魏山力,馬 聰,張 曦,張浙波,金大算,華 煒

1.華東建筑設(shè)計研究總院,上海 200002;2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司,浙江 杭州 311121;3.浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司,浙江 嘉興 314201

0 引 言

相對于交流配電,直流配電網(wǎng)具有線路成本低、控制簡單、供電質(zhì)量高、可靠性高及接入靈活等優(yōu)點,隨著近年來光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等分布式直流電源發(fā)展,電動汽車、數(shù)據(jù)中心、儲能設(shè)備、LED照明等直流負荷的應(yīng)用推廣,以及用戶對電能質(zhì)量、供電可靠性的要求日益增高,發(fā)展直流配電技術(shù)成為當(dāng)前的趨勢[1]。

本文以某研發(fā)辦公大樓的項目設(shè)計為例,介紹適合民用建筑低壓直流配電系統(tǒng)的設(shè)計思路與方案,將光伏發(fā)電、高壓直流數(shù)據(jù)中心、直流充電樁、儲能、直流照明相結(jié)合,探討民用建筑低壓直流配電系統(tǒng)的電壓等級、系統(tǒng)架構(gòu)、故障保護、多能協(xié)調(diào)、運行模式等關(guān)鍵技術(shù)。

1 項目概況

某研發(fā)辦公大樓項目位于浙江省杭州市,主要功能為研發(fā)中心、企業(yè)辦公、數(shù)據(jù)機房、商務(wù)酒店,總建筑面積約13.7萬m2,其中地下3層,地下面積約5.7萬m2,地上10層,地上面積約8萬m2,建筑高度45.3 m,地下車庫停車位900個,充電樁車位186個。

2 電壓等級

該項目直流電源和直流負荷類型較多,主要包括屋頂光伏發(fā)電、儲能蓄電池、直流充電樁、直流照明、高壓直流數(shù)據(jù)中心。直流電源與直流負荷參數(shù)如表1所示。

表1 直流電源與直流負荷參數(shù)

該項目直流配電電壓等級主要從經(jīng)濟性、供電半徑、靈活性等方面考慮[2]。

(1)經(jīng)濟性。項目直流負荷類型較多且分散,其中屋頂光伏、3F數(shù)據(jù)中心、直流充電樁等大容量負荷供電半徑較遠,而直流照明與儲能裝置的供電半徑適中,直流電壓等級需綜合考慮供電半徑、線纜截面大小及線路壓降來確定。根據(jù)回路負荷容量、供電半徑,可計算出直流低壓回路線路壓降ΔU壓降為

其中,ρ=0.018 4 Ω·mm2/m;L為導(dǎo)線長度;P為回路容量;S為導(dǎo)線計算截面;UDC為回路供電電壓。

經(jīng)計算142 kW屋頂光伏,若采用DC±375 V供電,根據(jù)載流量計算可選用WDZA-YJY-2×95 mm2,壓降約1.2%,滿足要求;若采用DC 375 V單極供電,根據(jù)載流量計算可選用WDZA-YJY-2×240 mm2,壓降約1.8%,同樣滿足要求,但提高線纜成本。而該項目直流照明僅用于直流配電室及臨近機房,供電半徑距離適中,根據(jù)計算供電電壓DC 48 V下,選用4 mm2導(dǎo)線供電半徑約50 m,可滿足項目直流照明供電半徑。因此從經(jīng)濟性及供電半徑角度考慮,項目直流電壓等級初步選擇為DC±375 V和DC 48 V。

(2)靈活性。直流負荷以直流充電樁、儲能電池為主,直流電壓等級優(yōu)先考慮,便于直流充電樁及儲能電池的靈活接入,目前直流充電樁接入電壓以DC 450 V和DC 500 V為主,但發(fā)展趨勢為DC 750 V[2],而儲能電池可通過不同電池組串聯(lián)滿足不同電壓等級接入,考慮到DC/DC變換器降壓模塊成本低于升壓模塊,因此該項目直流母線電壓等級確定選擇DC±375 V,單向DC/DC變換器降壓接入直流負荷,雙向DC/DC變換器接入儲能裝置,儲能裝置輸出電壓盡量與直流母線電壓接近。另外DC±375 V可引出極間750 V和單極375 V兩種電壓等級,靈活性更高。

3 雙極母線架構(gòu)

偽雙極和雙極直流母線類似,具有對稱的直流電壓,在相同極間電壓下線路耐受電壓為單極母線的1/2。雙極母線優(yōu)點是可靠性高、靈活性大、電壓等級多:在一極出現(xiàn)故障時仍可單極運行、可靠性高,但需采用多個換流器,且交流側(cè)設(shè)備需考慮直流電壓的直流偏置電壓,且直流側(cè)需增加電流均衡控制策略,因此雙極架構(gòu)設(shè)備成本更高、控制保護系統(tǒng)更復(fù)雜[3-4];但雙極母線架構(gòu)靈活性更大,可按負荷重要性進行分組供電,將高可靠性負荷與蓄電池集中在一極母線供電,也可將蓄電池及高可靠性負荷分兩組,各由一極母線供電,任一極故障時仍可單極運行。另外,雙極母線可提供更多電壓等級選擇,較高功率或電壓負荷可連接在正、負兩極之間,低功率或低電壓負荷可連接在單極與中性線之間。

該項目直流配電系統(tǒng)規(guī)模大、負荷類型及電壓等級多、控制要求高,為便于不同電壓等級負荷接入,選用DC±375 V雙極直流母線架構(gòu)。直流配電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 直流配電系統(tǒng)示意圖

4 數(shù)據(jù)中心

市電+240 V高壓直流雙路供電與傳統(tǒng)2N交流UPS相比:供電可靠性均為10個9數(shù)量級,為同一數(shù)量級[5],但市電240 V高壓直流雙路供電只有高壓直流回路接入蓄電池,投資及運維成本更低,且由于市電回路不用經(jīng)UPS設(shè)備的AC/DC、DC/AC兩級變換后輸出,系統(tǒng)供電效率很高。因此,該項目數(shù)據(jù)中心部分服務(wù)器采用市電240 V光伏高壓直流雙路供電方案,服務(wù)器機柜內(nèi)提供交直流2路電源,其中市電A通過HVDC輸出DC 270 V,屋頂光伏通過DC/DC接入DC 270 V母線,市電A+光伏2路直流輸出合為1路,為服務(wù)器機柜提供直流供電;市電B經(jīng)交流列頭柜直接為服務(wù)器機柜提供交流電源。另外,通過監(jiān)控模塊控制,使光伏DC/DC的電壓高于市電A的AC/DC電壓,即市電A經(jīng)HVDC的AC/DC處于熱備份狀態(tài),白天優(yōu)先使用光伏供電、市電A作為補充,夜晚市電A經(jīng)HVDC與市電B各提供50%供電。高壓直流數(shù)據(jù)中心供電示意圖(一)如圖2所示。高壓直流數(shù)據(jù)中心供電示意圖(二)如圖3所示。

圖2 高壓直流數(shù)據(jù)中心供電示意圖(一)

圖3 高壓直流數(shù)據(jù)中心供電示意圖(二)

該項目仍以交流供電為主,數(shù)據(jù)中心負荷未直接接入直流配電網(wǎng)。若能將數(shù)據(jù)中心與直流微電網(wǎng)相結(jié)合,可實現(xiàn)高壓直流雙電源系統(tǒng)雙路供電[5],該供電形式除雙路供電外,還可提供雙電源,可靠性更高,但投資成本也更高,即其中一路為HVDC(市電A)+直流微電網(wǎng),雖然不單設(shè)蓄電池,但可利用直流微電網(wǎng)的儲能裝置;第二路為HVDC(市電B)+蓄電池,第二路HVDC休眠后備。采用該方案,第一路可靠性為1-(1-0.999 8)×(1-0.999)=99.999 9%,第二路可靠性為99.999 99%,總可靠性約13個9數(shù)量級,遠高于交流2NUPS和市電+240 V高壓直流雙路供電(10個9數(shù)量級)的供電可靠性,同時供電效率更高。

5 儲能及光伏系統(tǒng)

項目BIPV光伏方案效果如圖4所示。

圖4 項目BIPV光伏方案效果

利用屋面及側(cè)立面的空間設(shè)置光伏發(fā)電,在屋頂設(shè)置不透光的碲化鎘薄膜太陽能電池,另外在屋頂構(gòu)架側(cè)立面東、西、南面采用40%透光率的碲化鎘薄膜太陽能電池,不同規(guī)格光伏電池共計1 451塊,總并網(wǎng)裝機容量322 kWp,約占建筑總負荷比例的2.6%。光伏發(fā)電采用組串式結(jié)構(gòu)、并網(wǎng)不上網(wǎng)的方案,通過一級DC/DC變換器實現(xiàn)MPPT條件下精準限壓限流,其中180 kW光伏發(fā)電經(jīng)直流匯流箱、DC/DC變換器以DC 400 V接入數(shù)據(jù)中心,用于數(shù)據(jù)中心高壓直流供電;另外142 kW光伏發(fā)電經(jīng)直流匯流箱、DC/DC變換器以DC±375 V接入直流雙極母線,用于直流充電樁、直流照明等負荷。

該項目儲能結(jié)合新型水系鋅離子電池試驗平臺搭建,水系鋅離子電池具有安全性高、綠色環(huán)保、成本低、循環(huán)性好、使用壽命長、運維簡單等優(yōu)點。相對于鉛酸蓄電池的重金屬鉛和電解質(zhì)溶液對環(huán)境的污染,水系鋅離子電池所用原材料及充放電的反應(yīng)產(chǎn)物均無毒無害。相對于鋰離子電池散熱、過充、過放等防護要求及安全性能隱患,水系鋅離子電池在過充、充放、短路情況下無爆炸、起火的風(fēng)險,具備類似鉛酸電池的高安全性,適合用于建筑物內(nèi)大規(guī)模靜置型電力儲能使用。能量密度低于鋰離子電池但優(yōu)于鉛酸電池,循環(huán)壽命大于3 000次,高于閥控式密封鉛酸蓄電池循環(huán)壽命1 000～1 200次[6]。

項目儲能系統(tǒng)分兩期設(shè)置,一期和二期各安裝250 kW/500 kWh 儲能電池(5組50 kW/100 kWh電池簇),每組50 kW/100 kWh電池簇構(gòu)成方案。電池簇構(gòu)成示意圖如圖5所示。

圖5 電池簇構(gòu)成示意圖

(1)儲能系統(tǒng)最小單元的單體電池為1.4 V,30 Ah(電壓1.2～1.85 V),4個單體電池并聯(lián)組成1個1.4 V、120 Ah、168 Wh的電池模組。

(2)600個電池模組串聯(lián)組成1個840 V、120 Ah、100 kWh的電池簇。該電池簇額定充放電電流為60 A,功率為50 kW。

(3)5組50 kW/100 kWh電池簇,直流端電壓720～1 110 V,通過DC/DC變換器以DC±375 V接入直流雙極母線。一期500 kWh儲能并網(wǎng)示意圖如圖6所示。

圖6 一期500 kWh儲能并網(wǎng)示意圖

相對于數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)、消防疏散照明集中電源系統(tǒng),主要追求電池可靠性及浮充壽命,儲能系統(tǒng)選擇電池更重視循環(huán)壽命,以便實現(xiàn)每天的谷充峰放,甚至一天多次充放的使用要求[6]。另外用于建筑物內(nèi)的儲能系統(tǒng)應(yīng)關(guān)注電池的消防安全問題,除考慮鋰離子電池等因過充、過放、短路等引發(fā)爆炸、起火的風(fēng)險外,還應(yīng)考慮水系電池(如閥控式密封鉛酸蓄電池、水系鋅離子電池)充電過程中少量析氫現(xiàn)象,需結(jié)合氫氣排放量、通排風(fēng)條件,劃分儲能機房的爆炸性氣體環(huán)境危險性區(qū)域等級。由于儲能機房的電源重要性不如數(shù)據(jù)中心的UPS機房,可能存在1天以上房間密閉、風(fēng)機故障、電池異常及無人檢查等情況,因此應(yīng)對儲能機房的通排風(fēng)機運行狀態(tài)、可燃氣體濃度(氫氣)等進行實時監(jiān)測,并接入消防報警系統(tǒng),如有故障及時響應(yīng)、排除。

6 充電樁

該項目采用DC±375 V直流母線電壓等級,極間750 V滿足直流充電樁發(fā)展需要。根據(jù)每日儲能電池儲存電量、光伏發(fā)電量與消納平衡計算直流充電樁配置數(shù)量,日均發(fā)電量與用電量如表2所示。

表2 日均發(fā)電量與用電量

大樓完全投入運營,停車位滿負荷使用正常下,典型工作日直流充電樁數(shù)量配置計算如下:

(1)直流充電樁充電功率按60 kW/臺配置,電動車電池滿載容量取60 kWh,充電需求30%電量充至80%電量,因此每車/次充電容量為30 kWh。

(2)每車/次充電時間為0.5 h。

(3)每天峰、平電價時段由直流微電網(wǎng)供電時間為11 h。

(4)需要系數(shù)Kx:根據(jù)18D705-2 《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計與安裝》,60 kW直流快充的需要系數(shù)為0.2～0.7;考慮直流快充模式下,多為臨時停車、使用車位的時間不長,按充滿即走考慮,車位充電時間0.5 h,空閑時間取0.5 h,則每停車位每樁的使用系數(shù)為0.5,即需要系數(shù)取值0.5。

(5)直流充電樁數(shù)量初算13個?？紤]大樓業(yè)態(tài)為自用辦公,對直流快充的需求較低,該項目考慮安裝10臺直流快充樁,儲能及光伏日發(fā)電余電逆變至380 V交流配電網(wǎng),供交流慢充樁等負荷使用。

7 接地形式及故障保護

IT接地形式在單點故障時由于故障回路阻抗很大,因此故障電流小,仍具有較高安全性,但兩點故障危險性較高,對斷路器開斷電壓要求較高,需采用絕緣監(jiān)測裝置、直流斷路器及故障定位和分區(qū)選線等安全保障措施,但應(yīng)用難度最小;兼顧安全性和技術(shù)成熟度,現(xiàn)有技術(shù)和產(chǎn)品能夠滿足IT(高阻)接地形式安全保障所必須的絕緣監(jiān)測的基本要求。相較TT和TN系統(tǒng),IT系統(tǒng)應(yīng)用難度和技術(shù)風(fēng)險最小,配合加強絕緣和安全接地等常規(guī)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,因此該項目選擇IT(高阻)接地方式。

8 運行策略

直流配電系統(tǒng)常見運行模式包括如下[7]:

(1)經(jīng)濟模式。結(jié)合電網(wǎng)分時電價,保證整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性能最佳,實現(xiàn)發(fā)電、用電、儲能利益最大化。

(2)需求側(cè)響應(yīng)模式。通過對儲能、負荷的控制,響應(yīng)電網(wǎng)的短時需求。

(3)限功率取電模式。通過對發(fā)電、負荷、儲能的調(diào)控實現(xiàn)對電網(wǎng)的恒功率取電,避免隨機間歇性的大功率波動。

(4)應(yīng)急模式。當(dāng)電網(wǎng)或分布式發(fā)電短期內(nèi)無法滿足用電需求時,提前最大化存儲電能,在應(yīng)急情況下釋放,滿足重要負荷的應(yīng)急使用。

(5)孤島模式。脫離電網(wǎng),實現(xiàn)發(fā)、儲、用的自平衡狀態(tài)。

該項目運營初期以經(jīng)濟性為主,主要運行為經(jīng)濟模式,即結(jié)合杭州當(dāng)?shù)氐姆謺r電價,低谷電價時段為儲能電池充電,高峰及尖峰電價時段儲能電池放電,實現(xiàn)直流配電系統(tǒng)的經(jīng)濟利益最大化。儲能電池每天充放電2次,保障儲能電池的循環(huán)壽命。

杭州一般工商業(yè)及其他用電六時段分時電價時段劃分,峰谷平電價曲線如圖7所示。圖7中,尖峰時段:19∶00～21∶00;高峰時段:8∶00～11∶00,13∶00～19∶00,21∶00～22∶00;低谷時段:11∶00～13∶00,22∶00～次日8∶00。

圖7 峰谷平電價曲線

典型日電力負荷發(fā)電、用電波動圖如圖8所示。

圖8 典型日電力負荷發(fā)電、用電波動圖

直流配電網(wǎng)經(jīng)濟模式下的運行策略如下:

(1)夜間低谷電價時段22∶00～次日8∶00,電網(wǎng)為儲能蓄電池充電,白天高峰電價時段8∶00～11∶00,光伏發(fā)電及儲能蓄電池放電為直流配電網(wǎng)供電,余電逆變至交流配電網(wǎng)。

(2)白天低谷電價時段11∶00～13∶00,光伏及電網(wǎng)為儲能蓄電池充電,白天高峰電價時段13∶00～19∶00、夜間尖峰時段19∶00～21∶00,儲能蓄電池放電為直流配電網(wǎng)供電,余電逆變至交流配電網(wǎng)。

9 結(jié) 語

該項目低壓直流供電的電壓等級選擇,主要從經(jīng)濟性、供電半徑及靈活性的角度考慮,大容量直流負荷為降低線路電流、減小線纜截面,優(yōu)先考慮高電壓等級供電,另外直流電壓等級也要考慮不同電壓等級負荷接入的靈活性,由于降壓DC/DC變換器成本低于升壓DC/DC變換器,直流負荷電壓等級盡量與直流電壓等級相近、或以降壓DC/DC變換器接入。數(shù)據(jù)中心采用高壓直流供電具有高效率、高可靠性的優(yōu)勢,未來有望替代傳統(tǒng)交流UPS系統(tǒng),與光伏、儲能、直流配電網(wǎng)相結(jié)合,未來應(yīng)用潛力巨大。民用建筑內(nèi)的儲能電池的選擇與UPS電池要求不同,更應(yīng)該關(guān)注循環(huán)壽命、電池消防安全性能,加入儲能的直流配電網(wǎng),更能發(fā)揮直流供電的可靠性、靈活性。