楊將鐸, 張改景

(上海市建筑科學研究院有限公司, 上海 201108)

0 引 言

隨著新能源技術的發(fā)展和直流負載占比的逐漸提高,直流電應用從高中壓輸配電逐漸拓展到低壓微電網(wǎng)。直流配電在發(fā)電廠控制保護系統(tǒng)、各類交通工具配電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心和通信系統(tǒng)等方面應用較早,建筑內(nèi)低壓直流配電的應用是近年來各國在能源領域的研究熱點。建筑低壓直流配電具有高效率、方便接入儲能裝置和分布式電源(可再生能源)、更易兼容直流負載等特點,具有廣泛的應用前景[1]。直流系統(tǒng)的柔性能力也可以大幅緩解未來的電網(wǎng)與城鎮(zhèn)用電需求、土地、分布式能源的種種矛盾[2]。另外,低壓直流配電具有不同于交流配電的復雜性,分布式能源和負載的間歇性和可調(diào)整性使得系統(tǒng)控制很難形成固定邏輯,這不僅影響了標準的制訂,也延緩了實踐。

1 低壓直流建筑配電的關鍵點

本文在充分調(diào)研國外內(nèi)低壓直流配電的研究及工程實踐情況,重點開展了直流配電系統(tǒng)的實現(xiàn)方案研究,提出了電壓等級和電能質(zhì)量、綜合保護、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)魯棒性等方面的建議。

1.1 電壓等級和電能質(zhì)量

電壓等級的選擇應滿足安全性、經(jīng)濟性和適用性的要求,同時受負荷需求、供電能力、技術水平、電網(wǎng)現(xiàn)狀、建筑空間等因素的制約[3],且要參考標準的規(guī)定。如果是改造工程,交直流線路的電線電纜在結構上差別很小,當電纜能耐受相應的直流電壓時,交流線纜是能夠作為直流線纜繼續(xù)使用的。文獻[4-7]從多個角度分析,認為375～400 V等級的電壓適用于樓宇母線,另外也推薦220 V(±110 V)和48 V的電壓等級。文獻[8]從電擊防護、供電能力、改造成本等方面詳細列出了不同負荷下的電壓和導體選擇邏輯。文獻[9]進一步將工程實踐中的直流母線電壓推薦為375 V,可以兼顧電壓波動帶范圍、標識、電器通用性等問題;將特低電壓推薦為48 V,可以滿足50 W/m2配電功率密度下40～60 m2面積內(nèi)的小功率電器用電需求。最新申請的直流系統(tǒng)專利也較多明確采用375 V直流電壓,這已經(jīng)逐漸成為行業(yè)內(nèi)的共識。

相比于母線電壓的確定,更重要的是保證高質(zhì)量和連續(xù)的供電以及實現(xiàn)分布式能源和儲能之間的高效配合[10]。文獻[11]介紹了美國海軍應用的直流電壓接口標準和多層模糊評價模型等電能質(zhì)量評估方法。美國海軍375 V直流電能質(zhì)量標準如表1所示。南京國臣綠色樓宇直流配電系統(tǒng)中,光伏變換器采用具有精確限壓、限流及最大功率跟蹤點控制的方法,只通過一級DC/DC變換實現(xiàn)最大功率跟蹤控制(MPPT)條件下輸出的精確限壓及限流,在降低系統(tǒng)成本的同時,提高了系統(tǒng)的效率和可靠性[12]。母線結構本身對母線電壓和電能質(zhì)量也有影響,多源、電壓等級單一的母線電能質(zhì)量較高,對于普遍采用的分層母線結構[12-13],通常低壓端負荷占比不高,沒有進行特別處理。另外,濾波器、無功源(直流電容器)等輔助設備可以有效提升母線電能質(zhì)量,維持穩(wěn)定電壓。

表1 美國海軍375 V直流電能質(zhì)量標準

1.2 綜合保護

直流電路特征如下:直流電路的潮流變化具有雙向性;微電網(wǎng)內(nèi)阻抗小,設備保護動作閾值的整定較為困難,保護速度受限;大量分布式電源和負載多點接入,同一故障表現(xiàn)形式多樣,監(jiān)測和定位困難;短路電流較交流電路小;電流不過零點,滅弧困難;大量儲能元件,短路故障時儲能電容放電產(chǎn)生瞬時沖擊電流,斷路器承受較為陡峭的暫態(tài)恢復電壓。因此,直流故障保護成為阻礙低壓直流大規(guī)模應用“最后一千米”的突出挑戰(zhàn)[14]。低壓直流電路通常選擇被動保護和主動保護結合的方式進行綜合保護。

在被動保護方面,使用直流斷路器進行過電流保護,也要結合變換器和開關設備的自我保護能力,但是具有故障自清除能力的直流斷路器通常需要大范圍閉鎖換流器,甚至導致系統(tǒng)出現(xiàn)短時中斷供電。文獻[15]指出,過電流包括過負荷和短路,過負荷保護主要關注電流切斷的難點;短路故障需要考慮系統(tǒng)接地類型,不同接地系統(tǒng)下的短路故障影響不同,減小短路電流也很重要。文獻[16]對750 V(±375 V)電壓下3種接地形式(IT系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、TN系統(tǒng)[17])的特點和適用性進行了說明。其中IT(高阻)接地方式的應用難度和風險最小,配合絕緣監(jiān)測手段,能夠更好地滿足低壓直流配電系統(tǒng)安全性方面的要求。對于僅需要進行過流、人身電擊與接地故障、暫態(tài)過壓、用電設備的操作與隔離等防護的簡單直流電路,被動保護可以保障基本安全[18],但是要保證做好防雷措施。另外,文獻[19]基于工程實踐基礎,按照被保護對象對低壓直流保護裝置進行了總結和分類。

對于較為復雜的直流系統(tǒng),主動保護必不可少,旨在定位和中斷低壓直流網(wǎng)絡上的輕微故障,以避免整個系統(tǒng)的停擺。文獻[20]提出了一種故障檢測的方案,能夠實現(xiàn)亞毫秒級的定位和保護。由于當前對物聯(lián)網(wǎng)遠程斷路器的研發(fā)能力不足,也可以采用集中柜(多個)的方式對每一路饋線進行集中控制[21]。

1.3 系統(tǒng)控制

系統(tǒng)控制要在電路保護的基礎上關注可再生能源的經(jīng)濟價值和社會效益。低壓直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制分為三級,不僅要照顧微電網(wǎng)內(nèi)各項參數(shù)的穩(wěn)定,還要考慮與上游交流電網(wǎng)的銜接以及運行模式的經(jīng)濟性。低壓直流微電網(wǎng)系統(tǒng)分級控制如圖1所示。

圖1 低壓直流微電網(wǎng)系統(tǒng)分級控制

文獻[22]根據(jù)上海市電價標準和用電特征,分析了建立直流微電網(wǎng)的可行性。在投入和運維過程中,硬件消耗是系統(tǒng)成本的關鍵影響因素,而良好的系統(tǒng)控制有助于減少硬件消耗。從整體考慮,低壓直流微電網(wǎng)控制可以從4個方面體現(xiàn)優(yōu)勢。低壓直流微電網(wǎng)系統(tǒng)級控制關注點如表2所示。

表2 低壓直流微電網(wǎng)系統(tǒng)級控制關注點

1.4 系統(tǒng)魯棒性

目前,低壓直流微電網(wǎng)普遍處于探索階段,系統(tǒng)魯棒性(系統(tǒng)健壯性)的重要程度還是大于經(jīng)濟性。在微電網(wǎng)控制模塊中,應賦予低電勢監(jiān)測控制模塊和圖1所示的直流微電網(wǎng)物理層監(jiān)測控制模塊(即控制末端)更高的處理權限,先處理,后匯報,特別是針對危險性高或高頻發(fā)生的事件。在控制末端,還要盡量保證末端職責的明確性和單一性,邏輯簡單,超出閾值便完成規(guī)定動作,且不允許從軟件層面更改。在電路系統(tǒng)中,電源和負載適當增加并行設備,能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,特別是在母線增加無功微源(電容等),能提升電能質(zhì)量,降低控制分析復雜度。在電路關鍵環(huán)節(jié)增加冗余,可以提高可靠性,冗余部件可以替代失效部件并且?guī)椭鷻z測錯誤。另外,模塊化設計可以降低系統(tǒng)的更新難度,這包括分類電路和分區(qū)域電路的自成體系。

2 問題分析

通過對近年來國內(nèi)外學者的低壓直流配電研究成果分析,可以看到我國在電壓等級、綜合保護、系統(tǒng)控制等方面有了初步研究成果,但直流建筑還存在以下待研究問題。

(1)缺乏實踐經(jīng)驗和總結。低壓直流配電目前仍處于起步階段,缺乏歷史數(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗,在標準和設計規(guī)范方面不完善。例如,IEC對低壓直流配電的研究處于第二階段,仍未完成系統(tǒng)層面的標準化工作;我國《民用建筑低壓直流配電設計導則》等規(guī)范尚未完成。

(2)針對系統(tǒng)的研究還需深入。來自系統(tǒng)層面的影響較多,等效網(wǎng)絡模型和分析工具仍待深化。例如,如何針對樓宇各種特性選擇合適的電壓等級;直流電路有多種類型,負載、電力電子設備和電源各有特殊阻抗;電能質(zhì)量必須納入考量;電路與上下游直流或交流系統(tǒng)的兼容性不可忽視等。

(3)電路保護、安全問題以及電磁兼容問題需要深入探討。例如,直流電對人體生理的影響要考慮在內(nèi),直流電弧不能自動熄滅,會增加火災風險,過電壓現(xiàn)象必須加以量化,導體和絕緣層對直流電及瞬態(tài)的耐受力非常重要。而且,市場上幾乎沒有現(xiàn)成的直流負載設備,因此用電設備需要改造,當涉及到驗證、維護、生命周期和可持續(xù)性時,這就帶來高度的復雜性,要考慮系統(tǒng)壽命問題。

(4)375 V是目前針對直流的較好電壓,但與當前常用的220 V有一定差別,而行業(yè)目前的重要攻關方向之一就是“探索交直流220 V通用設備研究”。

3 結 語

低壓直流配電是一種比交流配電更高效的系統(tǒng),為我國的建筑業(yè)發(fā)展注入新技術,將引領我國建筑領域技術一次新的革新浪潮。本文對我國直流建筑研究成果的梳理、分析,將為低壓直流配電技術在我國建筑業(yè)的研究、發(fā)展和應用提供支撐。隨著各類標準的更新和工程實踐經(jīng)驗的不斷積累,直流建筑會在未來占據(jù)一席之地。