鄭俊雅, 王淑艷

[1.上海電器科學(xué)研究院, 上海 200063;2.上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司, 上海 200063]

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,能源消耗量和溫室氣體排放量迅速增長,“溫室地球”時代提速來臨,全球面臨著嚴(yán)峻的碳排放壓力。目前,國內(nèi)建筑總能耗已經(jīng)占到全國能耗總量的30%以上。隨著城市化建設(shè)步伐的加快,我國建筑能耗將出現(xiàn)快速增長的態(tài)勢。因此,我國建筑領(lǐng)域在能效提升上潛力巨大。目前大力發(fā)展可再生能源是我國改善環(huán)境、促進社會可持續(xù)發(fā)展的最重要、最有效的舉措。各類新型可再生能源(風(fēng)、光、儲)等的大量采用已經(jīng)成為現(xiàn)代智慧建筑的必然趨勢。

目前,智能建筑領(lǐng)域中關(guān)于采用直流配電的呼聲快速增長,專家提出在智能型的商業(yè)和住宅建筑樓宇中采用直流(DC)電力系統(tǒng)可能比交流(AC)系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢,通過直流母線可以有效地將光伏、儲能等分布式電源融合起來并進行協(xié)調(diào)控制,同時又能對直流負(fù)荷直接供電,減少交直流能源轉(zhuǎn)換中的損耗。直流供電系統(tǒng)更能適應(yīng)現(xiàn)代建筑對電力能源的需求和未來負(fù)荷的發(fā)展特點,滿足綠色、高效、可持續(xù)性的要求,從而可能建設(shè)更安全、更可靠、更節(jié)能的智能建筑。因此直流建筑研究和建設(shè)已經(jīng)成為當(dāng)前智慧建筑供電技術(shù)的熱點話題。

本文介紹了建筑直流配電系統(tǒng)的需求、國家政策支持、直流建筑系統(tǒng)上下游技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、前景和關(guān)鍵技術(shù)攻克,并結(jié)合實際案例,對業(yè)內(nèi)關(guān)注的直流建筑的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定、直流配電設(shè)備開發(fā)、技術(shù)集成示范、屋頂光伏設(shè)備、關(guān)鍵直流電器研制、標(biāo)準(zhǔn)接口開發(fā)和系統(tǒng)優(yōu)化仿真等進行了分析。

1 建筑直流供配電系統(tǒng)產(chǎn)生的背景和意義

推動建筑物不斷邁向近零能耗乃至零能耗,已發(fā)展為國際趨勢。美國綠色建筑協(xié)會正在將直流系統(tǒng)納入綠色建筑評估體系。要求至少在1個主要能源系統(tǒng)中,95%的用能負(fù)荷是利用中央直流電源(如光伏系統(tǒng)、燃料電池、共享式直流電供應(yīng)或蓄電池)驅(qū)動的。這一措施的施行將有效促進建筑設(shè)計過程中光伏的裝設(shè)和直流電的使用,進一步發(fā)展和推廣直流建筑[1]。

據(jù)統(tǒng)計分析,我國建筑負(fù)荷中最終使用直流電的負(fù)荷占據(jù)很大比重。目前,這類負(fù)荷均通過交流電整流(AC/DC)后使用,如計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、LED照明設(shè)備、汽車充電、LED大屏、數(shù)據(jù)中心、電腦、手機等設(shè)備,這些設(shè)備的用電約占總用電量的50%;用能較大的電機負(fù)荷(水泵、空調(diào)、制冷等)也大都采用變頻技術(shù),即交流-直流-變化的交流(AC-DC-AC)的形式進行電機起動和運轉(zhuǎn),約占負(fù)荷總用電量的30%;特別是隨著現(xiàn)代建筑設(shè)計中大量采用分布式能源(光伏、儲能等)裝置后,通過逆變技術(shù)(DC/AC)將分布式直流能源與交流配電共存,故引發(fā)了人們對建筑直流供電的研究。

直流建筑的優(yōu)勢主要有2方面:① 目前在用電器設(shè)備絕大多數(shù)都可以進行直流供電,但為了適應(yīng)交流電,新型照明設(shè)備、家用電器、辦公電器、空調(diào)設(shè)備等設(shè)備都通過在電源部分增加整流電路、濾波電路的方式,將交流電轉(zhuǎn)化成直流電,大大提高使用成本。如果使用直流配電系統(tǒng)供電,在能效提升上潛力巨大。② 現(xiàn)代建筑中廣泛采用新能源光伏發(fā)電、儲能技術(shù)、充電樁等進行配套設(shè)計,原本要通過整流裝置/逆變裝置變換后使用或并入交流配電系統(tǒng),損耗非常大,而直流配電系統(tǒng)非常適合這些技術(shù)的直接接入。

相對傳統(tǒng)配電網(wǎng),建筑直流配電網(wǎng)優(yōu)勢顯著:能提高終端用電的安全性;提升能效;提高電能質(zhì)量;簡化家用電器電源接口。建筑交流/直流配電系統(tǒng)的優(yōu)劣勢對比如表1所示[2]。

表1 建筑交流/直流配電系統(tǒng)的優(yōu)劣勢對比

2 建筑直流供配電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 直流電壓標(biāo)準(zhǔn)的選擇

直流建筑中,直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值過低,將直接導(dǎo)致供電線路損耗增加、供電電纜變粗、施工難度加大以及成本增加等。若提高電壓值,過高的直流電壓會造成安全隱患,同時在絕緣/滅弧等方面會提出額外要求。在交流供電的情況下,產(chǎn)生的電弧會因交流電壓周期性過零而消失。但直流電能夠始終施加恒定電壓,不會熄滅電弧,就有可能引燃周圍的物體。如果僅考慮將交流線路改造為直流,由于電纜允許電壓為交流額定電壓的峰值,可選用交流額定電壓的峰值作為直流電壓標(biāo)準(zhǔn)。因此,如何設(shè)定合適的直流建筑供電電壓標(biāo)準(zhǔn)是需要不斷研究和探索的[3-4]。

目前,直流配網(wǎng)的電壓等級并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),如何選取需要從多方面考量,包括直流配網(wǎng)的供電范圍與供電容量、直流配網(wǎng)的成本造價、直流配網(wǎng)的絕緣開關(guān)設(shè)備的選取[5]。

直流建筑尚未大規(guī)模應(yīng)用,當(dāng)前國內(nèi)外直流供用電系統(tǒng)電壓等級的選取仍存在爭議,低壓直流標(biāo)準(zhǔn)電壓仍有爭論,低壓直流供用電系統(tǒng)的電壓等級范圍及標(biāo)準(zhǔn)需進一步研究[1]。

2.2 能源和儲能設(shè)備的優(yōu)化配置

考慮到直流建筑的經(jīng)濟性和可行性,應(yīng)對建筑接入的可再生能源、電網(wǎng)接口、儲能設(shè)備等容量進行優(yōu)化配置,針對建筑自身電力需求合理規(guī)劃。并且考慮到可再生能源的波動性、隨機性以及分布式發(fā)電的特點,原有的容量配置方法很難適應(yīng)新環(huán)境下的系統(tǒng)配置要求,需要對原有的規(guī)劃思路進一步研究和改進。

2.3 直流供電的安全運行和保護

直流供電系統(tǒng)的準(zhǔn)確故障判斷和定位是實現(xiàn)直流電網(wǎng)安全運行和保護的前提條件,也是直流電網(wǎng)領(lǐng)域的研究難點之一。尤其在直流建筑內(nèi),線路較短且中性點不接地時,故障定位分析的難度更大。因此需要在直流建筑內(nèi)配備高效的限流設(shè)備,在故障時限制電流的上升速率,在安全裝置動作前將故障電流限制在不過載的范圍內(nèi)。目前,直流系統(tǒng)的安全保護方案并不成熟,仍需進一步深入研究。

2.4 直流供電的協(xié)調(diào)控制策略

直流建筑內(nèi)供電能源種類多、特性不同,同時供電系統(tǒng)存在與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行、孤島運行、不同狀態(tài)的切換過程等多種運行狀態(tài),因此需要研究符合自身特點的運行控制技術(shù),才能應(yīng)對上述復(fù)雜的運行狀態(tài)。目前,直流系統(tǒng)主要采用主從控制方式、電壓下垂控制方式,通過設(shè)置上層控制器對直流建筑內(nèi)各電源和儲能裝置的換流器進行協(xié)調(diào)控制。另外,混合控制和自律分散控制等方式也受到關(guān)注。

3 建筑直流供配電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備

直流建筑內(nèi),對于微波爐、電磁爐等功率較大的負(fù)載設(shè)備,現(xiàn)有的直流開關(guān)、插頭等裝置無法安全快速地開斷直流電流,不能直接應(yīng)用于直流系統(tǒng)中。另外,直流系統(tǒng)中不存在電流過零點,給直流斷路器研制帶來較大困難。雖然市場上已經(jīng)有400 V以下的低壓直流斷路器投入應(yīng)用,但中高壓直流斷路器的研發(fā)應(yīng)用仍需要技術(shù)突破和創(chuàng)新。因此,需要對直流建筑的關(guān)鍵設(shè)備,包括大容量電力電子變流設(shè)備、直流斷路器、直流用電電器、有源電力濾波器(APF)和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR)等加強研究。

直流供電所要求的各類開關(guān)、繼電保護、計量等低壓電器器件與現(xiàn)在的交流電器系列已經(jīng)完全不同,其主要依靠電力電子技術(shù),通過固態(tài)半導(dǎo)體器件完成各項電路的控制與保護功能。故要研究開發(fā)新的系列開關(guān)、保護、 計量以及 DC-DC電壓變換等新器件。基于固態(tài)半導(dǎo)體器件所發(fā)展起來的新系列產(chǎn)品具有智能控制通信等功能,從而提升建筑內(nèi)配電與保護系統(tǒng)的智能化水平。

(1) 大容量電力電子變流設(shè)備。直流換流器是連接接口端的變換裝置,將各類電源和負(fù)荷接入直流母線并使其能穩(wěn)定運行。目前,隨著電力電子變流設(shè)備向大電流發(fā)展,用戶要求電源系統(tǒng)能提供大功率、高可靠性的電能,這種電源的輸出電流大,需要開發(fā)大容量電力電子變流設(shè)備[6]。

(2) 直流電表。開發(fā)新型智能直流電表,具有直流電能的計量、故障定位、控制保護功能,支撐智能調(diào)度決策與市場交易,是低壓直流供用電系統(tǒng)發(fā)展中極為重要的環(huán)節(jié)。目前直流計量的標(biāo)準(zhǔn)正在建設(shè)中,直流電表僅能實現(xiàn)雙向計量及數(shù)據(jù)傳輸功能,但物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起,對直流電表的智能化和綜合化提出了更高要求,直流電表的功能還需進-步擴充和完善。

(3) 直流斷路器。對于功率較大的負(fù)載設(shè)備,現(xiàn)有的直流開關(guān)插頭等裝置無法安全快速地分?jǐn)嘀绷麟娏?不能直接應(yīng)用于直流系統(tǒng)。由于直流系統(tǒng)中不存在電流過零點,給直流斷路器研制帶來了較大困難。雖然市場上已經(jīng)有400 V以下的低壓直流斷路器,但中/高電壓直流斷路器的研發(fā)應(yīng)用仍需要技術(shù)突破和創(chuàng)新[3]。

(4) 直流插座開關(guān)。對于低壓直流配電線路,在接合和斷開過程中存在著較大的電弧,其對開關(guān)有嚴(yán)格要求,然而現(xiàn)階段所使用的開關(guān)無法直接運用到這一過程中,因此加大該領(lǐng)域開發(fā),有助于加強直流配電網(wǎng)的發(fā)展。目前,市面上還沒有適用于商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的直流插頭和插座。直流插座中可采用電力電子開關(guān)和自動控制技術(shù),對電流、電壓及電弧建立暫態(tài)過程小信號模型,通過對小信號分析及試驗驗證來控制電弧,以確保插頭在充分接觸插座導(dǎo)電體前沒有電流或只有極小的電流流過,在插頭即將與插座分離時斷開供電,確保在此暫態(tài)過程中沒有電流。為了解決直流插頭和插座接觸時產(chǎn)生的電弧問題以及對電能進行有效地管理與調(diào)度,設(shè)計了多功能智能直流插座。該插座具有取電控制、開通/關(guān)斷、功率與電量測量、過流過壓保護及無線通信等功能,同時還具有在電力線路上傳輸數(shù)據(jù)的功能,這樣就無需另外增加數(shù)據(jù)傳輸電纜,既節(jié)約系統(tǒng)的布線成本,又提高系統(tǒng)的可靠性[7]。

(5) 直流用電電器。直流用電電器產(chǎn)品包括LED照明、各類變頻風(fēng)機水泵、空調(diào)、冰箱、洗衣機、炊事用電器等住宅建筑用電器,以及辦公類建筑所需要的中央空調(diào)相應(yīng)產(chǎn)品、電腦、服務(wù)器等。盡管這些產(chǎn)品改為直流供電從原理上并不困難,但仍需要分析各類產(chǎn)品的實際特征,確定統(tǒng)一的電壓等級標(biāo)準(zhǔn)、電源接口形式、產(chǎn)品安全防觸電方法等,實現(xiàn)交流向直流的過渡[5]。

(6) 戶用能源路由器。能源路由器的作用主要是將一定范圍內(nèi)的分布式電源和用戶負(fù)荷連接并集中調(diào)控,提升運行效率和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。戶用能源路由器將光儲一體機、戶用可控負(fù)荷結(jié)合在一起,使戶用能源路由器與公共電網(wǎng)處的潮流具有一定的可控性。戶用能量路由器可以大大提升戶用負(fù)荷的功率;采用交直流混合配電的供電方式,提升了戶用負(fù)荷的供電可靠性;具有光伏直流輸入接口,將多余的光伏能量逆變上網(wǎng),有效提升經(jīng)濟效益[8-9]。

戶用能源路由器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 能源路由器結(jié)構(gòu)示意圖

4 示范工程及典型應(yīng)用

目前,樓宇建筑是世界最大的能源用戶之一,其能耗占全球總能耗量40%左右。與交流供電相比,建筑直流供電以其強大的節(jié)能優(yōu)勢而具有廣闊的發(fā)展前景[10-11]。世界各國紛紛開展對建筑直流供電的研究,提出建筑直流供電方案和研究方向。

4.1 歐洲建筑直流供電研究

根據(jù)歐盟規(guī)定,2020年之后建造的樓宇必須是超低能耗建筑,其電力需求的主要部分必須使用可再生能源進行現(xiàn)場生產(chǎn)。由西門子中央研究院領(lǐng)導(dǎo)的DCC+G項目,旨在建立一個優(yōu)化的380 V直流電網(wǎng)絡(luò)。該項目以一棟辦公樓和一家大型超市為樣本,期望每個樣本中都能實現(xiàn)5%的能源節(jié)省。目前正在研究用于高效控制元件的新半導(dǎo)體技術(shù)、用于網(wǎng)絡(luò)保護的交換系統(tǒng)和用作傳統(tǒng)二次配電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定接口的整流器,以及用于直流電網(wǎng)絡(luò)中最佳能量分布的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和能源管理系統(tǒng)。

4.2 美國建筑直流供電研究

2007年,美國弗吉尼亞理工大學(xué)CPES中心提出了“Sustainable Building Initiative(SBI)”研究計劃,主要為未來住宅和樓宇提供電力。整個系統(tǒng)具有2個電壓等級的直流母線(DC 380 V和DC 48 V),分別給不同等級負(fù)載供電。DC 380 V母線主要是為了匹配工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓等級,其依靠前端整流器和功率因數(shù)校正(Power Factor Correction,PFC)電路接入主電網(wǎng)。DC 48 V母線主要是為了匹配通信標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓等級,其依靠DC/DC變換器與DC 380 V母線連接。

2011年,美國北卡羅來納大學(xué)提出了“The Future Renewable Electric Energy Deliveryand Management(FREEDM)”系統(tǒng)結(jié)構(gòu),用于構(gòu)建未來自動靈活的配電網(wǎng)絡(luò)。FREEDM包含400 kV的直流母線,其利用直流供電架構(gòu)將分布式電源單元、分布式儲能單元和直流負(fù)載集成,通過智能能量管理裝置(Intelligent Energy Management,IEM)與大電網(wǎng)連接。

4.3 日本建筑直流供電研究

2010年,日本東北大學(xué)建成綜合使用太陽能電池、蓄電池及直流供電的“ECOLAB”研究大樓。ECOLAB為木制結(jié)構(gòu)的2層建筑,可將太陽能電池產(chǎn)生的電力儲存在鋰離子充電電池中,以直流方式用于LED燈等負(fù)荷設(shè)備。ECOLAB大樓設(shè)置了5.8 kW的太陽能電池和9.6 kWh的鋰離子充電電池。儲存在鋰離子充電電池中的電力以直流方式分別提供給實施直流供電等驗證工作的“DC生活空間”和LED照明。

4.4 國內(nèi)建筑直流供電研究

2011年,ABB在北京建成“太陽能低碳屋(Sloar House)”。北京太陽能低碳屋如圖2所示。該屋利用屋頂和墻壁上的太陽能面板產(chǎn)生的電能作為唯一電源,采用直流供電,在維持住戶生活質(zhì)量的同時通過現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)能源自給自足的低碳生活。通過安裝智能家居控制系統(tǒng)、樓宇對講系統(tǒng)等低壓電氣和智能家居解決方案,用戶可以在控制面板上點擊按鈕對各房間的燈光、窗簾、暖氣、通風(fēng)、家用電器、樓宇對講設(shè)備進行獨立或集成控制。

圖2 北京太陽能低碳屋

臺灣核能研究所設(shè)計了智慧型直流電力屋,提出針對新能源的電力特性,研發(fā)合適的電力變換模塊,并與高效能儲能系統(tǒng)相配合。經(jīng)測算,采用直流供電架構(gòu)比原有交流供電節(jié)省電能約11%。

5 建筑直流供配電系統(tǒng)仍存在的問題

目前,阻礙直流建筑配電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有如下方面。

(1) 標(biāo)準(zhǔn)的缺失。缺失插頭插座、電器、檢測和電壓等級標(biāo)準(zhǔn)等。行業(yè)內(nèi)很多專家認(rèn)為可將直流建筑的標(biāo)準(zhǔn)寫進綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)中去,有助于推動直流建筑的發(fā)展。

(2) 直流電器和直流家電還未得到廣泛應(yīng)用。目前行業(yè)內(nèi)的直流家電、直流開關(guān)、直流插頭插座等還未廣泛應(yīng)用。目前,供方市場和需方市場都遠未成熟,其商業(yè)模式值得進一步探討。

(3) 儲能成本還需要進一步降低,因為直流建筑配電系統(tǒng)一般都需要配置相應(yīng)的儲能來調(diào)節(jié)。

6 建筑直流供配電系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢

(1) 建筑直流配電的發(fā)展方向已經(jīng)形成共識。隨著分布式電源技術(shù)的發(fā)展和儲能成本的進一步降低,未來建筑配電網(wǎng)給人們生產(chǎn)、生活帶來能效提升、最大化消納可再生能源已經(jīng)得到各國科學(xué)家的一致認(rèn)可。目前,國內(nèi)外對于建筑直流配電網(wǎng)的研究仍處于起步階段,建筑直流配電技術(shù)從規(guī)劃設(shè)計、控制與保護、關(guān)鍵設(shè)備、經(jīng)濟分析等方面還有大量問題需要研究。

(2) 直流配電發(fā)展受一定技術(shù)和成本制約。目前,我國國內(nèi)主電網(wǎng)采用交流配電的壟斷地位仍不可動搖,而且我國電力部門重“輸”輕“配”,提倡建設(shè)堅強的輸電網(wǎng)絡(luò),故此長期以來國內(nèi)配電網(wǎng)的發(fā)展一直明顯落后于輸電網(wǎng)的發(fā)展。雖然近年來許多示范工程的研究顯示具有可靠性、安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性的建筑直流配電網(wǎng)具有巨大的市場潛力和應(yīng)用價值,但是目前直流配電網(wǎng)及其相關(guān)技術(shù)還存在大量問題尚未解決,如有效的滅弧、接地、多電力電子變換裝置強耦合、非線性的穩(wěn)定性機理還需要進一步深入挖掘。目前面臨最大的問題是變壓難和直流滅弧困難,解決方案的成本代價太高,難以與交流相競爭,因此短時間內(nèi)建筑直流配電系統(tǒng)難以被用戶企業(yè)和居民所接受。

(3) 故障檢測技術(shù)。建筑直流配電故障檢測與交流有很大區(qū)別,要結(jié)合配電自動化系統(tǒng)來研究直流配電網(wǎng)故障識別和定位技術(shù),以及不同結(jié)構(gòu)、不同運行方式下的故障診斷與保護配合,開發(fā)基于電流變化率、電流方向、電壓變化率等信號分析與處理的故障識別方法。

(4) 關(guān)鍵設(shè)備研究。目前直流設(shè)備的成本太高,所以要從材料和制作工藝出發(fā),研發(fā)基于新型保護原理的直流配用電系統(tǒng)保護關(guān)鍵設(shè)備,包括低成本、大容量、商業(yè)應(yīng)用的ms級低壓直流斷路器,具有故障電流限制或ms級切斷能力的換流器,可控阻感的商業(yè)應(yīng)用的直流線路故障電流限流器等。設(shè)備研究主要有如下3方面:① 研制低成本的中低壓直流配電網(wǎng)的直流斷路器。加大對直流電弧的熄滅方式的研究,以及研究中低壓直流斷路器的工程實用化,滿足其商業(yè)化競爭和大功率化的需求。目前,研發(fā)低成本、大容量的直流斷路器或?qū)⑾蘖餮b置與小容量斷路器相配合是直流配電系統(tǒng)保護技術(shù)研究發(fā)展的兩個方向。② 研制低成本的直流變壓器。對直流電壓的變換原理、變換模式進行深入研究,能否在直流變壓的原理拓?fù)浜推骷x擇等方面做出比較大的變化,改變目前電力電子變壓器體積龐大、成本高的現(xiàn)狀。③ 負(fù)荷設(shè)備的接插設(shè)備研究和開發(fā)。因為直流電弧不易熄滅,直接插拔用電負(fù)荷易引起電弧燃燒,因此常規(guī)的接線板、插頭插座需要重新設(shè)計,以有效防止電弧。

(5) 建筑直流配電需要多行業(yè)配合。從已掌握的信息來看,直流建筑市場非常巨大,可以接入光伏、儲能等新能源發(fā)電設(shè)備。發(fā)展直流建筑除了直流設(shè)備相關(guān)企業(yè)的配合外,還需要多個行業(yè)的配合和人們用能習(xí)慣的轉(zhuǎn)變。建筑直流的相關(guān)負(fù)荷設(shè)備領(lǐng)域(家用電器、辦公電器等)都需要進行配合,這需要漫長的時間。不少家電企業(yè)(美的、海爾等)已著手開發(fā)純直流的空調(diào)、冰箱、洗衣機產(chǎn)品,因此未來直流建筑可能先行一步,實現(xiàn)交/直流同時入戶的應(yīng)用場景。

7 結(jié) 語

目前我國已建成多處建筑直流配電示范工程,還有更多項目在規(guī)劃和設(shè)計中,同時隨著可再生能源的繼續(xù)發(fā)展,以及現(xiàn)有電網(wǎng)技術(shù)升級等方面的需求,建筑柔性直流配電未來的發(fā)展將得到快速增長,所以建筑直流配電技術(shù)將成為研究熱點,特別是直流配電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備電力電子變壓器和中壓直流斷路器將會進一步研究。