韓 瀛, 烏聰敏

(天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司, 天津 300010)

0 引 言

近年來,在工商業(yè)及民用建筑領(lǐng)域,以光伏為代表的直流電源和以電動(dòng)汽車為代表的直流負(fù)荷應(yīng)用越來越普遍。為有效提高整體能源利用效率,直流供用電系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注[1]。相比傳統(tǒng)交流供用電系統(tǒng),建筑直流系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢:消除諧波、三相不平衡等電能質(zhì)量問題;利用電力電子裝置的高可控性,可實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)等靈活控制;減少交直流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),降低轉(zhuǎn)換損耗,提高光風(fēng)等可再生能源以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入效率[2-4]。

包含光伏、儲(chǔ)能等分布式能源的建筑直流配電系統(tǒng)在一定規(guī)模上即為直流微電網(wǎng),具有可再生能源高比例消納、并離網(wǎng)靈活切換等優(yōu)勢。美國、日本、印度等國先后開展實(shí)驗(yàn)性直流供電建筑的探索。2007年初,日本政府便通過NEDO啟動(dòng)了住宅直流供電技術(shù)的研究和開發(fā)項(xiàng)目。2010年松下住宅公司在日本滋賀縣東近江市建造了零能耗試驗(yàn)住宅投入使用[5],全面測試了住宅直流供電技術(shù)。在歐洲,飛利浦、西門子等公司聯(lián)合提出基于先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的建筑直流供電方案[6]。美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室開展數(shù)據(jù)中心直流配電實(shí)證研究,驗(yàn)證了直流系統(tǒng)在可靠性、經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢[7]。

清華大學(xué)王福林等[8]論證了建筑全直流供電和分布式蓄能的可行性及推廣效益。施婕等[9]構(gòu)建了一個(gè)應(yīng)用于現(xiàn)代建筑的直流微電網(wǎng)系統(tǒng),并提出電源、負(fù)荷變化情況下的直流微電網(wǎng)控制策略。文獻(xiàn)[10]量化分析了直流建筑經(jīng)濟(jì)性,并提出電壓等級(jí)配置方案。文獻(xiàn)[11]介紹了辦公樓宇低壓直流系統(tǒng)的建設(shè)及運(yùn)行模式。但是,國內(nèi)外直流建筑以仿真分析研究為主,工程示范負(fù)荷、電源類型少、拓?fù)浜唵?難以滿足結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜的建筑直流供用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求,亟待研究制定一套適應(yīng)多種類型直流設(shè)備高效接入、協(xié)同運(yùn)行的建筑直流供用電典型方案。

本文提出了建筑供電系統(tǒng)總體架構(gòu)及系統(tǒng)的基本組成,給出包含分布式光伏、儲(chǔ)能、不同電壓等級(jí)直流用電設(shè)備的直流樓宇系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)方案,最后從整體能源管控效率提升角度,提出直流智能樓宇監(jiān)控平臺(tái)總體架構(gòu),為直流供用電模式應(yīng)用提供參考。

1 總體設(shè)計(jì)思路

供用電系統(tǒng)的一次設(shè)備設(shè)計(jì)方面,直流配電建筑通過建筑與可再生能源一體化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)綠色能源與建筑基礎(chǔ)設(shè)施的深度融合,充分利用建筑屋頂、車棚、幕墻等空間,在滿足建筑本體功能定位與建設(shè)要求的前提下,盡可能多地配置可再生能源,提高建筑能源自給率。

在供用電系統(tǒng)監(jiān)控體系設(shè)計(jì)方面,在感知層優(yōu)化配置各類采集設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各環(huán)節(jié)運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)等全量采集。在此基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)建筑負(fù)荷和發(fā)電精準(zhǔn)預(yù)測,進(jìn)而提出系統(tǒng)性的能量管理策略,并可結(jié)合電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行態(tài)勢優(yōu)化建筑直流微電網(wǎng)運(yùn)行模式,解決建筑可再生能源便捷接入與高效利用、源荷協(xié)調(diào)控制等問題,在保障建筑用能需求的同時(shí),平滑間歇性可再生能源出力波動(dòng),并最大限度實(shí)現(xiàn)可再生能源就地消納,提高系統(tǒng)的整體能源利用效率。

直流建筑整體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 直流建筑整體設(shè)計(jì)思路

2 典型配置

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

純直流配電系統(tǒng)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有輻射狀、環(huán)狀、雙端供電、多端供電等?？紤]到直流樓宇供電范圍相對(duì)固定,直流負(fù)荷相對(duì)集中,因而選用放射型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)簡潔,與傳統(tǒng)的400 V交流配電系統(tǒng)具有良好的兼容性,有利于實(shí)現(xiàn)用戶分布式電源和儲(chǔ)能裝置的即插即用以及建筑配電系統(tǒng)能量智能管理。

2.2 電壓等級(jí)選取

建筑低壓直流微電網(wǎng)電壓選取遵循如下原則。

(1) 兼容目前已有的可用直流替代的交流設(shè)備,做到將直流提供給用電設(shè)備時(shí),設(shè)備能正常工作,且設(shè)備內(nèi)部關(guān)鍵元器件的電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力都不會(huì)超出正常使用范圍。

(2) 線路的損耗不能大于現(xiàn)有的交流供電情況。

(3) 兼顧用電設(shè)備的關(guān)鍵元器件的生產(chǎn)制造選型。

(4) 匹配現(xiàn)有可量產(chǎn)直流斷路器運(yùn)行工況要求。

(5) 匹配儲(chǔ)能單元和光伏發(fā)電單元并網(wǎng)電壓。

結(jié)合IEC標(biāo)準(zhǔn)的低壓直流電壓優(yōu)選值DC±375 V,選擇DC±375 V作為系統(tǒng)第一級(jí)電壓。所帶電源、負(fù)荷主要是建筑光伏、分布式儲(chǔ)能、電梯、中央空調(diào)等。常規(guī)家用或辦公用直流用電設(shè)備選取220 V作為供電電壓,對(duì)于48 V及以下電壓等級(jí)供電的設(shè)備,采用多端口多電壓自適應(yīng)直流適配器,實(shí)現(xiàn)負(fù)載識(shí)別0～48 V輸出電壓自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

2.3 系統(tǒng)配置方案

通過交直流換流閥將交流10 kV轉(zhuǎn)換為直流±10 kV,為下級(jí)直流換流閥供電。直流±10 kV通過直流換流閥轉(zhuǎn)換為直流±375 V,并實(shí)現(xiàn)直流±375 V端口在樓宇中的接入。建筑屋頂或者幕墻光伏發(fā)電系統(tǒng)采用直流并網(wǎng)模式,經(jīng)DC/DC變換后并入±375 V直流母線,采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)模式,優(yōu)先為樓宇內(nèi)直流負(fù)荷和儲(chǔ)能裝置供電。分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑光伏出力波動(dòng),同時(shí)為樓宇負(fù)荷提供應(yīng)急電源保障。直流建筑供用電系統(tǒng)典型配置方案如圖2所示。

圖2 直流建筑供用電系統(tǒng)典型配置方案

通過DC/DC變換裝置將±375 V直流端口轉(zhuǎn)換為直流220 V,配置主動(dòng)式保護(hù)裝置。然后通過DC/DC技術(shù)將直流220 V轉(zhuǎn)換為改造后的電視機(jī)、電磁爐、電冰箱、投影儀、飲水機(jī)、電腦、LED燈等辦公/家用電器供電,實(shí)現(xiàn)用電系統(tǒng)全直流化,搭建“低壓直流商業(yè)體驗(yàn)區(qū)”,為用戶營造一個(gè)安全、智能、可靠、高效的用電環(huán)境。

3 監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

為對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控,設(shè)計(jì)了樓宇直流供用電系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)。建筑直流供用電系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 建筑直流供用電系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)功能架構(gòu)

3.1 數(shù)據(jù)采集

(1) 模擬量采集,包括樓宇直流配電系統(tǒng)各點(diǎn)電壓、電流、電量等模擬量的采集。

(2) 狀態(tài)量采集,包括開關(guān)位置、事故跳閘信號(hào)、保護(hù)動(dòng)作信號(hào)、異常信號(hào)、開關(guān)儲(chǔ)能狀態(tài)、終端狀態(tài)等狀態(tài)量的采集。

(3) 其他數(shù)據(jù)采集,包括對(duì)特定的電網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集以及PCS電源運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集。

3.2 光伏發(fā)電監(jiān)控

對(duì)太陽能光伏發(fā)電的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息、報(bào)警信息進(jìn)行全面監(jiān)視,并對(duì)光伏發(fā)電進(jìn)行多方面的統(tǒng)計(jì)和分析,應(yīng)能顯示光伏系統(tǒng)的當(dāng)前發(fā)電總功率、日總發(fā)電量、累計(jì)總發(fā)電量以及每天發(fā)電功率曲線圖。

3.3 儲(chǔ)能單元監(jiān)控

對(duì)儲(chǔ)能單元的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息、報(bào)警信息進(jìn)行全面監(jiān)視,并對(duì)儲(chǔ)能進(jìn)行多方面的統(tǒng)計(jì)和分析,主要包括以下信息。

(1) 可實(shí)時(shí)顯示儲(chǔ)能的當(dāng)前可放電量、可充電量、當(dāng)前放電功率、當(dāng)前充電功率、可放電時(shí)間、今日總充電量、今日總放電量。還可實(shí)現(xiàn)對(duì)各電池模塊的狀態(tài)巡檢,并通過監(jiān)控界面顯示。

(2) 能遙信雙向變流器的運(yùn)行狀態(tài)、告警信息,其中保護(hù)信號(hào)包括低電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、器件異常保護(hù)、電池組異常工況保護(hù)、過溫保護(hù)。告警信息包括儲(chǔ)能單元過欠壓、過載、過溫等故障狀態(tài)。

(3) 能遙測雙向變流器的充放電電流、電壓、功率以及儲(chǔ)能剩余容量、電池單體電壓等。

(4) 能對(duì)儲(chǔ)能電池充放電時(shí)間、充放電電流、電池保護(hù)電壓等進(jìn)行遙調(diào),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端對(duì)雙向變流器相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)。

(5) 能遙控雙向變流器充電、放電功率。

3.4 負(fù)荷監(jiān)控

對(duì)直流系統(tǒng)內(nèi)部負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)視、控制和統(tǒng)計(jì),為直流配電系統(tǒng)功率平衡分析控制等提供依據(jù)。在運(yùn)行時(shí),可對(duì)這些負(fù)荷進(jìn)行分組監(jiān)控。

3.5 統(tǒng)計(jì)分析

(1) 全景展示,展示系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及各關(guān)鍵用電設(shè)備、電力電子變換裝置的運(yùn)行電壓、電流以及功率數(shù)據(jù);展示光伏、儲(chǔ)能以及負(fù)荷的實(shí)時(shí)運(yùn)行功率曲線及不同周期發(fā)、用電量,統(tǒng)計(jì)清潔能源利用比例。

(2) 能耗分析,通過穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)分析,直觀了解各樓層、各設(shè)備的運(yùn)行功率以及能耗情況。通過柱狀圖和餅狀圖結(jié)合的方式分析建筑直流系統(tǒng)的運(yùn)行電量及功率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)發(fā)出高耗能預(yù)警,提醒用戶優(yōu)化用能行為。

3.6 系統(tǒng)調(diào)度

可根據(jù)直流配電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)互動(dòng),進(jìn)行電網(wǎng)自平衡和自平滑統(tǒng)一的優(yōu)化控制,具有直流設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析、遠(yuǎn)方通信、電源/儲(chǔ)能/負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、分布式發(fā)電預(yù)測/負(fù)荷預(yù)測/可控發(fā)電計(jì)劃、能量優(yōu)化管理的功能。

4 建筑直流系統(tǒng)運(yùn)行模式

鑒于直流母線電壓是反映系統(tǒng)功率平衡的唯一指標(biāo),針對(duì)直流配電系統(tǒng)功率平衡控制問題,其主要控制對(duì)象為直流母線電壓。項(xiàng)目中,按照不同系統(tǒng)目標(biāo)以及與電網(wǎng)間的協(xié)調(diào)調(diào)度控制需求進(jìn)行了系統(tǒng)運(yùn)行模式的設(shè)計(jì),大致可以分為以下幾種。

(1) 經(jīng)濟(jì)模式。保證整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能最佳,實(shí)現(xiàn)發(fā)電、用電、儲(chǔ)電利益最大化。為降低對(duì)電網(wǎng)公司的并網(wǎng)管理要求,系統(tǒng)直流側(cè)可以不向交流側(cè)返送功率;當(dāng)自身功率無法滿足需求時(shí),向交流側(cè)實(shí)時(shí)取電實(shí)現(xiàn)功率需求平衡。

(2) 需求側(cè)響應(yīng)模式。通過對(duì)儲(chǔ)能、負(fù)荷的控制,可以使傳統(tǒng)的需求側(cè)響應(yīng)電網(wǎng)交流側(cè)的短時(shí)要求,如降低對(duì)交流側(cè)功率需求(切負(fù)荷或釋放儲(chǔ)能)或返送功率支撐電網(wǎng)交流側(cè)。

(3) 限功率運(yùn)行模式。直流系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)多樣,當(dāng)供電部門對(duì)于用戶側(cè)用電功率進(jìn)行限制或系統(tǒng)運(yùn)行在負(fù)荷波動(dòng)較大的情況下,需要保證直流側(cè)不向電網(wǎng)交流側(cè)汲取超過其容量限制的功率。如果新能源發(fā)電和儲(chǔ)能配置適當(dāng),可以通過協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)交流側(cè)的“恒功率取電”。

(4) 應(yīng)急模式。當(dāng)電網(wǎng)交流側(cè)或新能源發(fā)電短期內(nèi)可能無法滿足用電需求時(shí),需要提前最大化存儲(chǔ)電能,并只在應(yīng)急情況下釋放,滿足重要負(fù)荷在特定應(yīng)急時(shí)期使用。

(5) 直流側(cè)孤島模式。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障,建筑直流微電網(wǎng)交流側(cè)失電時(shí),直流側(cè)處于孤立的“發(fā)-儲(chǔ)-配-用”自平衡狀態(tài)。

建筑直流系統(tǒng)控制策略如圖4所示。

圖4 建筑直流系統(tǒng)控制策略

5 結(jié) 語

本文系統(tǒng)構(gòu)建了建筑直流供用電系統(tǒng)整體建設(shè)思路,在此基礎(chǔ)上提出直流智慧建筑的典型配置方案,并給出建筑能量監(jiān)控系統(tǒng)的全景設(shè)計(jì)架構(gòu),配合響應(yīng)的控制與保護(hù)系統(tǒng),結(jié)合電網(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢,制定對(duì)應(yīng)的運(yùn)行控制策略,實(shí)現(xiàn)建筑能源系統(tǒng)清潔化、高效化,為后續(xù)實(shí)際推廣應(yīng)用提供理論支撐和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)參考。同交流電相比,直流電在消納分布式能源以及轉(zhuǎn)換效率方面有其先天的優(yōu)勢。在全球推動(dòng)碳達(dá)峰、碳中和的國際大勢下,建筑作為電力消耗的重要對(duì)象,結(jié)合分布式發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展以及能源革命的持續(xù)推進(jìn),直流配電技術(shù)也將從局部示范得以不斷推廣應(yīng)用。在敏感負(fù)荷集中的工業(yè)園區(qū)、分布式發(fā)電集中應(yīng)用區(qū)域、數(shù)據(jù)中心、綠色建筑等場景,直流供用電模式將有更為廣闊的應(yīng)用前景,建筑直流微電網(wǎng)也將成為支撐電網(wǎng)整體高效運(yùn)行的能量單元,成為未來建筑技術(shù)發(fā)展的重要突破口。