光伏与储能一体化建筑柔性直流配电系统：
定义、技术综述与应用

摘要：对于未来实现碳中和的社会，协调高渗透可再生能源电网供需两端构成巨大挑战。本文提出一种通用建筑配电系统——PEDF（光伏、储能、直流、柔性），旨在从需求侧提供有效解决方案。PEDF 系统将分布式光伏、储能装置（含传统与虚拟储能）及直流配电系统集成于建筑，为外部电网提供灵活服务。本文阐述并分析了电网、建筑及设备层面的系统拓扑结构与控制策略。我们选取近年来 PEDF 系统关键技术的代表性成果，分析研究焦点，总结其主要挑战与未来机遇。随后介绍 PEDF 系统的三个实际应用案例，现场测量结果验证了其可行性和优势。随着可再生能源发电量和电动汽车的快速增长，PEDF 系统是实现碳中和未来大规模整合可再生能源的潜在可行方案。
关键词：需求响应、直流电、能源灵活性、储能、低碳建筑、光伏发电

I. 引言

随着全球气候变化影响日益严峻，减少温室气体排放已成为可持续人类发展的关键 [1]。许多国家和地区已制定雄心勃勃的计划，力争在 10 至 40 年内实现碳中和 [2]。文献普遍认为，实现碳中和需要电力生产近乎完全脱碳，并推动其他部门（例如建筑、交通与工业）电气化 [3]。在未来的脱碳电网中，传统化石燃料将大规模被可再生能源（RES）替代，这使得维持电网可靠运行仍面临挑战 [4]。

要建设以可再生能源为主的电网，需要回答两大核心问题：（1）如何合理布局可再生发电设施（如光伏板、风机）；（2）由于可再生能源的间歇性，如何在供需之间进行协调。

首先，太阳能和风能的能量密度不如传统化石燃料，因此需要更大的安装面积。与火电厂不同，集中式光伏/风电场通常远离城市区域（即主要终端用电区）。由此需要长距离输电线路与大规模电网侧储能系统，导致基础设施投资高、利用率低 [5]。相比之下，分布式发电，尤其是分布式光伏（PV），越来越受到研究与商业投资关注 [6]。通过建筑附着式光伏（BAPV）或建筑一体化光伏（BIPV）技术 [7]，各类建筑均可提供大面积表面用于光伏安装 [8]、[9]。多项研究指出，分布式光伏在许多国家/地区可能贡献较高的总发电占比，例如美国 38.6%、欧盟 24.4%、加拿大 29%、以色列 32% [10]–[13]。进一步地，对中国大陆 344 座城市的经济性分析表明，在无补贴情况下，分布式光伏电价也可能低于电网供电价格，意味着分布式光伏有较高可能替代燃煤电厂 [14]。研究人员和政策制定者得出结论：光伏已具备成为未来电网主要能源之一的条件 [6]。

其次，与化石燃料主导的电力系统不同，未来高渗透率的太阳能和风能电网需要更多系统灵活性资源来应对间歇性供电 [15]。储能技术是实现脱碳电网灵活性的关键 [16]。与电网侧储能相比，分布式储能与终端用电设备相结合（例如分布式电池）在提升可再生能源利用率、降低输配电系统容量需求、提升电网安全性方面具有显著优势 [17]。然而，当前分布式储能（尤其电池）成本仍偏高，难以支撑大规模部署 [18]。随着全球电动汽车（EV）数量与电池容量增长 [19]，EV 通过车网互动（V2G）或车建筑互动（V2B）技术 [20]，正逐渐被视为可靠且经济的分布式储能来源 [21]。这种潜力与建筑的耦合将日益增强，因为 EV 超过 90% 的时间停放在建筑内或附近，其充电过程与本地配电系统深度融合 [21]。

因此，电网脱碳的两个有效解法分别是：分布式可再生发电与分布式储能，而二者都与建筑密切相关。这类建筑可被视为智能纳米电网（smart nanogrid）[22]、产消者（prosumer，即既用电又发电的用户）[23]，并进一步被定义为**能源灵活建筑**（energy-flexible building）[24]：其能够依据气候、用户需求与外部电网要求等，对自身用能需求与发电进行管理。作为最大的终端用电部门，建筑部门在未来将具备巨大的灵活性，从而对未来电网的可靠性起决定性作用 [25]、[26]。

现有多种技术可提升建筑能源灵活性，例如 BAPV/BIPV [7]，分布式电池 [18]，V2B/V2H [20]，以及需求侧管理（如智能电器与建筑热储能）[27]。然而，目前仍缺乏一个将建筑内相关技术进行一体化整合的通用系统框架，主要挑战在于**具备高适应性与可扩展性的能量管理控制策略**。

为此，本文提出一种建筑配电系统——**PEDF 系统**，其名称代表三类关键组成（Photovoltaics 光伏、Energy storage 储能、Direct-current 直流配电系统）以及目标（Flexibility 能源灵活性）。第二节介绍系统概念、原理、拓扑与控制策略；第三节回顾关键技术并讨论挑战与机遇；第四节给出三个典型应用案例：办公建筑、建筑 + EV、住宅建筑。作者认为，这是首个系统性提出的、能够在建筑层面遵循电网运营方用电指令的通用配电系统研究，可为可再生能源主导、迈向碳中和的未来提供新思路。

II. 定义

A. 概念

图 1 展示了典型的建筑 PEDF 配电系统。该缩写中的“P”主要指分布式光伏，如太阳能板、柔性太阳能薄膜 [28]、太阳能玻璃 [29]，可安装在屋顶/立面、建筑周边，甚至作为建筑构件；其他分布式发电设备（如分布式风力涡轮机）也可纳入系统能源构成。缩写中的“E”指储能设备/系统，如分布式或集中式电池、带热储能的冷机或热泵（如水箱蓄热、地热蓄热及相变材料蓄热系统），以及连接智能充电桩的电动汽车——这些充电桩通常部署于建筑内部或周边的停车场。缩写中的“D”指建筑层面的低压直流配电系统。由于建筑内能源、负荷与储能呈现日益明显的直流特性，这些部件可通过采用分布式控制策略的电力电子转换器直接接入直流母线。缩写中的“F”指能源灵活性：PEDF 旨在将建筑从传统“刚性负荷”转变为电网中的“能源灵活节点”，使其同时具备发电、储能、调节与需求响应负荷等角色。由此，外部电网供电可主动大幅调整以适应波动性发电，而非简单匹配用电需求。

PEDF 系统街景与微电网架构示意图
图 1. PEDF 系统：一种新型建筑配电系统。（a）街景示意：住宅、办公楼、停放 EV、以及光伏/风电场。（b）建筑微电网：AC/DC 变换器根据参考功率设定直流母线电压，所有 DC/DC 变换器依据可变母线电压作出响应。

B. 原理

电网评估供需状况后，向 PEDF 系统发送参考功率 $P^*$ 或相关参数。系统向直流母线的输入功率为 $P^* + P_{PV}$，其中 $P^*$ 由 AC/DC 变换器控制，光伏发电为 $P_{PV}$。为实现功率平衡，系统在一定范围内（例如额定电压的 80%～107% [30]）采用**可变直流母线电压 $U_{DC}$** 作为控制信号，以协调系统内所有设备。PEDF 的典型运行状态如下：

  1. 稳定状态：当总负荷（含电器、EV 充电、储能系统等）可由 $P^* + P_{PV}$ 满足，且 $U_{DC}$ 在允许范围内（$U_{DC,min} < U_{DC} < U_{DC,max}$）时，系统平稳运行。
  2. 重负荷状态：当总负荷高于 $P^* + P_{PV}$ 时，$U_{DC}$ 下降。各电器依据自身控制策略对电压下降作出响应并降低功率；EV 充电器与储能系统降低充电功率，甚至转为放电模式，使总负荷下降并逼近 $P^* + P_{PV}$。若 $P^* + P_{PV}$ 过低导致无法逼近（即 $U_{DC}$ 达到 $U_{DC,min}$），AC/DC 变换器将提高输入功率，使 $U_{DC}$ 稳定在 $U_{DC,min}$。
  3. 轻负荷状态：当总负荷低于 $P^* + P_{PV}$ 时，$U_{DC}$ 上升。各电器依据电压上升增加用电；EV 充电器与储能系统提高充电功率，使总负荷上升并逼近 $P^* + P_{PV}$。若 $P^* + P_{PV}$ 过高导致无法逼近（即 $U_{DC}$ 达到 $U_{DC,max}$），光伏与 AC/DC 变换器将降低输入功率，使 $U_{DC}$ 稳定在 $U_{DC,max}$。

基于上述原理，PEDF 主要特征为：

C. 系统拓扑与控制策略

为实现上述概念与原理，图 2 给出了 PEDF 在电网层、建筑层、设备层的拓扑与控制策略，并分析如下。

多层级拓扑与控制策略图
图 2. PEDF 系统多层级拓扑与控制策略：（a）电网层，（b）建筑层，（c）设备层。

1) 电网层

如图 2(a)，PEDF 作为电网中的可调度节点：外部电网参与确定 $P^*$，PEDF 系统可自调节以跟随指令。不同电网情境下，至少有三种确定 $P^*$ 的方式：

2) 建筑层

图 2(b) 展示两类典型建筑层拓扑：

在能量管理方面，PEDF 以可变直流母线电压作为协调信号来协调系统内所有设备，这与当前直流建筑通常设置固定系统电压的做法不同。通过这种方式，每个设备本地监测直流母线电压及其运行参数以进行自身控制，无需相互通信即可实现集中式能源管理。换言之，各设备的控制模块自主执行能源管理。这种分布式控制策略能大幅简化能源管理流程，并确保系统可扩展性。

3) 设备层

PEDF 的关键设备为带可编程控制器的智能电力电子变换器（图 2(c)），包括：并网 AC/DC、光伏 DC/DC、电池 DC/DC、智能 EV 充电器、电器负荷、以及连接子系统的 DC/DC。其控制策略如图 2(c) 所示，具体说明如下：

  1. 并网 AC/DC 变换器：根据电网侧 $P^*$，先测量从电网取电功率 $P$，再由内置函数计算参考母线电压 $U^*_{DC}$，例如 $U^*_{DC}=f(P^*-P)$。该函数可设计为离散电压档位、连续函数、基于历史数据训练的机器学习模型等，并满足：
    • $U^*_{DC}$ 与 $(P^*-P)$ 正相关；
    • $U^*_{DC}$ 下限为 $U_{DC,min}$（对应最小用电需求）；
    • $U^*_{DC}$ 上限为 $U_{DC,max}$（对应最大可用电能力）。
    AC/DC 采用常规双环控制 [33]（电流环用于功率因数校正 PFC，电压环用于输出电压调节）使 $U_{DC} \to $U^*_{DC}$。若外部电网输入为零（如停电），母线电压控制权将依次转移给光伏、电池与 EV，以保障运行。若 $U_{DC}$ 触及上下限但功率 $P$ 仍无法跟踪 $P^*$，将构成“未按指令运行”，可能导致更高电价甚至违约惩罚。
  2. 光伏侧 DC/DC：采用最大功率点跟踪（MPPT）[34] 以最大化发电；当 $U_{DC}$ 达到 $U_{DC,max}$ 时，控制策略切换为将 $U_{DC}$ 控制在 $U_{DC,max}$，即对光伏富余发电进行限发；随后电压回落则恢复 MPPT。
  3. 电池侧 DC/DC：采用分层控制 [35]，基于 $U_{DC}$ 设定充放电参考功率/电流 $P^*$ 或 $I^*$，其典型函数 $P$ 或 $I=f(U_{DC})$ 包括三段：中间“死区”（避免母线微小波动引起频繁微循环），两侧下垂控制区（稳定母线电压），最外侧恒定区（限制充放电功率/电流）。同时引入 SOC 防止过充过放。控制参数亦可用基于历史电压波动数据的机器学习模型优化。
  4. 智能 EV 充电器：与恒功率/恒电流的传统充电器不同，智能充电器可按系统供需调节充放电功率/电流。其先从 EV 电池管理系统获取 SOC 与允许的最大充/放电功率/电流 $P_{max}$ 或 $I_{max}$，并测量 $U_{DC}$。随后采用基于 SOC 的策略设定 $P^*$ 或 $I^*$。策略形式 $P$ 或 $I=f(U_{DC},SOC)$ 与电池类似也分三段：$U_{DC}$ 越高充电功率越大；SOC 低的 EV 在高电压时优先充电；当电压降低时，SOC 高的 EV 优先降低充电功率甚至转为放电；并用 $P_{max}$/$I_{max}$ 约束以确保电池安全。
  5. 电器负荷：除服务器、医疗设备等需特殊供电保障的负荷外，多数电器应具备可控性。可控负荷可按可提供的灵活性服务分类：可中断负荷（如非关键照明）、可削减负荷（如变频空调、风机、水泵）、可移时负荷（如带蓄热的热/冷设备、便携电子设备）等 [36]。这些电器通过各自策略实现能源灵活性。从产品设计角度看，此类电器应配备按钮或其他交互界面，供用户选择偏好的灵活性模式（即控制策略）。
  6. 子系统互联 DC/DC：如图 2(b) 右图，双向 DC/DC 连接两个 PEDF 子系统。控制关键量为两子系统母线电压差 $\Delta U_{DC}$。当 $\Delta U_{DC}$ 落在死区内，变换器关闭以避免频繁双向能量流（相当于子系统断开）；当 $\Delta U_{DC}$ 超出死区，则能量由高电压子系统流向低电压子系统，且流量与 $\Delta U_{DC}$ 正相关。这种多 PEDF 子系统间的能量互联控制策略，既促进了太阳能的充分利用，又保障了供电可靠性。

III. 技术综述

基于上述定义，本节回顾 PEDF 的四项关键技术（“光伏”、“储能”、“直流”、“灵活性”）。

我们首先对 Web of Science 数据库收录的文献做文献计量分析。图 3 给出基于表 I 检索词的结果：四类技术在 2010 年前文献数量有限，之后爆发式增长，反映在脱碳背景下建筑领域对相关技术关注度提升。“储能”文献占比最大，其次为“光伏技术”、“灵活性技术”、“直流技术”。但在近十年，“灵活性”的年均增长率最高（41.3%），其次为“直流”（25.7%）、“储能”（25.6%）与“光伏”（25.5%），表明建筑能源灵活性领域仍蕴藏巨大开发潜力。

多层级拓扑与控制策略图
图 3. 近 20 年 PEDF 关键技术研究趋势（数据源：Web of Science 核心合集 SCI Expanded；详细检索式见表 I）。
多层级拓扑与控制策略图
表 I. PEDF 关键技术检索式（用于限定建筑用能领域并分别检索光伏、储能、直流与灵活性相关文献）。

图 4 总结了研究重点、主要挑战与未来机遇，详述如下。

多层级拓扑与控制策略图
图 4. PEDF 系统研究重点、挑战与机遇概览：光伏（高性能、经济的产品与系统）、储能（传统储能与虚拟储能融合）、直流（标准化电器/设备与智能策略）、灵活性（建筑与电网的交互机制）。

A. 光伏（Photovoltaics）

建筑分布式光伏（BAPV/BIPV）研究大体可分为宏观层、建筑层与组件层。

1. 宏观层：潜力评估与资源识别
宏观研究主要用于社区/城市/国家尺度的分布式光伏潜力评估与存量资源识别。潜力评估通常采用分层方法：物理潜力（太阳辐照）、地理潜力（可用表面积）、技术潜力（发电效率），其中地理潜力最难评估 [37]。随着 GIS 与机器学习发展，地理潜力可借助大数据更准确量化，例如 LiDAR、航拍/卫星影像、城市数字表面模型（DSM）等（通常分辨率 $\le 2m$/像素以匹配建筑尺度）[39]、[40]。同时，研究也强调美学设计、城市遮挡与反射等实践因素对预测精度的影响 [41]、[42]。既有研究更多聚焦屋顶 [38]，但近年立面潜力也受到关注 [43]。
总体而言，多国/地区分布式光伏理论上可覆盖年用电需求的 20%～40% [10]–[13]。随着全球装机容量增长，识别既有光伏资源同样重要但更具挑战：需要更高空间分辨率（通常 $\le 0.3m$/像素以匹配光伏板尺度）与更多建筑侧数据。识别流程在多步骤使用深度学习：航拍影像标注 PV [44]、[45]，估计规模 [46]、[47]，基于发电时序数据估计方位与倾角 [48]、[49]。Mayer 等 [50] 开发了 3D-PV-Locator（结合航拍影像与 3D 建筑数据的深度神经网络）以准确识别屋顶 PV 并给出方位角与倾角。

2. 建筑层：面向最优利用的系统设计
大量现有光伏为并网模式，但研究表明自发自用更“电网友好”且更经济 [51]，这与本文 PEDF 的目标一致。系统设计应关注分布式光伏与建筑负荷的匹配关系。城市中的高层办公楼 [52] 与住宅公寓 [53] 常因能耗强度高或可装光伏面积受限，导致光伏供电占比偏低（通常 $<30\%$）。因此，这类建筑可将“近乎完全自用”作为目标，通过储能系统 [51]、需求侧管理 [54]、屋顶 + 立面组合安装 [55] 等实现。
同时，一些建筑因能耗强度低或可装面积大（如农村低层住宅 [40]、机场航站楼 [56]、[57]、体育馆 [58]、工业建筑 [59]）可能出现年发电远超年负荷。此类建筑单体或聚合后可设计为虚拟电厂，为电网提供可调度电源，例如中国某太阳能资源丰富的县域案例 [60]。总体而言，未来仍需更多关于系统配置与控制策略的研究，以提出建筑层面分布式光伏资源的典型利用模式并形成 PEDF 设计指南。潜在建议是：建筑侧分布式光伏系统应设计为“接近完全自用的消费者”或“可调度的生产者”之一，以避免与电网发生过于频繁的能量交换。

3. 组件层：性能提升
近年来技术与产业化进步显著，主流商业组件效率约 20%～30% [61]，价格降至 0.2～0.4 美元/$W_p$ [62]。市场调研 [7] 显示，晶硅电池技术目前在 BIPV 方面优势最明显，原因在于地面电站规模化推动了寿命、效率与美学等创新并带来价格压力。面向脱碳未来，建筑用光伏仍需要更高性能、更经济的产品，同时满足发电与建筑设计需求。新材料（如 CIGS [28]、钙钛矿 [63]）、动态光伏模块 [64]、组件热管理（如相变材料集成 [65]、辐射制冷 [66]）等为提升提供了潜在路径。

B. 储能（Energy Storage）

建筑内/周边分布式储能研究主要聚焦传统储能（TES）与虚拟储能（VES），文献中常将其归纳为广义储能（GES）[67]、[68]。

1. 传统储能（TES）
高效、安全、具成本竞争力的 TES（尤其电储能）对 PEDF 集成可再生能源至关重要。不同 TES 各有优劣，单一技术难以满足全部需求 [17]。IEC 从能量容量、额定功率与时间尺度三维度系统比较了主要 TES 技术 [69]。Schmidt 等 [70] 进一步分析 2015～2050 年 9 类技术的度电储能成本，指出锂离子电池（LIB）在日内短时储能上可能最具竞争力；氢储能更适合季节尺度等长时储能。Albertus 等 [71] 则指出：当风光占比约 20%～50% 时短时储能作用更大；若要进一步提升至 $>70\%$，长时储能可能必需。短时储能研究大量聚焦电化学储能（尤其 LIB）的材料与电池管理系统 [72]。LIB 具有安装灵活、部署便捷、响应快且稳定、循环效率较高等优点 [73]，被广泛视为稳定未来电网的最具潜力的分布式储能之一 [74]。对 PEDF 而言其吸引力明显，但性能与成本仍是大规模应用瓶颈。长时储能通常容量大，较少作为建筑内分布式储能讨论。近年有研究尝试用分布式氢储能协调全年光伏发电与建筑负荷 [75]，但其成本优势与当前必要性仍存在争议 [71]。

2. 虚拟储能（VES）
可调度负荷与终端用户分布式储能（VES）作为热能储存（TES）的经济替代方案，可为当前及未来的电网服务提供支持 [76]–[78]。
基于常规终端用能需求，VES 通常包含电能与热能储存系统。在电力储能方面，全球锂离子电池市场报告显示，电动汽车（34%～54%）已超过消费电子（33%～40%）成为主导应用，而固定式储能仅占 6%～17% [79]、[80]。因此，具备智能充放电系统的电动汽车与消费电子是两类有前景的用户侧 VES。文献指出电动汽车与建筑耦合强 [81]：私家车（占车辆 $>80\%$ [19]）超过 90% 的时间停放在建筑内/附近 [82]，其充电与建筑能耗深度绑定 [83]。基于此，研究提出多种建筑—电动汽车能量交互系统与策略（作为 VES）。例如：Barone 等 [83] 提出 $V2B^2$ 通过电动汽车电池在多建筑间转移电能；Fretzen 等 [85] 比较三种充电调度以提升城市尺度屋顶光伏发电与电动汽车充电的时序匹配；Zhou 等 [86] 提出含 V2B 的区域能源共享范式；Borge-Diez 等 [87] 建议结合 V2H 与 V2B 以提升能效并降低建筑峰值需求。
对消费电子与其他电器而言，IoT（Wi-Fi、5G、电力线通信等）可挖掘其作为 VES 的潜力，例如控制充放电过程 [88]。Khadilkar 等 [89] 甚至提出由笔记本电池供电的个体舒适系统（LED 灯 + 桌面风扇）。但其能量强度低、使用模式随机性高，限制了大规模应用。
在热储能方面，供暖通风与空调系统（HVAC）通常占建筑能耗的 30%～80% [25]、[36]，无疑是用户侧最具潜力的 VES。该部分可通过建筑热容、热储能系统与相变材料（如冰、石蜡、共晶盐等）移峰 [90]。该领域研究多聚焦：利用 HVAC 系统与建筑热容提供削峰、协同可再生能源、降低运行成本。首先，仅就暖通空调系统而言，Song 等 [91] 将变频空调建模为热电池（TB），该模型可与电力调度模型协同工作以实现需求响应。
大量研究表明，大型建筑（如机场航站楼）的集中式暖通空调系统具有更高的储能潜力，包括采用相变材料（PCM）的终端设备 [92]、蓄水系统 [93]、蓄冰系统 [94] 等。采用智能控制策略的地源热泵系统也是需求响应的潜在方案，因其能利用地热蓄能特性 [95]、[96]。
针对更复杂的储热型冷暖电联供系统，王等 [97] 提出基于多智能体的最优控制方法，既能降低运行成本，又能减少能源供需失衡。其次，针对暖通空调系统与建筑热容量的组合应用，Hughes 等 [98] 提出一阶线性动态模型，以简洁而精确的方式捕捉建筑热动力学特性用于电网调节。Jin 等 [99] 则利用建筑蓄热能力，开发出动态混合能源微电网的经济调度模型，旨在最小化日常运行成本。张等 [100] 比较了不同恒温器控制策略对单户住宅供暖条件下热质量利用的影响。建筑热质量可与暖通空调终端深度集成（即热能活性建筑系统 TABS [101]），以进一步挖掘其储能潜力 [102]。陈等 [103] 将被动式建筑热质量与主动储能系统耦合，实验实现了 0.5 至 2 小时的负荷响应。
综上所述，除热能储存系统（TES）外，虚拟储能系统（VES）可为当前迫切的储能需求提供切实解决方案。用户行为与接受度显著影响 VES 性能表现，因此仍需深入研究各类 VES 的最优控制策略，以平衡储能系统可用容量与用户满意度。此外，需针对典型建筑场景（含办公楼、住宅楼、商业楼等）中各类 VES 资源的组合进行设计与运行研究，资源间的协调策略同样至关重要。

C. 直流（Direct Current）

2006 年 Pang 等 [104] 指出，随着分布式可再生与直流负荷增加，建筑直流配电在系统简化与能效方面具有优势。PV 与电储能本质为直流；电力电子技术进步亦促进了直流微电网与直流电器发展 [105]。因此，越来越多项目在建筑中应用直流微电网，例如办公楼 [106]–[108]、商业建筑 [109]、[110]、高校建筑 [111]、[112]、住宅 [113]、数据中心 [114]。研究表明直流微电网相对传统交流微电网在建筑中具有多方面优势 [32]、[108]–[110]：

首先，直流微电网可减少源到端的电能变换级数，从而提升能效 [115]。已报道节能率约 2%～19%（受拓扑、变换器性能、电压等级等影响），例如：计算 10%～19% [104]、实验 3% [106]、项目仿真 6%～8% [109]、仿真 12%～18% [110]、试验平台 2%～5% [116]、仿真 15% [117]。因此，直流微电网全生命周期环境影响（$CO_2$ 当量）也可能更低 [108]。

其次，直流微电网只需对电压进行紧密控制即可获得较好的电能质量；交流则存在谐波问题 [118]。直流还可在故障时与大电网解列以提升建筑供电安全 [108]。但大量电力电子设备也会带来电压振荡、纹波、电压暂降/暂升等问题，虽在 IEC 61000、IEEE 1159 等标准及相关研究中已有定义与讨论 [118]，但如文献 [107] 所述，在整栋建筑尺度上对其累积影响的高质量仿真与实测仍不足。

第三，直流微电网具备一些交流不具备的简单且鲁棒的控制策略。例如，下垂控制基于电力线携带的直流电压信息，可用于并联多电源与负荷共享，从而在高可靠性条件下实现简单分布式控制 [119]。这些直流分布式控制策略是“电网友好建筑”分层控制框架的重要组成，可在不同时间尺度下协调多目标控制并确保系统适应性与可扩展性 [120]。

第四，就安全而言，文献综述 [121] 指出目前尚无科学共识能断言人体触电时 AC 或 DC 哪个更危险。但与早已确定的交流终端电压（110～230 V）相比，直流终端电压的选择更受关注。全球案例与标准逐渐收敛到两级终端电压：高功率负荷用 380 V，其余用 48 V [32]；中国新近标准（T/CABEE 030–2022）也推荐该方案 [30]。电压等级的标准化使直流在终端使用上更可行。

尽管如此，与其他三项技术相比，直流在建筑领域仍相对“没那么热”（见图 3），表明其必要性仍被质疑。当前 AC/DC 混合微电网更现实，因为交流电器与配电体系更成熟 [111]、[112]。直流推广的技术障碍包括：直流部件供应有限与不兼容 [122]，以及直流微电网在大规模应用时的保护与安全问题 [105]、[123]。非技术障碍还包括从业者对直流不熟悉 [121]、业主/运维团队对新技术的接受度与不确定性 [122]。

未来方向包括：推动建筑直流微电网关键部件（尤其直流电器与直流设备）的标准化与产业化，以提升可靠性与技术经济性；扩大常见电器覆盖以满足多样化需求并降低成本；并为各类直流电器设计与 PEDF 原理相匹配的智能控制策略（见 II.B）。除直流电器外，直流设备（DC/DC、AC/DC、直流插头、插座、开关等）也是瓶颈；当母线电压在一定范围内变化时，其寿命与保护方法尤需关注。

D. 灵活性（Flexibility）

能源灵活性是 PEDF 的核心目的，通过整合前三项技术实现。它也是近年发展最快的方向（图 3）。能源灵活建筑（或电网友好/电网交互建筑）概念源于电网对需求响应的要求，包括削减、移峰、调制等 [124]、[125]。IEA EBC Annex 67（2014–2020）[24] 给出定义：建筑能源灵活性是建筑根据当地气候、用户需求与能源网络要求，管理自身需求与发电的能力。后续 IEA EBC Annex 82（2020–2025）[126] 将研究从单体建筑扩展到建筑群与社区/城市层面低碳能源系统。其他国家与组织也开展了相关项目 [127]、[128]。

文献表明建筑的巨大灵活潜力已吸引建筑与电力系统两领域研究者。中国的宏观分析 [129] 指出，2050 年中国碳中和电力系统年发电约 8 万亿 kWh，其中约 60% 来自风光；若通过 PEDF 充分挖掘建筑灵活潜力，建筑不仅可自用 3.1 万亿 kWh 的分布式太阳能，还可有效利用 2.6 万亿 kWh 的集中式风光发电。美国方面，未来高能效且高灵活的建筑预计平均可由现场发电满足 75% 的需求 [130]，并在 2050 年帮助避免最高约 800 TWh 年电力使用与 208 GW 的日净峰值负荷 [26]。

近年研究从不同视角展开：早期多聚焦提升建筑需求灵活性的具体措施（可再生发电、HVAC、储能、建筑热容、电器等）[125]。随着“能源灵活建筑”概念提出，Li 等 [131] 强调应把灵活性作为整体而非孤立技术集合，并指出控制策略、用户行为与激励机制重要但不足。除小时尺度削峰外，Wang 等 [132] 综述了非住宅建筑 HVAC 为电网提供秒/分钟级辅助服务的研究。尽管建筑具备多时间尺度调节能力，Tang 等 [36] 指出其能力与现有电网服务项目缺乏明确匹配，原因在于灵活性量化方法与激励商业模式不足。Li 等 [133] 也发现住宅灵活性量化缺乏共识，不同方法会偏向不同系统方案（如不同控制策略 [100]），使设计与工程实践产生困惑。从电网侧看，由于与海量终端用户通信与灵活性量化困难，学习辅助方法 [134] 与分布式多智能体系统 [135] 被广泛用于 B2G 交互，带来系统复杂性与不确定性。此外，现有研究中约 85% 基于仿真而非真实建筑测试 [133]。Chinde 等 [136] 认为需要更高时间分辨率、更高质量标定数据的建筑电系统仿真，以研究能源灵活建筑对电网的贡献。

上述分析表明，现有技术已能实现能源灵活建筑；然而，在实际应用中充分挖掘其潜力的瓶颈在于建筑与电力系统之间的交互机制。具体而言：(1) 在终端用户层面，如何设计激励机制以平衡灵活能源使用带来的收益与用户整体满意度；(2) 在建筑运营商层面，如何量化自身能源灵活性（即电网调度能力）；(3) 在电网运营商层面，如何与大量建筑进行交互。

因此，我们总结了充分利用建筑能源灵活性的一些实用方法和有效激励措施的未来展望如下。首先，分层框架 [137] 可作为建筑与电力系统日常交互的可行方案：负荷聚合商作为建筑集群与电网运营商之间的协调者，电网运营商依据调度合约向负荷聚合商发送调控指令。负荷聚合商依据各建筑预先申报的能源灵活性（可通过实际负荷曲线与标准负荷曲线 [138] 的偏差系数量化）分解指令，向下属建筑分发子指令。负荷聚合器可整合各类建筑 [139] 及周边电动汽车 [140]，利用其负荷互补特性。各下属建筑可在服务质量约束下调整用电量 [141]。若某建筑无法执行指令，聚合器内部的协调机制可确保整体调度效能 [142]。其次，高度分散的能源灵活系统（例如采用群体智能 [143] 和强化学习进行分布式控制 [144]）可能是未来的潜在解决方案，前提是电力系统中所有参与者都具备足够的智能且能够通过无线通信或电力线通信等途径畅通无阻地相互协作。其三，精心设计的指标及其交易机制是系统简化与稳定的关键。当前电力市场中的分时电价虽属成熟方案，但在特殊事件中存在电价剧烈波动风险，可能引发供电危机 [145]。在脱碳背景下，实时碳排放因子 [146]、碳排放流信息 [147] 或边际排放因子 [148] 均可作为替代方案，并可进一步设计与低碳认证或其他经济激励机制的关联机制。第三类激励机制，如对大功率设备实施直接负荷控制，可作为突发事件中快速响应需求的有效手段 [149]、[150]。

IV. 应用

基于四项关键技术，本节介绍三类典型 PEDF 应用案例：办公楼、办公房间 + EV、住宅（见图 5）。

多层级拓扑与控制策略图
图 5. PEDF 系统应用案例：（a）深圳办公楼；（b）北京办公房间+三台智能 EV 充电器；（c）珠海住宅。

A. 办公建筑

图 5(a) 为中国深圳一栋六层办公楼（建筑面积 5000 $m^2$），是首个实现 PEDF 概念的实用建筑。

屋顶两组光伏阵列面积约 1200 $m^2$，总功率 150 $kW_p$。储能采用铅碳（PbC）电池，总容量 110 kWh，其中 50 kWh 为集中式，其余分布在各楼层。建筑直流微电网采用三线双极拓扑 [107]：正极 +375 V、负极 −375 V、中性线，从而提供三种电压等级以匹配不同终端：高压 750 V（正负极之间）、中压 375 V（正/负极与中性线之间）、低压 48 V（由 375 V 降压得到）。

基于这些组成与前述控制策略，该 PEDF 系统可实现多种运行模式（以 2020 年 11 月 27 日为例），包括光伏供电、电网供电、光伏 + 电网供电、电池充电、电池放电。通过在这些模式之间切换并配合母线电压变化，系统从电网取电功率可跟随电力调度系统预设值（以 2021 年 5 月 13 日为例）。因此，从电网角度看，该建筑单元可视为具备能源柔性特性的节点。

尽管 PEDF 系统已成功应用于该实际建筑，但某些经验有助于提升其在未来项目中的性能表现。尽管双极直流微电网具备提供两个电压等级（即 375 伏和 750 伏）的优势，但其增加了系统复杂性、成本及维护难度。伴随问题包括：(1) 不平衡负载条件下两极直流电压的平衡问题；(2) 需采用更多耐压能力更强的电力电子设备及相关电缆（即 750 伏）；(3) 系统故障概率增高及相应的维护工作量增加。

B. 办公室 + 电动汽车

图 5(b) 为中国北京一间 20 $m^2$ 的办公室案例，这是典型的办公场景，通过将采用电动汽车作为虚拟储能系统（VES）实现 PEDF 概念，无需任何传统储能系统（TES）。

该案例屋顶两串光伏：一串倾角 2°（48 $m^2$，10 $kW_p$），另一串倾角 37°（48 $m^2$，10 $kW_p$）。配置 3 台智能 EV 充电器（6.6 kW/台），可根据输入直流电压与 EV 的 SOC 调节充电功率。直流微电网采用单极拓扑，母线电压设计为 375 V，其他电压等级（如 48 V）由电力电子设备从母线变换得到。

基于上述组件及控制策略，我们于 2022 年 3 月 21 日开展实验，演示工作日运行场景：包含照明、暖通空调、计算机等办公负荷与两名员工电动汽车的充电负荷。当日光伏发电与办公负荷呈独立变化。两辆电动车于 8:00 左右抵达，19:00 左右离开，期间每台充电器的充电功率可在 0-6.6 kW 范围内变化。通过交流/直流转换器设定可变直流母线电压，配备智能充电器的两辆电动车由此充当虚拟能源存储装置（VES）。该 PEDF 系统无需任何储能设备即可实现电网功率恒定输入，同时完全满足电动车充电需求（即车辆离场时电量状态 SOC 约 90%）。若未来明确需要实施需求管理，可据此调节系统吸纳功率。上述实验证明，在 PEDF 系统中将配备智能充电器的电动汽车（即使仅支持可控充电而不放电）作为虚拟能源系统（VES）是可行的。通过这种方式，建筑物能够安全且经济地实现能源灵活性。当前全球范围内，在既有建筑中安装光伏板和电动汽车充电桩的需求正激增。该 PEDF 系统（即建筑连接式太阳能充电系统）是满足此需求的切实方案，因其无需提升连接电网的变压器容量，且建筑可削减电动汽车充电的峰值负荷。

C. 住宅建筑

图 5(c) 为中国珠海一栋 40 $m^2$ 住宅建筑实景。该全尺寸实验平台模拟了配备 PEDF 系统的可复制小型家庭住宅。

屋顶光伏面积 30 $m^2$（5 $kW_p$）。储能采用钛酸锂（LTO）电池，总容量 6.6 kWh。直流微电网采用单极拓扑，母线电压设计为 400 V，其他电压（如 48 V）由电力电子设备变换得到。

基于上述组件及控制策略，该住宅的 PEDF 系统可实现多种运行模式（如 2021 年 9 月 28-29 日所示），包括光伏 + 电网供电、光伏 + 电池供电、光伏 + 电池 + 电网供电、电池充电等。通过切换这些模式，太阳能得以在白天被充分利用；与此同时，电池在夜间（约 21:00–7:00）进行充电。当光伏发电量下降但负荷仍存在时（约 15:00–21:00），电池开始放电。因此，该住宅具备为电网削峰的能力。此外，这些配备 PEDF 系统的住宅通过 DC/DC 转换器（详见“第二章 C 节 3.f 项”）相互连接，形成大型社区。由此可最大化利用 PEDF 系统资源（如光伏板和蓄电池），使该社区具备远超单户住宅的电力调节能力。此类住宅可为城乡地区提供新型能源供需模式。由于住宅建筑（主要是公寓）外部安装光伏的表面积有限，大多数光伏发电装置无法满足城市家庭用电需求。在此情况下，住宅成为电网的灵活负荷，可遵循用电指令运行。此外，农村住宅周边拥有更广阔的光伏安装空间，如农舍屋顶、畜禽棚、荒地及鱼塘（即浮式光伏）。同时，农村住宅建筑的用电量低于城市地区。因此，配备更大规模光伏发电的住宅可根据调度指令向电网输送富余电力。

V. 结论

面向碳中和社会，高比例可再生能源渗透的未来电网需要具备灵活性的需求侧以应对间歇性供给。本文提出一种建筑通用配电系统——PEDF 系统——作为需求侧解决方案。PEDF 将分布式光伏、储能（含 TES 与 VES）与直流配电系统集成于建筑内，并通过基于可变直流母线电压的分布式控制策略实现能源灵活性。本文选取近年代表性研究回顾关键技术、分析研究重点，并总结主要挑战与未来机遇。结果表明，若通过 PEDF 充分挖掘建筑灵活潜力，建筑不仅可自用分布式太阳能，还可有效利用来自集中式风光电站的可再生电力。然而，工程落地的瓶颈仍在于建筑与电力系统之间的交互机制，亟需进一步理论研究与工程实践。最后，本文给出办公楼、办公房间 + EV、住宅三类真实应用案例，现场测试表明其可跟随电网运营方用电指令。因此，PEDF 有助于电网脱碳背景下的可再生能源大规模消纳。总体而言，PEDF 不只是建筑低压配电系统，更可能推动电网输配电策略从“自上而下”向“自下而上”转变。其进一步发展需要跨学科紧密协作，包括建筑学、建筑技术、电气与电子工程、计算机科学与机械工程等。

致谢
作者谨向深圳建筑科学研究院有限公司、清华大学建筑能源研究中心及珠海格力电器股份有限公司致谢，感谢其为 PEDF 系统的示范应用提供支持。同时感谢麻省理工学院阮广春博士与清华大学肖益康先生对本文的审阅与宝贵意见。