劉自春

（中規(guī)院（北京）規(guī)劃設(shè)計(jì)公司 北京市 100044）

在19世紀(jì)末的“交直流大戰(zhàn)”中，由于直流電在輸送容量和輸送距離等方面的劣勢(shì)，以交流電的勝利而告終。當(dāng)前，并網(wǎng)發(fā)電的微電網(wǎng)也是以交流微電網(wǎng)為主，隨著分布式能源的發(fā)展，以及電腦、手機(jī)、LED 照明等直流民用負(fù)荷的逐年增加，交流微電網(wǎng)的供電投資成本大幅增加，分布式能源接入時(shí)帶來的諧振和諧波等影響還沒有完全解決，系統(tǒng)的可靠性問題日漸凸顯。采用直流方式組織電源、儲(chǔ)能、負(fù)載及監(jiān)控裝置構(gòu)成的直流微電網(wǎng)逐漸成為民用供配電領(lǐng)域的一種重要模式。本文簡(jiǎn)要介紹直流微電網(wǎng)的應(yīng)用過程，通過分析民用建筑的負(fù)荷特征，制定相應(yīng)的直流微電網(wǎng)的配置方案。

1 直流配電的應(yīng)用情況

直流配電在工業(yè)領(lǐng)域早已應(yīng)用非常廣泛，冶金、化工、紡織和半導(dǎo)體等工業(yè)生產(chǎn)線，因?yàn)榇罅渴褂米冾l電機(jī)，通常采用公共整流單元加公共直流母線系統(tǒng)為多個(gè)逆變器進(jìn)行供電和控制，由于工況不同，生產(chǎn)線的變頻電機(jī)會(huì)分別工作在電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電狀態(tài)的電機(jī)可以將能量回饋到公共直流母線系統(tǒng)，節(jié)能效果顯著。以某冶金軋鋼生產(chǎn)線為例，該套公共直流母線系統(tǒng)包括整流器、逆變器、制動(dòng)單元、輸入輸出電抗器和自耦變壓器等主要元件，整套系統(tǒng)能夠精確調(diào)速的同時(shí)，將再生能量有效回收利用，運(yùn)行穩(wěn)定。

冶金生產(chǎn)線660V 公共直流母線系統(tǒng)如圖1所示。

直流配電在民用建筑也有著廣泛的應(yīng)用，比如變電站的直流屏系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的48V 直流系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心336V 直流系統(tǒng)、智能直流照明調(diào)光系統(tǒng)、消防應(yīng)急照明系統(tǒng)以及結(jié)合分布式電源及用戶儲(chǔ)能的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)等。

2 民用建筑的負(fù)荷分析

雖然直流配電在各個(gè)領(lǐng)域都已得到應(yīng)用，但是在民用建筑領(lǐng)域還遠(yuǎn)未得到普及。民用建筑按使用功能可分為居住建筑和公共建筑兩大類，依據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版的表1.4-3 可知，民用建筑主要用電設(shè)備包括：照明、空調(diào)、風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等，同時(shí)居住建筑和公共建筑由于使用功能不同還會(huì)分別設(shè)置家用電器和辦公電器等。

圖1：冶金生產(chǎn)線660V 公共直流母線系統(tǒng)

表1：民用建筑負(fù)荷供電電壓統(tǒng)計(jì)表

圖2：直流微電網(wǎng)典型雙層母線結(jié)構(gòu)

圖3：直流微電網(wǎng)接地方式

由表1可見，隨著LED 照明和變頻技術(shù)的發(fā)展，民用建筑負(fù)荷中直接或間接采用直流供電的負(fù)荷比重越來越大。許多用電設(shè)備為了適應(yīng)交流電，只能在電源部分增加整流、濾波等電路，不僅成本增加，而且效率也被降低。

3 直流微電網(wǎng)的母線結(jié)構(gòu)

直流微電網(wǎng)的電壓等級(jí)目前還沒有統(tǒng)一，目前常用的電壓選擇有：低壓：1.5kV、0.75kV、0.4kV、0.22kV 等。特低電壓：96V、72V、60V、48V、36V、24V、12V 等。

根據(jù)電壓等級(jí)，通常直流微電網(wǎng)母線構(gòu)成形式可以分為單母線結(jié)構(gòu)、雙層式母線結(jié)構(gòu)、雙母線結(jié)構(gòu)和冗余式母線結(jié)構(gòu)。其中雙層式母線結(jié)構(gòu)是指直流微電網(wǎng)中含有兩個(gè)直流母線電壓等級(jí)，用變換器將高壓直流母線電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓，具有安全性高、體積小、電壓等級(jí)多等優(yōu)點(diǎn)。

以圖2為例，雙層式母線結(jié)構(gòu)形式的第一層母線電壓較高（如DC400V 或DC380V 等），第二層母線電壓較低（如DC48V 或DC24V 等），滿足實(shí)際工程中直流負(fù)荷多種電壓等級(jí)的需求，同時(shí)滿足小部分交流負(fù)荷配電的需求，是目前在民用建筑領(lǐng)域應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)形式。

4 直流微電網(wǎng)的控制方式

直流微電網(wǎng)的控制方式主要是通過設(shè)備級(jí)控制和系統(tǒng)級(jí)控制來實(shí)現(xiàn)基于無互聯(lián)通信和有互聯(lián)通信的運(yùn)行控制技術(shù)，其中設(shè)備級(jí)控制主要控制目標(biāo)是維持直流母線電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡，保證直流穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)級(jí)控制主要目的是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行集中管理和能量?jī)?yōu)化，提升整體運(yùn)行效率和可靠性，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)運(yùn)行。

基于無互聯(lián)通信的直流微電網(wǎng)運(yùn)行控制是通過檢測(cè)直流微電網(wǎng)母線電壓的變化量，來決定各自運(yùn)行和控制模式，并保證任一時(shí)刻中均至少有一個(gè)變流器控制直流母線電壓以保證微電網(wǎng)內(nèi)的功率平衡。

基于互聯(lián)通信的直流微電網(wǎng)分層運(yùn)行控制技術(shù)一般分為三個(gè)層級(jí)，第一層級(jí)屬于設(shè)備級(jí)控制，第二、三層級(jí)屬于系統(tǒng)級(jí)控制。第一層控制包括：直流母線電壓、交直流互聯(lián)功率、交直流負(fù)荷電壓等控制；第二層控制包括：功率/能量分配、直流母線電壓二次調(diào)節(jié)、多運(yùn)行模式切換等控制；第三層控制為微電網(wǎng)能量運(yùn)行管理與最優(yōu)運(yùn)行控制。

5 直流微電網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)

直流微電網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)與接地方式密切相關(guān)，其接地方式對(duì)接地故障檢測(cè)、故障電流大小、人身與設(shè)備安全等有很大影響，同時(shí)也會(huì)影響保護(hù)方案配置。

根據(jù)IEC60364-1 對(duì)直流系統(tǒng)接地的定義，可分為TT、IT 和TN 3 種類型。如圖3所示。與交流電網(wǎng)類似，TN 系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，會(huì)有較大的故障電流和電壓暫變現(xiàn)象，容易被檢測(cè)到并快速清除，同時(shí)由于目前民用設(shè)備接地保護(hù)線與交流零線存在電位差限制，所以TN 接地方式應(yīng)用較為普遍。

熔斷器和斷路器是直流微電網(wǎng)中常見的保護(hù)設(shè)備，由于直流母線電容的存在，通常需要限流裝置與斷路器配合使用。對(duì)于直流微電網(wǎng)來說，快速進(jìn)行故障定位并利用保護(hù)設(shè)備快速開斷直流故障電流和隔離故障功能的設(shè)備對(duì)整個(gè)微電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行是非常重要的。目前快速準(zhǔn)確的進(jìn)行故障定位依然是直流微電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)研究的難點(diǎn)之一，所以配置直流微電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量減少線路分段、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，以降低?duì)保護(hù)配合的要求，從而保證系統(tǒng)的選擇性和可靠性。

6 結(jié)束語

目前交流系統(tǒng)仍是我國的主流供配電形式，交直流混合微電網(wǎng)將是微電網(wǎng)發(fā)展的主流，也將是適應(yīng)數(shù)字社會(huì)和智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。在民用建筑領(lǐng)域，由于負(fù)荷端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、故障定位與保護(hù)等問題的存在，直流微電網(wǎng)還不具備大規(guī)模應(yīng)用的條件，在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，依據(jù)負(fù)荷特點(diǎn)與交流電網(wǎng)混合使用，將是直流微電網(wǎng)的主要應(yīng)用方式。