樓宇低壓直流配電系統的研究意義及結構設計

趙 勇，嚴建海，王菲菲

（1.中國石油化工股份有限公司化工事業部，北京 100728；2.南京國臣直流配電科技有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引 言

社會經濟的迅速發展導致電力需求日益增加，但是傳統的集中式大規模發電帶來的全球氣候變化、環境污染以及化石能源的日益枯竭等問題不可忽視。因此，各國紛紛掀起能源革命。其中，風力發電和光伏發電的分布式電源憑借經濟性、清潔性、靈活性以及可靠性等優勢獲得了快速發展[1]。直流電由于其接納分布式發電的優異性能，越來越受到關注。而作為打通直流電最后一公里的低壓直流配網，則承擔著將直流電實用化的重要責任[2]。

1 樓宇低壓直流配電系統的研究意義

研究表明，建筑物中的直流負載在建筑能耗中占據較高的比例[3]。隨著綠色建筑概念的提出，低成本、低功耗、高可靠性以及高靈活性成為建筑電力領域的發展方向。因此，國內外學者紛紛開始研究樓宇低壓直流配電系統的可行性。隨著新能源和電力電子裝置的大量應用，樓宇低壓直流配電系統在技術與經濟上逐步展示出優勢。

1.1 對電網的研究意義

對于發電側而言，樓宇低壓直流配電系統將分布式發電技術與樓宇靈活地結合在一起，實現了能源的就地收集、就地消耗以及就地存儲，提升了配電網接納分布式電源的能力[4]。對于輸電而言，包含低壓直流配電系統的新型配電網，有交流和直流兩根母線[5]。與交流母線相比，直流母線線路損耗小、傳輸效率高且線路造價低，無需傳輸無功功率和進行無功補償，大幅降低了相應設備的投資[6]。

1.2 對用戶的研究意義

在建筑物中采用直流供電，設計更加靈活簡單。電腦和電視等家用電器屬于直流負荷，可直接或通過DC/DC變換器連接到直流母線上，而電冰箱和電風扇等交流負荷則連接到交流母線上。這種結構設計不僅減少了變流器設備的數量，而且可以縮小家用電器的體積，降低制造成本[7]。不僅如此，在建筑中采用直流供電能源效率更高，因為直流供電無需考慮電抗的影響，在導線截面和電壓等級都一樣的條件下，直流供電容量更大。研究表明，在相同條件下，直流電壓的安全閾值約為交流工頻電壓閾值的2.4倍[8]。因此，在建筑中采用直流供電的安全性更高。

2 LVDC系統的結構設計

2.1 系統結構

圖1為南京某園區公司辦公大樓LVDC系統的簡化單線圖。該系統采用放射式拓撲結構和IT接地系統。直流母線電壓分為直流600 V（虛線部分）和直流220 V（實線部分），向不同電壓等級的直流負載供電。

圖1 LVDC系統的簡化單線圖

2.2 具體設計

以南京某園區公司的辦公樓為例，具體闡述LVDC系統的相關設計。圖2為系統原理圖，包含線路連接和接線系統、變壓器繞組的耦合方式、接地系統和連接方式、主要電源和負載、外部系統和自有裝置的接口、具有不同標稱值的裝置各部分之間的內部接口電壓、接地系統、交流和直流之間的轉換以及電隔離的位置。系統內的電源包括光伏、交流電網以及儲能單元3個部分。根據系統原理圖中接口兩端裝置的不同，本文存在4種接口。接口的相關信息和主要功能如表1和表2所示。

整個樓宇低壓直流配電系統中，直流母線電壓等級分為直流600 V和直流220 V， 由降壓非隔離變換器連接，為不同電壓等級的直流負載供電。交流總線通過隔離的交直流變換器連接到直流600 V總線。建筑內直流負荷包括空調、LED照明、辦公電腦、空氣凈化器、冰箱、投影儀、門禁、自動感應沖水器以及電水壺等，且所有負載均具有主動滅弧功能。該系統的實際最大運行功率約為110 kW，其中空調由直流660 V供電，其余負載由直流220 V供電。有兩個20 kW的光伏升壓變換器連接到直流600 V總線上。系統中的光伏變流器采用精確限壓電流限制和最大功率點跟蹤的控制方法，通過單級DC/DC變換即可實現MPPT條件下精確的限壓電流輸出，降低了系統成本。儲能系統采用6組電池（每組40節電池）并聯，輸出電壓約為直流520 V，通過充放電管理單元與直流母線相連。充放電管理單元具有高頻變壓器升壓和降壓功能。建筑直流配電系統的照明支路和出口支路安裝有源綜合保護（ACP）。ACP將保護集成到電力電子變換器中，設備控制邏輯集成保護并對短路故障或過流故障提前動作，實現接地故障等主動隔離。它可以在數百微秒內完成自動閉鎖，達到保護支路的目的。電源監控系統主要由電源監控模塊和相應的監控軟件組成，具有多種電流、電壓以及輸入輸出檢測功能，并配備不同的通信接口，在系統內部通過通信進行多點數據采集和上傳。系統運行方式有經濟運行、恒功率運行、孤島運行以及并網發電4種。不同的模式可以隨時間而變化。當前，系統已正常運行30個月，光伏系統發電量可達到直流總耗電量的60%以上，經濟效益顯著。

圖2 系統原理圖

表1 接口標識

表2 接口設備

3 結 論

本文討論了LVDC系統對電網和用戶的研究意義，并以南京某園區公司的辦公大樓為例，介紹了LVDC系統的結構設計。運行結果表明，該建筑LVDC系統運行良好，在充分利用太陽能的同時，有效提高了建筑的供電可靠性和用電效率，具有實際應用價值。就目前的形式來看，樓宇直流配電系統在未來具有很大的發展前景。