《Buildings》：Photovoltaics, Storage, Direct Current, and Flexibility in Building Energy Systems: A Review of Technologies, Coordination, and Grid Interaction
建筑正日益需要容纳分布式可再生能源发电，同时提供灵活需求并支撑电力系统运行。然而，现有综述文献在光伏（PV）系统、储能、直流（DC）配电、建筑能源灵活性和能源管理研究方面仍呈碎片化。本综述以光伏、储能、直流和灵活性（PSDF）作为以建筑为中心的分析框架，综合在多样术语下开展的国际研究。遵循基于PRISMA（Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses）的筛选流程，所选文献通过文献计量和主题综合进行分析。文献通过三层框架组织，包括组件技术、协调机制和交互/应用路径。综述表明，光伏和常规电池储能在建筑尺度相对成熟，而直流系统标准化、保护、可互操作变流器以及可扩展灵活负荷集成仍是重要工程障碍。需求侧管理（DSM）、需求响应（DR）和能源管理系统（EMS）被识别为将物理灵活性转化为经济、运行和电网支撑服务的协调层。在应用层面，协调建筑可促进可再生能源自消费、峰值管理、电压调节、韧性和社区能源共享，尽管所报道的定量收益强烈依赖于案例。未来研究应优先关注可互操作且安全导向的直流架构、不确定性感知和网络韧性协调、生命周期和多目标评估、以使用者（occupant）为中心的灵活性，以及从单体建筑示范到建筑—社区—电网应用的验证。这些发现将PSDF定位为灵活且电网交互建筑能源系统的集成框架，而非四种技术的固定组合。
1. Introduction（引言）
论文指出城市化、气候变暖与终端电气化提高建筑峰值电力和制冷能耗，分布式可再生能源扩张要求建筑从能效导向转向与本地发电和电网自适应交互。PSDF建筑整合建筑光伏（PV）、分布式储能（S）、直流（DC）配电和灵活需求/负荷（F），将建筑转为可控能源节点。国际术语涉及直流微电网、虚拟电厂（VPP）、点对点（P2P）交易、家庭能源管理系统和能源社区等；本综述将PSDF作为集成分析框架，弥补技术、灵活性、控制和架构视角的碎片化，并建立多层分类与跨域综合。
2. Materials and Methods（材料与方法）
2.1 Review Materials, Search Strategy, and Study Selection（综述材料、检索策略与研究选择）
因PSDF/PEDF术语不一致，研究聚焦四个核心功能域，检索2010年至2026年7月文献，以Web of Science为主，补充ScienceDirect、Google Scholar、CNKI和Wanfang。按PRISMA流程筛选，排除重复、会议论文和综述，最终纳入184篇出版物。纳入标准为至少涉及一个PSDF功能域或建筑/社区能源系统中的DSM/DR/EMS协调，并具足够方法、运行或应用信息。
2.2 Bibliometric Analysis and Thematic Synthesis（文献计量分析与主题综合）
利用CiteSpace进行关键词共现和聚类，形成知识结构，并归并为能源管理与协调、能源资源与灵活负荷、电网架构与功率变换三个知识组。前者包括家庭能源管理、需求侧管理（DSM）、模型预测控制（MPC）、分布式能源资源和能源灵活性；中者包括可再生能源、储能、热泵和碳相关性能；后者包括智能电网、直流、DC-DC变换器和单级变换系统等。该分析为组件、协调、交互/应用三层框架提供依据。
3. Component Technologies of Integrated PSDF Building Energy Systems（集成PSDF建筑能源系统的组件技术）
3.1 Photovoltaic (PV) Systems（光伏系统）
完整PV系统包括组件阵列、逆变器、并网开关柜和电缆。建筑安装光伏（BMPV）可将建筑表面转为本地可再生能源发电区域，但PV出力受天气影响且可能与需求不匹配，设计需兼顾发电性能和供需时间匹配。研究采用随机优化、典型日聚类、不确定性容量规划、PV-热泵-储能动态系统、双分辨率调度、日前优化与实时自适应控制等。PV在建筑尺度较成熟，主要挑战从发电转向系统集成，高渗透下其价值更依赖储能、灵活需求和电网感知控制。
3.2 Energy Storage Systems (ESS)（储能系统）
3.2.1 Building Energy Storage Technology（建筑储能技术）
电池储能系统（BESS）可跨时间转移多余电力、平抑功率波动并支持PV主导建筑能量管理；其价值取决于服务、运行策略、电池退化和资源交互。高成本仍是障碍，退化感知运行可降低生命周期成本和改善经济性，研究涉及放电深度、长期调度、电池均衡和随机技术经济优化。
3.2.2 Photovoltaic-Energy Storage Systems (PV-ESS)（光伏-储能系统）
PV-ESS通过容量配置、调度和技术集成提高效率、经济性和稳定性。研究涵盖电/热储能、热泵、相变材料、电动汽车（EV）电池和热水与PV组合；经济性对电价结构、储能规模、退化和控制策略敏感。储能功能包括自消费导向、电网支撑、韧性和DSM导向，不能以单一指标评价，因为循环增加可能与电池寿命和生命周期成本冲突。
3.3 Direct Current (DC) Distribution Systems（直流配电系统）
DC配电相对交流（AC）可减少重复AC/DC变换，在PV、储能、电力电子接口和DC原生负荷集成建筑中有优势；收益取决于拓扑、电压等级、变换器效率和可直接由DC母线供电的负荷比例。
3.3.1 Comparison with Traditional AC Systems（与传统交流系统比较）
通过减少变换级数，DC可在特定配置下提高效率并降低变换损耗，其优势在大量发电、储能和终端为DC耦合时最显著。额外变换器、混合AC/DC负荷、不合适电压或不高效接口会削弱优势，因此AC/DC比较应结合实际建筑拓扑和设备配置。
3.3.2 DC Loads and Device-Level Integration（直流负荷与设备级集成）
LED照明、电子设备、部分电机驱动设备等DC负荷可减少AC-DC转换，但设备级集成受非统一接口、电压兼容、设备可用性和可靠双向电力电子变换器制约。
3.3.3 Operating Modes and Engineering Barriers（运行模式与工程障碍）
DC微电网可并网、孤岛或混合运行。并网需协调DC/AC变换控制维持DC母线电压和管理双向功率；故障或停电时孤岛运行需快速潮流重构和关键负荷优先供应。工程障碍包括标准化、保护、故障隔离、接地、变换器互操作与可靠性。
3.4 Flexible Loads and Demand-Side Flexibility（灵活负荷与需求侧灵活性）
灵活负荷是PSDF需求侧组件，通过平移、削减或调节用电维持建筑服务。热控负荷和热储能利用建筑热惯性，可在不立即违反舒适约束下短时改变电需求；热泵、PV直驱空调、相变热存储和PV-热泵协调是例证。EV和其他可调度负荷提供另一类灵活性，但受出行需求、荷电状态、用户日程和充电设施约束。物理灵活性与可用灵活性应区分，转化为可靠服务需要预测、用户参与、控制策略和经济激励。
3.5 Component-Level Synthesis（组件层综合）
组件技术成熟度不同：PV和常规电池储能在建筑尺度相对成熟，但不确定性、退化、容量配置和协调运行仍重要；DC配电可减少变换级数并耦合DC原生资源，但大规模采用依赖标准、保护、可互操作变换器和兼容终端设备；灵活负荷调节潜力大，实际可用性取决于建筑服务约束和用户行为。PSDF价值不源于独立安装P、S、D、F，而源于用储能和灵活需求缓解PV波动、在可显著减少变换和集成损耗处应用DC，并将建筑能源节点与配电网协调。
4. Demand-Side Management Strategies in PSDF Systems（PSDF系统中的需求侧管理策略）
4.1 Techno-Economic DSM Strategies（技术经济DSM策略）
DSM影响PSDF技术经济设计，可优化配置、避免不必要投资并缩短回收期。研究涉及住宅分布式PV（RDPV）与EV充电、车辆到家庭（V2H）和灵活负荷需求响应（DR）集成容量规划，双层优化与聚类优化容量分配和调度，热存储罐充放策略，动态自学习电网响应，基于生命周期成本的混合整数线性规划（MILP）模型，以及分时电价（TOU）、实时电价（RTP）、配电节点边际电价（DLMP）、P2P交易和辅助服务。收益受建筑类型、系统边界、电价、基线和优化目标影响，应作为研究特定结果而非直接可比基准。
4.2 Control-Based DSM Strategies（基于控制的DSM策略）
先进控制增强DR能力。研究采用Bald Eagle Search（BES）、MINFO、MILP与模糊逻辑、动态负荷控制、模糊逻辑与MPC及非线性优化等。家庭负荷按DR灵活性分为热控负荷（TCL）如空调（AC）和电热水器（EWH）、可平移负荷如洗衣机和洗碗机、刚性负荷。协调TCL、EV、电池等可提高PV-负荷匹配、降低峰值电网依赖并支撑建筑-电网运行。DSM性能本质多目标，涉及运行成本、峰均比（PAR）、PV自消费或实时匹配、变压器老化、电网依赖和热舒适；更复杂优化增加对预测、设备可控性和运行数据依赖。
4.3 User-Centered and Behavioral DSM Strategies（以用户为中心和行为DSM策略）
用户日益成为主动市场参与者。用户侧DSM依据舒适偏好、动态参与意愿和实际需求实施DR。研究采用模糊逻辑与支持向量机-粒子群优化（SVM-PSO）、恒温器调整和负荷平移、深度强化学习（DRL）家庭能源管理系统、分布式直流能源系统与DRL、二进制粒子群优化（BPSO）、联邦强化学习（FRL）等，在保持满意度下降低电费、提高PV自消费、减少电池依赖和降低PAR。激励、非合作博弈、隐私感知随机优化、教学学习优化（TLBO）、交互能源（TE）等用于协调隐私、舒适和电网要求。技术可用灵活性不会自动转化为可用DSM灵活性，取决于使用者（occupant）舒适约束、参与意愿、价格或激励响应及隐私公平处理。
5. Interaction and Application of PSDF Systems（PSDF系统的交互与应用）
5.1 Smart Communities and Building-Grid Interaction（智慧社区与建筑-电网交互）
能源社区等分布式能源系统研究探索用户赋能、本地消费和系统灵活性。社区共享储能相比个体电池可降低年电力输出并平衡输出时段。智慧社区中P2P市场、混合HACO-GA、多利益相关者两阶段调度、乡村微电网EMS、基于支路潮流的混合整数非线性规划（MINLP）、EV智能充电等被研究。建筑集群协调可降低峰值需求，DC配电在住宅案例中比AC降低转换损耗；模型预测控制（MPC）协调PV、储能、EV和热泵可实现峰值削减。车辆到电网（V2G）、共享储能、能源信用机制、VPP和碳/绿证交易被用于聚合层协调。社区尺度PSDF应从建筑侧目标（成本、舒适、自消费、资产使用）和配电网目标（峰值管理、电压质量、潮流协调、额外分布式资源接纳）共同评价。
5.2 Resilience and Emergency Operation（韧性与应急运行）
极端天气和长时间停电暴露集中供应或单一备用资源局限。PV-储能系统、建筑或社区微电网用于关键负荷可靠供能。研究包括基于停电概率的可靠性价值模型、柴油发电机与PV-储能微电网韧性价值、医院电-热微电网MILP优化、住宅能源管理DR参与率、医院微电网长时间供电、EV电池剩余能量预测与负荷优先级。PSDF韧性潜力在于在同一建筑中心架构中结合本地PV和储能自主供应、DC减少变换级数、灵活负荷优先或削减、EV移动或双向存储；不应解释为必然优于常规PV-储能微电网。
5.3 Integration with Intelligent and Digital Technologies（智能与数字技术集成）
智能数字技术通过改进预测、实时决策和分布式资源管理提供协调机制。强化学习用于建筑能量管理并保持舒适；数字孪生（DT）与边缘计算、LSTM预测PV、EV到达和负荷；自适应估计架构用于表后PV；马尔可夫决策过程（MDP）、多智能体强化学习（MARL）、动态电价和电池荷电状态（SOC）的DR、人工神经网络优化热泵-锅炉；软演员-评论家（SAC）、实时DRL调度、多智能体深度确定性策略梯度（MADDPG）电网边缘控制器等。智能技术主要作用为预测不确定性、优化多设备调度和DR、通过代理或电网边缘决策协调分布式资源。但收益依赖基线、数据、假设和控制时域；实际部署的数据质量、泛化、通信可靠性、互操作、网络安全和可解释性仍待加强。
5.4 Policy and Deployment Framework（政策与部署框架）
高效灵活建筑日益成为消纳分布式能源的平台。国际能源署指出能效政策从单一节能转向电气化、需求侧灵活性和系统协调。欧盟推动建筑效率、光伏就绪和智能改造，新加坡未来电网能力路线图推进V2G、储能、数字化和社区尺度灵活性试点。PSDF视角下，政策应解决四种组件技术接口而非独立推广；建筑与PV要求、储能和EV规则、DR和聚合机制、技术标准影响DC设备、变换器、EMS平台与外部电网互操作。
6. Challenges and Future Research Priorities（挑战与未来研究优先方向）
6.1 Challenges（挑战）
挑战包括：可再生发电不确定性和电网交互，高PV渗透增加燃气机组启停、降低效率并需储能平衡；住宅PV-储能在停电时只能满足部分冷热负荷；运行模式和负荷曲线不确定性导致PV最优容量偏差。DC配电大规模部署依赖工程标准化和互操作设备；PV间歇和局部遮挡导致非线性，DC母线电压对源-荷不平衡敏感；季节错配、电压越限和网损；保护协调、故障隔离、接地、变换器互操作和可靠性需建筑尺度验证。多资源协调复杂，需不确定性感知和多时间尺度调度；数字连接增加对数据质量、预测、通信和计算依赖，网络安全、隐私和故障安全需作为设计约束。经济性能、资产退化、用户要求和电网服务可能冲突；EV提供移动存储但需平衡成本、退化、出行和可靠性；V2G增加循环可能加速退化；DSM中成本、可再生利用、舒适、隐私、参与难以同时优化。从建筑到社区和配电网扩展引入互操作、治理和评价挑战；缺乏一致系统边界、基准数据集和通用灵活性或韧性指标。
6.2 Future Research Priorities（未来研究优先方向）
优先方向：建立可互操作且安全导向的DC建筑架构，验证电压等级、设备接口、变换器要求、保护协调、故障隔离和接地。发展不确定性感知、多时间尺度、网络韧性协调，联合表示短期PV和负荷波动、热动态、EV移动性、储能状态、电价和长期容量决策。将退化、生命周期成本、碳、舒适和韧性纳入共同多目标评估框架，并一致报告系统边界、基线、气候、电价和评价时域。强化以使用者（occupant）为中心且市场兼容的灵活性，将参与建模为动态约束。从孤立示范转向可扩展建筑-社区-电网验证，考虑电压调节、反向潮流、承载容量、峰值管理、韧性和本地能源共享，并推动政策与市场设计同步演进。
7. Conclusions（结论）
综述通过建筑为中心的多层框架连接组件技术、DSM/EMS协调和建筑-电网交互。主要结论：PSDF价值来自功能耦合与外部电网协调，而非孤立技术；PV和常规电池储能较成熟，DC标准化、互操作控制和灵活负荷可扩展集成较不成熟。技术工程上，PV和储能提高本地可再生利用和韧性，DC在足够DC耦合比例下减少变换级数，但收益取决于变换器效率、电压、保护、设备兼容和系统配置；灵活负荷可用性受舒适、移动性、任务和用户参与约束；DSM/DR/EMS将物理灵活性转化为经济、运行和电网支撑服务，存在成本、自消费、退化、舒适、隐私和韧性权衡。建筑-电网应用上，协调建筑可作为电网交互节点，社区能源共享、共享储能、EV/V2G和协调灵活负荷可贡献峰值管理、电压调节、反向潮流缓解、本地能量平衡和应急运行；但证据强烈依赖案例。未来需可互操作安全DC架构、不确定性感知多时间尺度网络韧性协调、生命周期多目标评估、以使用者为中心市场兼容灵活性、从单体到建筑-社区-电网验证。总体PSDF应视为集成框架而非四种技术固定组合。
