趙宇明，郭佩乾，袁志昌，劉國偉，童亦斌，廖貴臏

（1. 深圳供電局有限公司， 廣東 深圳 518020；2. 清華大學(xué)電機(jī)系，北京 100084；3. 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 北京 100044；4. 深圳微網(wǎng)能源管理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室有限公司， 廣東 深圳 518020）

0 引言

“十四五”電力規(guī)劃的逐步推進(jìn)，可再生能源和電力電子設(shè)備滲透率將逐步增加，新型電力系統(tǒng)進(jìn)入“雙高”階段。從配電角度而言，大量以直流驅(qū)動(dòng)的充電樁、分布式儲(chǔ)能、可再生能源、5G 基站、數(shù)據(jù)中心與電力電子變壓器等設(shè)備接入了配網(wǎng)系統(tǒng)。這些終端設(shè)備的直流化發(fā)展趨勢直接驅(qū)動(dòng)了電力分配和應(yīng)用方式的變革［1-4］。

相較于交流方案，使用直流技術(shù)的系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：1）直流系統(tǒng)無需考慮頻率與無功功率等問題，有效提高了電能質(zhì)量與供電可靠性；2）直流負(fù)荷以及分布式能源可直接并入直流系統(tǒng)，有效減少DC/AC轉(zhuǎn)換損耗以及設(shè)備成本；3）直流系統(tǒng)不存在交流配電系統(tǒng)線路的電暈損耗，系統(tǒng)損耗僅為交流系統(tǒng)的一半甚至以下［5］；4）所采用的電力電子裝置具備的一、二次高度融合特性和天然的物聯(lián)網(wǎng)特性，對(duì)可控設(shè)備進(jìn)行簡單改造即可創(chuàng)造出物聯(lián)節(jié)點(diǎn)［6］。直流技術(shù)在配用電方面的應(yīng)用能夠方便接入各類新型直流負(fù)荷與變頻負(fù)荷，可根據(jù)用戶需求提供更高效、靈活、安全的供電服務(wù)，適應(yīng)未來用戶側(cè)的發(fā)展需求。因此，直流用電系統(tǒng)的優(yōu)勢不僅僅是直流用電設(shè)備的能效提升，在國家所推進(jìn)的“雙碳目標(biāo)”和可再生能源大規(guī)模發(fā)展的背景下［7］，其應(yīng)用價(jià)值在于提高分布式發(fā)電和儲(chǔ)能的利用效率和控制性能。直流技術(shù)在建筑行業(yè)里的應(yīng)用推進(jìn)“發(fā)-儲(chǔ)-用”一體化的自主性全直流模式，為用戶提供更靈活、更加經(jīng)濟(jì)、更可靠和更安全的用電環(huán)境［8］。

隨著國內(nèi)外直流建筑試點(diǎn)項(xiàng)目的推進(jìn)，不少直流供電建筑已開展實(shí)施應(yīng)用，如哥德堡Akademiska Hus 直流供電辦公樓、NZEB 的AGU 總部、松下電工與興和公司合作的建筑全直流供電系統(tǒng)，深圳未來立方、深圳中美中心和南京國臣直流配電公司辦公樓等［9-14］。國內(nèi)外直流配電建筑的電力系統(tǒng)架構(gòu)有所區(qū)別，但結(jié)構(gòu)本質(zhì)仍大同小異［15］。學(xué)者們分別從運(yùn)行可行性與經(jīng)濟(jì)性分析［8，16］、系統(tǒng)架構(gòu)與規(guī)劃［17-18］、設(shè)備建模［19］、電能質(zhì)量評(píng)估和故障分析等［20-23］方面對(duì)建筑直流配用電系統(tǒng)領(lǐng)域開展了研究。然而，低壓建筑直流配用電系統(tǒng)（DC building distribution and utilization system， DCBDUS）的控制策略和運(yùn)行管理與“中壓-高壓”直流系統(tǒng)也有所區(qū)別［8］，其特點(diǎn)如下：1）低壓建筑直流配用電系統(tǒng)的組網(wǎng)架構(gòu)逐漸由集中化向分散化發(fā)展；2）新增直流負(fù)荷和電源設(shè)備與傳統(tǒng)建筑配用電系統(tǒng)中用能負(fù)荷有顯著的區(qū)別，電力設(shè)備接入系統(tǒng)的控制與配合方式不同；3）直流建筑終端用戶負(fù)荷接入無序化、隨機(jī)性強(qiáng)，控制方案需要傾向“友好、靈活接入”的需求。目前綜合考慮建筑直流配用電系統(tǒng)特點(diǎn)，且與之相匹配的運(yùn)行控制的系統(tǒng)性分析與需求匹配方面研究較少。

為了推動(dòng)建筑直流配用電系統(tǒng)在新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)生態(tài)鏈中的高質(zhì)量發(fā)展，本文對(duì)適用于未來建筑直流配用電系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略與核心控制設(shè)備的發(fā)展路徑開展了系統(tǒng)性研究。文中第一部分梳理并總結(jié)了建筑直流系統(tǒng)的典型應(yīng)用場景、組網(wǎng)架構(gòu)，以及相匹配的運(yùn)行控制方案。第二部分圍繞“扁平化、分布式”供電特點(diǎn)和未來“弱中心化”控制應(yīng)用的需求，探討了適用于分布式和集中式建筑直流系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略。在確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，新型建筑直流配用電系統(tǒng)以適應(yīng)未來“扁平化”組網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)，“去中心化”應(yīng)用需求，以及“差異化”多類型設(shè)備的靈活接入。以建設(shè)中的深圳“低碳城未來大廈”示范工程應(yīng)用為例，開展了相匹配的運(yùn)行控制策略與運(yùn)行結(jié)果的分析研究，并提出了核心控制變換裝備的未來發(fā)展路徑。

1 低壓建筑直流配用電系統(tǒng)的特點(diǎn)與典型架構(gòu)分析

1.1 低壓建筑直流配用電系統(tǒng)基本電壓控制

直流電壓的穩(wěn)定不僅將直接體現(xiàn)系統(tǒng)功率的平衡情況，同時(shí)可反映系統(tǒng)面臨下一次故障時(shí)所具備抗擾動(dòng)能力的強(qiáng)弱，是評(píng)價(jià)整個(gè)直流系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)。

目前，低壓建筑直流配用電系統(tǒng)采用的電壓控制方案仍可參考直流輸電領(lǐng)域的控制方案，主要分為3 類［24］：主從控制（master/slave control）、下垂控制（droop control）和電壓裕度控制（voltage margin control）。

1.2 低壓建筑直流配用電系統(tǒng)特點(diǎn)

包含分布式電源和多種類型直流用電設(shè)備的民用低壓直流建筑在供用電安全性、電能變換效率方面相較于傳統(tǒng)交流供電具有明顯的優(yōu)勢［5-8］。新型低壓直流建筑的主要負(fù)荷包括直流變頻空調(diào)、電梯、照明、人員安防系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)以及家用電器等多類型用電設(shè)備。供電側(cè)包含市政電網(wǎng)、光伏、風(fēng)電、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等，提供差異化電力供應(yīng)。因此，相較于中壓直流配用電系統(tǒng)，低壓建筑直流配用電系統(tǒng)具備以下特征。

1）系統(tǒng)連接方式簡單，易于構(gòu)建，供電半徑和容量更小，系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定性要求相對(duì)不突出。

2）對(duì)象以終端負(fù)荷應(yīng)用為主，需求差異化，接入設(shè)備較多樣化。除傳統(tǒng)交流負(fù)荷外，系統(tǒng)還含有分布式可再生能源系統(tǒng)以及直流變頻空調(diào)等新型可控直流負(fù)荷設(shè)備。

3）直流建筑系統(tǒng)控制、監(jiān)測與可控設(shè)備的管理仍以建筑管理系統(tǒng)（building management system，BMS）的控制為主，電力能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS）通過“補(bǔ)全測點(diǎn)、復(fù)用網(wǎng)絡(luò)，增加應(yīng)用”的方式輔助配合BMS 完成系統(tǒng)的全局預(yù)測、能量優(yōu)化與精細(xì)化調(diào)控［10］。

4）直流建筑配用電系統(tǒng)運(yùn)行方式簡單；系統(tǒng)架構(gòu)“弱中心化、扁平化”特點(diǎn)強(qiáng)。運(yùn)行管理更趨向于分布自治與免運(yùn)行維護(hù)的方向設(shè)計(jì)，減少需要用戶干預(yù)的控制管理與操作，專業(yè)化程度低。

1.3 低壓建筑直流配用電系統(tǒng)典型應(yīng)用場景與控制架構(gòu)

1.3.1 分布式電源和多種類型直流用電設(shè)備集中式接入直流建筑場景與典型控制架構(gòu)

當(dāng)終端設(shè)備采用放射狀布置在建筑范圍內(nèi)時(shí)，光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能等設(shè)備可以集中布置，以減少運(yùn)行控制的難度。全局電力直流EMS 的工作站布置到集中式BMS 內(nèi)，完善原有BMS 的部分控制管理的基礎(chǔ)功能。最大程度地利用原有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，低成本地實(shí)現(xiàn)了空間組網(wǎng)，并參與電網(wǎng)服務(wù)。

如圖1 所示，系統(tǒng)采用集中式控制架構(gòu)，配合主從控制策略。正常運(yùn)行時(shí)以市政電網(wǎng)的并網(wǎng)AC/CD 變換器作為主站，控制直流電壓，其余光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能等作為從站，控制輸出功率。其中，直流建筑中的BMS 與電力EMS 協(xié)調(diào)配合，BMS 收集照明、水泵、電梯等用電設(shè)備的工作狀態(tài)，同時(shí)也具備對(duì)部分設(shè)備下發(fā)控制指令的能力。電力EMS則根據(jù)日前負(fù)荷預(yù)測、光伏出力預(yù)測、電費(fèi)等信息對(duì)建筑內(nèi)可控電氣設(shè)備做能量優(yōu)化計(jì)算，得出對(duì)光伏、儲(chǔ)能、可控負(fù)荷等設(shè)備的調(diào)控指令，完善原有的能量管理基礎(chǔ)功能，完成對(duì)建筑系統(tǒng)的熱、冷、電等能源的全面優(yōu)化和精細(xì)化管控。

圖1 基于分布式電源和多種類型直流用電設(shè)備的直流建筑的集中式結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Centralized structure of DC building based on distributed power sources and various types of DC equipment

1.3.2 分布式電源和多種類型直流用電設(shè)備分散式接入直流建筑場景與控制架構(gòu)

相較于分布式電源和多種類型直流用電設(shè)備集中式接入建筑范圍內(nèi)方案，各類型設(shè)備分散式接入一棟或若干棟建筑內(nèi)的架構(gòu)則更契合未來新型直流建筑領(lǐng)域的發(fā)展方向。

用電設(shè)備分散式安裝在建筑內(nèi)不同區(qū)域時(shí)，可以采用分布式架構(gòu)配合分散式下垂控制策略，如圖2所示，各分散式區(qū)域負(fù)載通過各直流母線接入市政電網(wǎng)。各代理電力EMS 采用半融合的方式接入到BMS 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，調(diào)節(jié)光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能等連接設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自識(shí)別、自組織、自配置和協(xié)調(diào)配合，形成“扁平化、分布式”空間組網(wǎng)。

圖2 基于分布式電源和多種類型直流用電設(shè)備的直流建筑的集中-分散式結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Central-distributed structure of DC building based on distributed power sources and various types of DC equipment

正常運(yùn)行模式下，BMS 系統(tǒng)完成對(duì)建筑傳統(tǒng)負(fù)荷工作狀態(tài)和能耗的監(jiān)測。雙向可控變換器根據(jù)EMS所計(jì)算下發(fā)的下垂斜率開展調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)能量平衡［21］。直流建筑內(nèi)用電或供電側(cè)設(shè)備出力變化時(shí)，光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)中相對(duì)應(yīng)的控制器根據(jù)電力EMS提供的分鐘級(jí)最優(yōu)的目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并自適應(yīng)調(diào)整輸出功率值，各自完成熱、冷、電控制調(diào)節(jié)。當(dāng)光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)無法滿足網(wǎng)絡(luò)能量需求，可切除部分優(yōu)先級(jí)較低的負(fù)荷，盡可能保證用戶側(cè)用電環(huán)境穩(wěn)定。

2 未來低壓建筑直流配用電系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略討論

如上文所述，低壓直流建筑配用電系統(tǒng)的運(yùn)行和控制功能主要依靠控制變換器來實(shí)現(xiàn)。核心控制變換設(shè)備間的協(xié)調(diào)又可歸類為集中式和分散式兩種運(yùn)行協(xié)調(diào)控制策略，具體對(duì)比如表1所示。

表1 建筑直流配用電系統(tǒng)運(yùn)行控制策略Tab.1 Operation control strategy for DCBDUS

2.1 集中式運(yùn)行控制策略在低壓建筑直流配用電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

集中式運(yùn)行控制技術(shù)采用垂直式架構(gòu)（如1.1節(jié)中涉及的主從式與電壓裕度式控制技術(shù)），研究較為成熟，但其本身固有的特點(diǎn)與建筑直流配用電系統(tǒng)需求產(chǎn)生矛盾，主要表現(xiàn)為以下幾方面。

1）實(shí)時(shí)通信依賴要求高，系統(tǒng)可靠性較弱。上層中央控制器的整定值設(shè)定，各換流站的約束條件、運(yùn)行狀態(tài)切換，指令傳輸以及各系統(tǒng)各電氣量的交互均需通過實(shí)時(shí)通信方式實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于直流建筑范圍內(nèi)各設(shè)備分散接入后供電范圍較大的應(yīng)用場景甚至可能要采用光纖通信，增加了系統(tǒng)成本。一旦通信發(fā)生故障，各個(gè)電力變換器與中央控制器之間無法進(jìn)行雙向信息交互，失去全局協(xié)調(diào)能力，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失穩(wěn)，可靠性弱。

2）控制協(xié)調(diào)切換要求。集中式控制架構(gòu)設(shè)定唯一主控制器作為定直流電壓控制方式，其余變換器則根據(jù)實(shí)際要求實(shí)現(xiàn)定功率或定交流電壓控制。

以圖1 低壓建筑直流系統(tǒng)為例，當(dāng)大擾動(dòng)（如外部電網(wǎng)停電、線路斷線故障、關(guān)鍵組網(wǎng)設(shè)備離網(wǎng)、保護(hù)動(dòng)作等）導(dǎo)致市政AC/DC 退出造成停供電時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行方式將會(huì)發(fā)生改變，主站需要及時(shí)向臨近的從站（光伏或儲(chǔ)能變換器）發(fā)出控制模式切換指令，迅速將從站啟動(dòng)為后備主站，以重新維持系統(tǒng)直流電壓，運(yùn)行控制特性如圖3所示。

圖3 集中式控制特性圖Fig.3 Centralized control characteristics diagram

然而，在光伏控制變換器等備用主站控制模式切換過程中，系統(tǒng)所連接剩余變換器將脫離同步信號(hào)控制而短暫失效。同時(shí)，復(fù)雜的組網(wǎng)架構(gòu)切換對(duì)系統(tǒng)性能大打折扣，造成協(xié)調(diào)運(yùn)行方案設(shè)計(jì)困難。進(jìn)一步而言，如果系統(tǒng)故障嚴(yán)重時(shí)（如主站與備用主站均失去直流電壓控制能力）會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，給實(shí)際應(yīng)用帶來更多困難。

3）控制設(shè)備適配性要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型和組網(wǎng)調(diào)試階段需要對(duì)不同廠家各類設(shè)備進(jìn)行對(duì)接調(diào)試工作，以適配建筑直流配用電系統(tǒng)。

面向低壓建筑直流配用電技術(shù)應(yīng)用場景中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備類型和接入等條件可能隨時(shí)發(fā)生變化的特點(diǎn)，新增接入設(shè)備需要適應(yīng)現(xiàn)有系統(tǒng)運(yùn)行策略，或原有系統(tǒng)需配合新增設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行策略的二次調(diào)整，系統(tǒng)靈活性和擴(kuò)展能力大大受限。

2.2 分散式運(yùn)行控制策略在低壓建筑直流配用電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

分散式運(yùn)行控制技術(shù)以多點(diǎn)控制為基礎(chǔ)，系統(tǒng)內(nèi)各控制器不相互依賴，可大量復(fù)制是此類控制方案的主要特色。由于該方案具有極高的自由度與建筑直流配用電系統(tǒng)需求十分匹配，具體表現(xiàn)如下。

1）弱通信依賴性。分散控制無需中央控制器，建筑系統(tǒng)聯(lián)接的市政電網(wǎng)、光伏、儲(chǔ)能與可控負(fù)荷聯(lián)接的變換器均可根據(jù)本地信息做出控制決策。

2）獨(dú)立且對(duì)等控制。直流建筑內(nèi)可控負(fù)荷或供電側(cè)直流設(shè)備出力變化時(shí)，變換器可自適應(yīng)調(diào)整功率值，完成協(xié)調(diào)。對(duì)等控制器中任何一臺(tái)出現(xiàn)故障也不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)可靠性較高。

3）電壓穩(wěn)定性要求不突出。控制器根據(jù)直流電壓偏差將有功功率調(diào)節(jié)到參考水平。然而，該動(dòng)作的發(fā)生是以另一變量的穩(wěn)態(tài)偏差為代價(jià)的，兩種行為相互矛盾。因此，分散控制方案系統(tǒng)直流電壓的精確控制能力較差，控制變換器電壓下垂運(yùn)行控制特性和電壓偏差計(jì)算如式（1）—（2）所示。

式中：Prefdc和Urefdc分別為單變換器有功功率與直流電壓設(shè)定參考值；P和Udc分別為單變換器有功功率和直流電壓實(shí)測值；kdc為變換器下垂控制系數(shù)的設(shè)定值；σ為電壓偏差的極限，通常選擇直流電壓基準(zhǔn)的5%。

隨著直流系統(tǒng)組網(wǎng)規(guī)模的增加，控制器穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間也逐漸變窄［21］。然而，對(duì)于直流建筑系統(tǒng)供電半徑小，電壓降落較小，綜合交直流用電設(shè)備的通用性角度與民用建筑終端用戶需求為依據(jù)［22］，單極標(biāo)稱電壓選擇DC 375 V 時(shí)，直流電壓運(yùn)行范圍最大可達(dá)到DC 350 ～ 400 V，兩者十分契合。

4）設(shè)備接入高度友好且靈活，可滿足多種目標(biāo)需求?？紤]用戶側(cè)終端設(shè)備種類復(fù)雜，無序化、隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)，結(jié)合分布式設(shè)備接入架構(gòu)的建筑直流配電系統(tǒng)電路改造或擴(kuò)張供電能力等因素，采用分散式方案的系統(tǒng)，新接入設(shè)備與原設(shè)備變換器在系統(tǒng)中承擔(dān)角色一致，易實(shí)現(xiàn)“即插即用”。

分散式運(yùn)行控制方案如圖4 所示。整個(gè)直流建筑控制管理系統(tǒng)沒有固定的集控中心站，降低了網(wǎng)絡(luò)樞紐故障或者集控中心站故障導(dǎo)致系統(tǒng)功能缺失的風(fēng)險(xiǎn)和調(diào)試維護(hù)難度，提高了系統(tǒng)可靠性。

圖4 分散式控制特性圖Fig.4 Decentralized control characteristics diagram

2.3 未來低壓建筑直流配用電系統(tǒng)運(yùn)行控制策略

表2 給出了集中式控制策略和分散控制策略與未來建筑直流配用電系統(tǒng)綜合需求匹配度對(duì)比結(jié)果。據(jù)此可得出較明確的結(jié)論，對(duì)于現(xiàn)有建筑系統(tǒng)向直流模式的改造以及并網(wǎng)端數(shù)較少的新建直流建筑系統(tǒng)，集中式控制方案顯然可以通過復(fù)用原有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以最低成本完成直流系統(tǒng)組網(wǎng)，參與電網(wǎng)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)可再生能源消納。

表2 控制方案與低壓直流建筑需求匹配度對(duì)比Tab.2 Matching degree comparison of requirements among control strategies in low voltage DCBDUS

面向未來直流建筑配用電系統(tǒng)的分散式架構(gòu)趨勢和全局化調(diào)控需求，結(jié)合應(yīng)用形態(tài)的物聯(lián)整合和引入的“去中心化”理念，分散式控制則更為契合未來低壓直流建筑的“可觀、可控”的“扁平化”組網(wǎng)架構(gòu)發(fā)展特征，實(shí)現(xiàn)可控設(shè)備的精細(xì)化調(diào)控及系統(tǒng)的全局能量優(yōu)化和節(jié)能降耗。

3 “低碳城未來大廈”示范工程應(yīng)用

3.1 “低碳未來大廈”系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

以深圳“低碳城未來大廈”低壓直流建筑配用電系統(tǒng)示范工程為應(yīng)用案例展開研究。LVDCBUDS采用雙極主接線架構(gòu)，通過并網(wǎng)AC/DC 變換器與外部電網(wǎng)部分連接，在直流側(cè)構(gòu)成DC±375 V 直流母線系統(tǒng)［25］。目前，低壓配用電系統(tǒng)通過直流母線連接光伏、分布式與集中式儲(chǔ)能、直流空調(diào)、新風(fēng)機(jī)以及一體化配電單元，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)樓層供電，形成直流配電系統(tǒng)，系統(tǒng)一次拓?fù)淙鐖D5所示。

圖5 深圳低碳城未來大廈系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.5 Configuration of Shenzhen IBR Future Complex

3.2 雙層式運(yùn)行控制架構(gòu)

根據(jù)未來大廈系統(tǒng)拓?fù)?，結(jié)合文中第1 節(jié)中分布式電源和多種類型直流用電設(shè)備集中式接入直流建筑應(yīng)用場景，現(xiàn)階段工程應(yīng)用了集中式設(shè)備組網(wǎng)與單端并網(wǎng)方案，采用了“雙層式、扁平化”的集中式控制架構(gòu)和主從控制策略。據(jù)此，與外部交流電網(wǎng)聯(lián)接的并網(wǎng)變換器AC/DC 1和AC/DC 2工作于電壓源方式，其他聯(lián)接換流器或直流可控設(shè)備，如儲(chǔ)能變換器（energy storage converter， ESC）、光伏變換器（photovoltaic converter， PVC）等分別采用相對(duì)應(yīng)MPPT和定功率等工作方式。

另外，按照控制功能的時(shí)間尺度控制分為了長期能量優(yōu)化管理（最優(yōu)控制層）和短期功率平衡（分布自治層）如圖6 所示。整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行方式如圖7 所示，主要分為4 種：1）日常運(yùn)行方式；2）單極運(yùn)行方式；3）離網(wǎng)運(yùn)行方式；4）檢修運(yùn)行方式。

圖6 低碳城未來大廈兩層式控制架構(gòu)Fig.6 Two-layer control structure of low-carbon city-based future building

圖7 低碳城未來大廈系統(tǒng)運(yùn)行方式Fig.7 Operation modes of low-carbon city-based future building

3.2.1 日常運(yùn)行方式（雙極運(yùn)行模式）

AC/DC 變換器正常運(yùn)行，與交流電網(wǎng)聯(lián)接正常，變換器承擔(dān)系統(tǒng)交流/直流變換功能。系統(tǒng)采用直流電壓控制模式，把直流電壓分為3 個(gè)電壓帶，首先光伏PVC DC/DC 穩(wěn)定直流母線電壓、單極穩(wěn)定電壓范圍為393 ～ 382 V。當(dāng)系統(tǒng)電壓低于382 V 時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)ESC DC/DC 開始投入運(yùn)行，輸出功率穩(wěn)定直流母線電壓。當(dāng)直流母線電壓低于375 V 時(shí)候，并網(wǎng)變換器AC/DC 投入運(yùn)行，輸出功率穩(wěn)定直流母線電壓。整個(gè)運(yùn)行過程中，電力EMS結(jié)合建筑BMS 實(shí)現(xiàn)整個(gè)直流建筑系統(tǒng)能量平衡計(jì)算與參數(shù)整定。

日常并網(wǎng)運(yùn)行方式下，兩臺(tái)AC/DC變換器交替運(yùn)行，以減少空載損耗。日常運(yùn)行方式1 時(shí)，AC/DC1 變換器正常工作，與交流電網(wǎng)聯(lián)接，AC/DC2處于待機(jī)備用狀態(tài)；日常并網(wǎng)運(yùn)行方式2 時(shí)，AC/DC2 變換器正常工作，與交流電網(wǎng)聯(lián)接，AC/DC1處于待機(jī)狀態(tài)，等待工作模式切換。交替運(yùn)行方式由AC/DC 變換器自行控制，且交替運(yùn)行時(shí)應(yīng)不影響直流配電系統(tǒng)可用性。

3.2.2 單極運(yùn)行方式

當(dāng)一極的光伏PVC、儲(chǔ)能系統(tǒng)ESC 以及并網(wǎng)AC/DC變換器故障導(dǎo)致正極或負(fù)極閉鎖后，系統(tǒng)進(jìn)入單極運(yùn)行方式。單極系統(tǒng)運(yùn)行主要目標(biāo)是AC/DC變換器所連閉鎖極盡可能維持原有負(fù)荷持續(xù)運(yùn)行，EMS聯(lián)合BMS與“光-儲(chǔ)”系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量協(xié)調(diào)。

該運(yùn)行方式下，并網(wǎng)AC/DC 變換器仍在運(yùn)行的一極維持原有運(yùn)行方式，與閉鎖換流器相連的一極運(yùn)行于光儲(chǔ)孤島模式，由光伏系統(tǒng)控制該極直流電壓（單極DC 390 V）。當(dāng)負(fù)荷容量較小時(shí)，儲(chǔ)能ESC可以實(shí)現(xiàn)“光-儲(chǔ)”聯(lián)合優(yōu)化的功能。當(dāng)“光-儲(chǔ)”聯(lián)合系統(tǒng)供電容量有限而無法完全滿足該極供能需求時(shí)，應(yīng)該切除該閉鎖極部分優(yōu)先級(jí)較低的負(fù)荷。充電樁退出運(yùn)行，空調(diào)由自配儲(chǔ)能維持運(yùn)行，新風(fēng)機(jī)組停運(yùn)，健全極維持正常運(yùn)行，故障極實(shí)現(xiàn)最小功率運(yùn)行。此時(shí)，系統(tǒng)解列為3 個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)，健全極、故障極和空調(diào)外機(jī)。

3.2.3 離網(wǎng)運(yùn)行方式

由于外部電網(wǎng)停電等原因，并網(wǎng)AC/DC 變換器將退出運(yùn)行導(dǎo)致停供電。光伏PVC穩(wěn)定直流母線電壓，單極穩(wěn)定電壓范圍393～382 V，當(dāng)系統(tǒng)電壓低于382 V 時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)開始投入運(yùn)行，輸出功率穩(wěn)定直流母線電壓。離網(wǎng)運(yùn)行方式下，正極和負(fù)極設(shè)備均為獨(dú)立控制。當(dāng)一極由于設(shè)備故障無法維持離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，不影響另一極的運(yùn)行狀態(tài)。充電樁退出運(yùn)行，空調(diào)由自配儲(chǔ)能維持運(yùn)行，新風(fēng)機(jī)組停運(yùn)，正極和負(fù)極維持最小功率運(yùn)行。當(dāng)單極電壓低于DC 375 V 時(shí)，系統(tǒng)切直流空調(diào)。此時(shí)，系統(tǒng)解列為3 個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)，正極、負(fù)極和空調(diào)外機(jī)（含自配儲(chǔ)能）。

3.2.4 檢修運(yùn)行方式

在全系統(tǒng)檢修和維護(hù)期間，要求具有電擊事故風(fēng)險(xiǎn)的電源（儲(chǔ)能、光伏等）在電氣上與系統(tǒng)可靠隔離，以確保操作人員的安全。子系統(tǒng)檢修或維護(hù)時(shí)，應(yīng)確保子系統(tǒng)與電網(wǎng)連接的開關(guān)可靠斷開。在該期間應(yīng)不影響其余系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下進(jìn)行，如無法滿足則應(yīng)選擇全系統(tǒng)檢修。檢修運(yùn)行方式下，各個(gè)子系統(tǒng)之間的連接開關(guān)提供狀態(tài)量，供運(yùn)行人員判斷是否滿足檢修條件。

3.3 示范運(yùn)行結(jié)果

由于試運(yùn)行期間的負(fù)荷功率水平較低，本文對(duì)該直流建筑系統(tǒng)低負(fù)荷需求下的雙極運(yùn)行模式進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與研究，選擇2021 年9 月29 日上午08：40至下午17：20運(yùn)行結(jié)果開展分析。

直流建筑內(nèi)有功功率曲線如圖8 所示，根據(jù)當(dāng)日負(fù)荷曲線，在滿足供電系統(tǒng)安全及負(fù)荷需求前提下，BMES 與光伏發(fā)電系統(tǒng)通過協(xié)作配合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，維持整個(gè)系統(tǒng)的全負(fù)荷支撐，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的凈功率平衡。儲(chǔ)能作為實(shí)現(xiàn)削峰填谷設(shè)備，在最大化消納光伏發(fā)電的前提下，盡可能地平抑網(wǎng)絡(luò)功率。如圖9 所示，在該運(yùn)行模式下，系統(tǒng)單極母線電壓穩(wěn)定在DC 390 V 左右，根據(jù)式（2）計(jì)算所得σ在允許范圍內(nèi)，并網(wǎng)AC/DC 無需參與母線電壓控制。

圖8 低碳城未來大廈功率曲線Fig.8 Power curves of low-carbon city-based future building

圖9 低碳城未來大廈直流電壓曲線Fig.9 DC voltage curves of low-carbon city-based future building

總結(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果分析可知，低碳城未來大廈示范工程滿足預(yù)期效果，驗(yàn)證了所采用的集中式運(yùn)行控制架構(gòu)的有效性與正確性。

4 低壓建筑直流配用電系統(tǒng)核心控制變換設(shè)備市場化發(fā)展需求

如前文所述，基于電力電子技術(shù)的控制變換器不僅可以改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成靈活多變的網(wǎng)絡(luò)組成架構(gòu)以適應(yīng)用戶側(cè)多目標(biāo)接入需求，也作為直流建筑配用電系統(tǒng)運(yùn)行控制方案執(zhí)行的核心，實(shí)現(xiàn)各種控制策略的調(diào)整，有著不可或缺的作用。大量可控直流設(shè)備以及分布式可再生能源的接入，直流建筑配用電系統(tǒng)終端設(shè)備多樣化，控制變換裝備的控制需求和裝設(shè)數(shù)量也逐步增加。為了有效推進(jìn)控制變換設(shè)備的市場化應(yīng)用與新型直流建筑產(chǎn)業(yè)鏈的高質(zhì)量發(fā)展，針對(duì)核心換流裝備的控制技術(shù)研發(fā)和推廣，兩方面問題需重點(diǎn)關(guān)注。

1）從技術(shù)角度而言，系統(tǒng)運(yùn)行控制功能完全依賴變換器來實(shí)現(xiàn)，而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和調(diào)控目標(biāo)、設(shè)備類型和接入等條件可能隨時(shí)發(fā)生變化，變換器必須基于系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)對(duì)控制功能和參數(shù)快速調(diào)整才能滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。同時(shí)，結(jié)合第1 節(jié)中新型低壓直流建筑配用電系統(tǒng)應(yīng)用場景的特點(diǎn)，控制變換器即要在滿足建筑范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相對(duì)薄弱集中化和專業(yè)化管理的同時(shí)，又要考慮多樣化、個(gè)性化用電設(shè)備和功能設(shè)備的靈活配合，給控制變換器的技術(shù)功能帶來巨大的挑戰(zhàn)。

2）從設(shè)備市場化應(yīng)用的方面出發(fā)，采用分散對(duì)等式的控制變換器通過提前規(guī)約不同設(shè)備的協(xié)調(diào)工作，比較適合控制變換器的集成廠商，但卻對(duì)于通用變換器的選型范圍帶來了門檻。如果不能解決通用變換器的“即插即用”問題，將會(huì)對(duì)控制變換器的現(xiàn)場調(diào)試帶來較高的難度，提升了成本，不利于低壓建筑直流配用電技術(shù)的推廣。

現(xiàn)階段，應(yīng)對(duì)不同廠家通用變換器“即插即用”的接入已有組網(wǎng)系統(tǒng)問題，可通過組網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)控制器接入的要求，對(duì)各類型通用變換器的外特性統(tǒng)一采用Pref/Urefdc的下垂控制特性描述，形成具備多種控制能力的技術(shù)，應(yīng)用在對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行控制特性影響較大、功率調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)的設(shè)備上，如直流供電電源并網(wǎng)變換器AC/DC、儲(chǔ)能變換器ESC DC/DC、光伏PVC DC/DC 和直流變頻空調(diào)等，核心控制結(jié)構(gòu)可表述為圖10 所示。據(jù)此，根據(jù)帶直流電壓下垂特性控制式（2），所提復(fù)合節(jié)點(diǎn)控制器的控制特性可簡化表達(dá)式如（3）所示。

圖10 復(fù)合節(jié)點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Composite control node structure diagram

式中：N為直流建筑系統(tǒng)內(nèi)DC/DC 或AC/DC 并網(wǎng)變換器的數(shù)量；Udc，i為第i個(gè)變換器端口的直流電壓；Urefdc為直流建筑系統(tǒng)電壓參考指令值；kdc，i為第i個(gè)變換器所附加的復(fù)合節(jié)點(diǎn)控制器設(shè)定的下垂參數(shù)；Pcontdc，i為第i個(gè)原有控制變換器實(shí)測功率值；Prefi為BEMS 通過系統(tǒng)運(yùn)行工況所計(jì)算得出的第i個(gè)換流器的有功功率參考指令值。

復(fù)合節(jié)點(diǎn)控制器可根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況，預(yù)先植入模型，運(yùn)行過程中只需簡單的信息就可以對(duì)變換器運(yùn)行控制功能和參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，靈活適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行模式的變化。同時(shí)，該變換器的功能和控制參數(shù)采用通用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，并通過復(fù)合節(jié)點(diǎn)控制器與監(jiān)控系統(tǒng)接口，有利于系統(tǒng)監(jiān)控功能的簡統(tǒng)，可擺脫現(xiàn)階段對(duì)某一類型、具體變換器產(chǎn)品的依賴?，F(xiàn)階段，復(fù)合節(jié)點(diǎn)控制器控制變換器已在深圳直流配電系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室通過了測試，在實(shí)際工程中的應(yīng)用正在進(jìn)一步驗(yàn)證。

低壓建筑直流配用電系統(tǒng)中控制變換器的發(fā)展與完善是一個(gè)復(fù)雜的工程。面向未來新型直流建筑配用電系統(tǒng)所需數(shù)量較大的核心控制變換器，不僅需要在變換器控制策略及調(diào)控技術(shù)方面采取措施，還要弱化其硬件本身與直流建筑系統(tǒng)的耦合限制，更快捷地接入系統(tǒng)，以滿足系統(tǒng)多種復(fù)雜工況的運(yùn)行需求，實(shí)現(xiàn)控制變換設(shè)備市場化的應(yīng)用與推廣。

5 結(jié)語

新型低壓建筑直流配用電系統(tǒng)正處于發(fā)展階段，運(yùn)行控制技術(shù)與相關(guān)核心設(shè)備的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)仍有待于積累。本文針對(duì)現(xiàn)有建筑系統(tǒng)向直流模式的改造和新建低壓直流建筑配用電系統(tǒng)的運(yùn)行方案進(jìn)行了探討，并給出了明確建議。同時(shí)，面對(duì)未來低壓建筑直流配用電系統(tǒng)架構(gòu)扁平化、通信需求低和穩(wěn)定性問題不突出等特點(diǎn)，結(jié)合各類型設(shè)備在建筑內(nèi)小范圍內(nèi)接入時(shí)扁平弱中心化、管理分散和專業(yè)化程度相對(duì)較低等特殊要求，分散式策略由于各控制變換器間的對(duì)等獨(dú)立和調(diào)節(jié)靈活等特點(diǎn)而十分契合新型直流建筑的需求。結(jié)合深圳“低碳城未來大廈”低壓直流建筑配用電系統(tǒng)示范工程，對(duì)現(xiàn)階段工程采用的控制策略與運(yùn)行實(shí)測結(jié)果完成了分析研究。

面對(duì)未來低壓建筑直流系統(tǒng)核心控制變換裝備的研發(fā)、應(yīng)用與推廣，需盡快對(duì)以下兩方面開展研究：1）對(duì)未來開放式、具備自主協(xié)調(diào)控制能力的控制變換器開展技術(shù)方面的研發(fā)，以擺脫對(duì)特定種類控制變換設(shè)備的強(qiáng)依賴性，實(shí)現(xiàn)“軟硬件解耦”，打破應(yīng)用門檻以推進(jìn)直流建筑配用電技術(shù)的應(yīng)用和推廣；2）對(duì)已有多類型控制變換器組網(wǎng)系統(tǒng)，開展上層控制架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)劃、制定研究，實(shí)現(xiàn)差異化、定制化的控制變換設(shè)備簡單統(tǒng)一管理，推進(jìn)控制變換設(shè)備的友好并網(wǎng)。

據(jù)此，本文研究內(nèi)容與核心變換裝備發(fā)展路徑討論可為未來建筑直流配用電系統(tǒng)的應(yīng)用提供有力的技術(shù)支撐，可推進(jìn)其成為“可及、可感、可用、可控”的全新生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)備建設(shè)產(chǎn)業(yè)模式鏈。