷电价差达1.2元/kWh：

• 高峰时段：10:00-12:00、14:00-19:00，电价1.8元/kWh；
• 低谷时段：23:00-次日7:00，电价0.6元/kWh。
• 通过储能系统在低谷充电、高峰放电，每kWh可实现0.8-1.0元的套利收益。

三、双向储能变流器的系统架构与核心技术

3.1 系统整体架构

构建“源-储-荷-网”协同的能源优化系统，核心组成包括：

3.2 核心功能模块详解

（1）双向储能变流器（PCS）

• 拓扑结构：采用三电平NPC（中点钳位）拓扑，转换效率≥98%，功率范围覆盖100kW-5MW；
• 控制模式：支持并网模式（PQ控制）、离网模式（V/f控制）与虚拟同步机模式，实现平滑切换；
• 保护功能：具备过压、过流、过温、孤岛检测等多重保护，满足商业建筑高可靠性要求。

（2）能量管理系统（EMS）

• 负荷预测：基于历史数据与气象预报，预测未来24小时中央空调冷负荷与照明负荷；
• 优化调度：采用遗传算法或模型预测控制（MPC），制定储能充放电计划与负荷调控策略；
• 可视化监控：实时显示能源流、设备状态与能耗数据，支持远程控制与故障预警。

（3）中央空调协同模块

• 冰蓄冷联动：低谷时段利用储能放电驱动冷水机组制冰，高峰时段释放冷量，减少冷水机组运行时间；
• 负荷动态调节：根据储能SOC（荷电状态）与电网负荷，动态调整冷水机组的运行台数与负荷率；
• 余热回收：将冷水机组的冷凝热回收用于商业综合体的热水供应，提升能源利用率。

（4）照明系统协同模块

• 自然光联动：通过光照传感器检测室内亮度，自动调节LED照明亮度，实现“自然光+人工照明”的最优组合；
• 储能供电优先：高峰时段优先使用储能供电，低谷时段利用电网供电并为储能充电；
• 场景化控制：根据不同区域（如商场、办公室、停车场）的需求，预设照明场景，实现节能与舒适的平衡。

3.3 关键技术突破

（1）多负荷协同优化算法

建立中央空调冷量存储模型与照明调光模型，结合储能SOC与峰谷电价，实现多目标优化：

• 目标1：最小化电费支出；
• 目标2：最大化能源利用效率；
• 目标3：降低电网负荷峰谷差。

（2）快速响应控制技术

双向储能变流器采用模型预测电流控制（MPCC），响应时间≤20ms，可快速补偿中央空调与照明系统的负荷波动，保障供电稳定。

（3）电网友好交互技术

支持电网需量响应，当电网发布负荷削减指令时，EMS自动降低中央空调与照明负荷，同时释放储能能量，获取电网补偿收益。

四、案例分析：某大型购物中心能源改造实践

4.1 项目背景

该购物中心建筑面积12万平方米，原有能源系统为2台1000RT冷水机组与1.2MW LED照明系统，年电费支出约800万元，中央空调与照明能耗占比分别为42%和23%。

4.2 改造方案

• 储能系统：安装2MW/4MWh磷酸铁锂电池储能系统；
• 双向变流器：采用2台1MW三电平PCS；
• 协同改造：升级中央空调控制系统，增加冰蓄冷装置；改造照明系统，安装光照传感器与智能调光模块；
• EMS平台：部署能源管理系统，实现多设备协同调度。

4.3 运行效果对比

4.4 投资回报分析

项目总投资约650万元，通过电费节约与电网需量响应收益，投资回收期约4.5年，全生命周期（15年）可创造经济效益约1800万元。

五、效益评估与推广价值

5.1 经济效益

• 峰谷套利收益：年套利收益约120万元；
• 需量响应收益：年获取电网补偿约30万元；
• 设备寿命延长：中央空调与照明系统运行工况优化，设备寿命延长10%-15%，年节约维护成本约20万元。

5.2 环境效益

• 年减少CO₂排放720吨，相当于种植3.6万棵树；
• 减少SO₂排放约5.8吨，NOₓ排放约2.9吨。

5.3 电网效益

• 降低电网高峰负荷约1.5MW，提升电网稳定性；
• 减少电网投资，延缓电网升级改造需求。

5.4 推广价值

该方案可复制应用于写字楼、酒店、医院等各类商业建筑，预计全国商业综合体推广后，年可节约电费超100亿元，减少碳排放超800万吨。

六、挑战与未来发展趋势

6.1 现存挑战

• 初始投资成本高：储能系统与双向变流器的初期投资较大，部分商业主体难以承担；
• 系统集成复杂度高：需与原有中央空调、照明系统深度融合，对施工与调试要求高；
• 政策支持不足：部分地区峰谷电价差较小，需量响应机制不完善，影响项目收益。

6.2 未来发展趋势

• 技术迭代：采用SiC/GaN宽禁带器件的双向变流器，功率密度提升至200W/L以上，效率≥99%；
• AI智能优化：引入机器学习算法，实现负荷预测与调度的自主优化；
• 虚拟电厂参与：多个商业综合体的储能系统通过虚拟电厂平台聚合，参与电网调峰、调频等辅助服务，获取更高收益；
• 政策驱动：国家“双碳”政策推动下，峰谷电价差扩大与碳交易市场完善，将进一步提升项目经济性。

七、结论

双向储能变流器通过与中央空调、照明系统的协同优化，为商业综合体提供了一种高效、经济、环保的能源解决方案。某大型购物中心的实践证明，该方案可显著降低能耗与电费支出，同时提升电网稳定性与环境效益。随着技术进步与政策支持，双向储能变流器将成为商业建筑能源转型的核心技术，助力我国“双碳”目标的实现。

参考文献

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[2] 国家发展改革委. 进一步完善分时电价机制的通知[R]. 2021.

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