直流電源系統將微電網帶入辦公室

喬·尼斯利

在19世紀80年代，當托馬斯愛迪生研制出第一盞實用的白熾燈時，就引發了一場關于交流配電和直流配電的優點問題的辯論。這是一場相當激烈的戰斗——“電源之爭”，漸漸地交流配電成為了最后的贏家。如今，隨著便攜式電子產品的廣泛使用，使得電力的發配電問題不得不被重新考慮。

現在的商業建筑設計，家具布局靈活，適合各種業務項目，不再是以往固定的設計風格。

在整個20世紀，我們已經習慣了交流輸配電系統的工作效率，即使進入建筑物的交流電力需要通過一系列電壓電平轉換，才能適應用于各種電力負荷（主要是指照明和電機）。然而，由于晶體管和其他固態組件的發明，使得建筑物內出現了越來越多的低壓直流電器負荷（如計算機、IT設備、手機充電器和其他個人使用的設備，以及建筑控制傳感器、暖通空調執行器、標牌、安全系統元件及A / V系統）。

這些設備的供電都需要通過交流配電系統進行轉換和整流。

照明作為建筑物中最大的耗電部分，也漸漸的轉變為采用固態電源進行供電，如通常采用12V或24V直流供電的發光二極管（LED）和有機發光二極管（OLED）。這些燈具通常會比標準的吸頂燈體積更小、更輕，因此，在需要重新裝修時，比吸頂燈和傳感器/控制器等更易于安裝和改變。

多年來，工作場所在交付使用時其照明和各種電氣設備就已經按特定方式進行了安裝和布線，而并非按照用戶的需求布置。如今，商業建筑更青睞能適應各自業務需求的靈活的設備布局，而不再是以往固定的辦公桌擺放位置的設計風格。

所以現在的問題是，為什么不在建筑物內的交流配電系統基礎上建立直流電源配電系統，從而避免所有的電源轉換，并滿足如今工作場所創新的需求呢？有了這種思路，一些企業，包括能源服務和建筑產品公司以及許多照明和照明控制供應商（超過70家）于2008年創建了EMerge聯盟。由該聯盟開發的首個開放式標準對將直流電源輸入到辦公區域為各種直流設備所利用的電源系統進行了定義，而使電源置于設備的外部。

2009年10月發布的《室內標準配電平臺標準》指出，直流電源是非常適于與吊頂平面集成的，這樣光源、傳感器、執行器以及其他設備（包括裝在吊頂里或吊頂之下的）便能被隨意的排列和移動，而不需要重新布線。其目的是使直流電源在所處的空間內能安全、靈活且易于使用。

在屋頂與柵格吊頂的密集空間安裝一個被稱為電源服務器模塊的轉換盒，它能將輸入為208V或240V的交流電源轉為24V的直流電源。然后直流電源被配給轉換盒面板上的16個單獨的2孔插座或插孔。每個插孔的插頭線應小于10m（30ft），以減少電阻的功率損耗。這種2級功率限制電路最大可以支持100VA。

直流電源也可通過一組母線來配出，母線呈倒T型布置，構成一個帶電的網格。這種網格設計使固定設備和其他電氣設備可以增加、更改和改變位置，只要在吊頂的上方和下方沿母線結構的兩側改變即可。安裝在屋頂與吊頂空間的所有布線線纜都必須是采用阻燃絕緣材料的。極化電纜組件外殼上有能松開的鎖環，易于快速的安裝和改動。

2類布線的導體也可以進行網絡流量通信，工作方式類似以太網供電（PoE）技術。PoE在結構布線系統中所面臨的挑戰是如何達到UTP布線距離限制以外的設備的位置。根據TIA /EIA 568- A標準，5e電纜的最大傳輸距離為100m或328ft。如果在一幢建筑內的多個位置都有直流電源，那么直流電的傳輸問題就可以得到緩解。

EMerge系統的設計中每個燈具內置一個無線接收器。尋址裝置可以通過無線的無電池開關或傳感器、或使用電池的無線系統進行控制。

在標準出版的同時，加州大學戴維斯分校的加州照明技術中心于2010年11月對第一批注冊的產品進行了評估，現在這些產品已經符合規范可以使用了。

為了使直流電的傳輸范圍超過2009年標準的規定，或不僅限于在一幢建筑物的一個房間內傳輸，該集團在15個測試點（辦公大樓和數據中心）使用的直流電源電壓高于第一個標準的規定。這使得EMerge聯盟和其行業合作伙伴正在討論的新概念運應運而生。

諸如太陽能光伏（PV）發電、風力發電和燃料電池發電等都能產生直流電源。這些能源可以儲存在電池、飛輪和超電容器中，利用這種設備的優勢，一種有時可獨立于大多數電網運行的直流電源微電網“孤島”可以提高電力系統的可靠性和安全性。微電網是一個小型的電力“網絡”，可以包括一個辦公樓，一個小區，或學校校園。在緊急情況下（電壓過低或停電），它也可以依托其直流儲能能力獨立于公用電網運行。在本地微電網中，固態開關設備可以快速中斷故障，從而提高系統可靠性和電能質量。

如果一個建筑內不再使用多重轉換裝置，就可減少高達35%的能量損失。一個低熱消耗和不太復雜的轉換系統也可能會潛在地使維護的要求更低、系統組件的壽命更長及運營成本更低。

目前，直流電源的最佳應用是在數據中心和電信設施中。美國環境保護局（環保局）在2007年關于“服務器和數據中心的能源效率”的國會報告中指出，美國的數據中心通過使用更節能的設備和更好的運行模式，每年可以節省高達40億美元的電力成本。

通常情況下，數據中心從電網中取得480V交流電，在將其轉換為直流電源后給不間斷電源（UPS）充電。然后直流電源再轉換回208V的交流電用于配電，只有在每個服務器電源的第一個階段才可以被調整回380V的直流電。總之，電源之間的轉換至少需要6次或更多。在每瓦用于數據處理的功率中，大約0.9W都用于轉換。此外，大約有0.6W!1.0W的功率是用于電能轉換裝置的散熱。

除了節能外，數據中心直流配電的其他潛在的好處也突顯出來，包括改善電能質量、減少冷卻需求、高設備密度、減少與發熱有關的故障、提高了可靠性以及現場可再生能源發電源更有效地集成。除了降低壓降，其他的優勢還包括無需平衡相位或使多種電源同步，減少了斷路器的數量從而簡化了布線。

美國環保局的能源之星計劃和諸如迫使交流電源效率上升的舉措，會隨著時間的推移逐漸減弱直流電源的優勢。然而，據業內分析員預測，即使與優質高效的交流系統相比，一個數據中心的直流系統也只使用不到7%的電能。或許它最大的節能可能是對數據中心面積上的減少，一個直流數據中心比交流數據中心能減少25%!40%的空間，主要是因為計算機設備可以直接與備用電池連接。

EMerge聯盟與其他行業協會和標準制定機構合作，于2009年開始制訂數據中心的直流電源標準。選擇380V直流作為配電電壓，是基于美國、歐洲和日本許多組織的工程數據協議。這從對一些技術問題的共識上便可以看出，例如第一屆日本直流建筑電源（DCBPJ）年度會議最近在東京舉行，這其中包含了許多的“第一”，包括：對住宅、數據中心及微網直流電建筑的綜合評論；電力研究所與日本直流電源工業合作伙伴的聯合會議；正式批準380V直流數據中心的臨時標準；以及第一個由高壓直流供電、并對公眾開放的數據中心。松下和夏普等日本財團正在對能將直流電源帶入商業建筑或住宅，利用太陽能光伏板直接為電氣設備或電動車供電的系統進行大量投資。

在DCBPJ會議結束時，電力研究所的直流電源合作伙伴、電力行業專家團及日本直流電源工業合作伙伴批準了根據歐洲電信標準協會（ETSI）的類似文件起草的臨時標準。同時，EMerge聯盟與ETSI完成了校準的直流電源標準。在2010年的綠色建筑電源論壇（GBPF）上，該聯盟與電力研究所也做出了同樣的努力。