民用建筑中低壓直流配電技術的合理應用

秦 凱

（國防工程研究院，北京 100036）

0 引 言

隨著新科技、新能源以及節能技術的不斷發展，直流配電技術日新月異，促使分布式電源的應用變得越來越廣泛。在此情況下，供應和需求推動了直流技術的發展。尤其是在民用建筑領域，直流配電設施已經成為必備的設施。

1 民用建筑中直流配電技術的應用

1.1 蓄電池組構成的直流控制電源

圖1是一種蓄電池組常見的構成形式，其中包含直流屏、蓄電池組以及充電裝置。這種蓄電池組在各類變電站中有著廣泛應用，不僅能夠在正常工作狀態下為系統提供穩定的電能，還能有效抵御突發事故對系統運行狀態的影響。某種程度上，這種蓄電池組可以看作是直流不停電電源系統，又被稱為直流屏系統或直流控制電源系統[1]。

1.2 通信系統-48 V供電系統

市電經過開關電源是通信系統-48 V供電系統變換至直流的主要方式，也可以對蓄電池進行浮充，完成設備供電。該系統采用正極接地的模式。由于空氣有一定濕度，因此在正極接地時能夠使直流電電解空氣中的水分，從而起到保護系統的作用。這種情況能夠保護繼電器線徑較細的線圈部分，受腐蝕的則是具有較大體積的鐵芯部分，這是采取正極接地設計的主要原因[2]。

1.3 數據中心中直流配電技術的應用

在數據中心，直流配電技術的應用十分廣泛。例如，336 V直流供電技術在中國移動常規業務中有廣泛的應用，240 V直流供電技術在中國電信中有著廣泛應用。相比傳統的UPS系統，直流系統能夠減少DC/AC變換環節，也能直接實現直流電的輸出。同時，由于系統中沒有AC/DC環節，因此整個電路的結構能夠得到有效簡化。圖2為常規36 V直流供電系統的結構圖。

1.4 照明調光

直流集中柜是照明調光的關鍵部件，主要由配電電源、檢測控制單元以及整流模塊等部分組成。在配電整流裝置內，交流電通過整流模塊變成200～300 V的直流電。電流經出線開關給燈具供電，而燈具內部會布設DC-DC電源模塊，負責對LED燈具直流電進行轉化，從而達到照明調光等功能。該技術具有諸多優點，可以通過調節直流供電電壓完成調光控制，同時能夠有效控制成本，不需鋪設調光線。相比其他方式，它對電壓的控制范圍更寬，能夠適應更復雜的環境，因此在大型公共場所照明、軌道交通照明以及舞臺照明等方面有著十分廣泛的應用。

1.5 消防應急照明方面的應用

A型燈具在疏散指示系統和消防應急照明系統中有著十分廣泛的應用。這類燈具中普遍使用DC 36 V電壓進行供電。消防照明系統中除了包括A型集中電源外，還包括疏散燈具、集中控制系統以及相應的應急照明燈具等。

圖2 36 V直流供電系統結構圖

1.6 結合分布式電源和用戶側儲能的低壓直流配電微網

近年來，結合分布式電源和用戶側儲能的低壓直流配電微網得了迅速發展。這種系統應用分布式電源和用戶側儲能技術，在直流空調、直流照明、新能源直流汽車充電樁以及一體化智能微電網系統中有著廣泛應用。系統交流市電轉換為直流電主要依靠主變換器。另外，系統中還包括直流母線、電池以及儲能變換器等設備[3]。

2 電費計費模式與直流微網的運行模式

圖3為目前工程內普遍采用的直流微網系統。設計該系統時，需解決分布式電源輸出的電能儲存方式和使用方式、微網對市電網并網以及買賣電能等操作問題。在實際應用中，選擇直流微網運行模式的同時，需要技術人員分析項目與市政電網之間的接入關系。一方面，系統并入市政電網有并入上網、并入但不上網以及孤島運行3種形式，因此并入電網時需要提前與市政電力部門溝通確定。如果接入形式為并網且上網，則需要聯系供電部門，由電力設計部門結合實際情況出具接入并網系統報告，進而明確系統設計先決條件。另一方面，技術人員需要重點管制電費計費機制，這對直流微網運行的經濟效益控制影響很大。分布式電源輸出的電能和儲能系統中存儲的電能產生的經濟價值與電費計價機制有著密切關系。單一制電價是指以純電量作為計價標準，目前多用于居民用戶用電計費[4]。在工商業用戶用電計價中，單一制電價機制和兩部制電價機制同時存在。

圖3 低壓直流配電系統示意圖

兩部制電價由基本電價和電度電價組成。基本電價根據用戶負荷準備的容量確定，是一筆固定費用，電度電價則由用戶的用電量乘以單位電價確定。權重疊加是計算兩部制電價的主要方式，其中包括基本電價和計費電價，因此兩部制電價模式涉及基本電價和電度電價兩部分費用。一個月中每15 min平均負荷的最大值稱為用戶最大需用量，是確定基本電價的計算依據。在開始計價前，用電部門會先和用戶簽訂合同，從而確定限額。限額一般為每個月用戶申報的一個最大需量，隨后將這一數字乘以37.8元/kW·h。值得注意的是，基本電價不受實際用電量的影響，且不論企業用電量處于何種狀態，都需要繳納基本電費。按照用電單位的實際用電量計算可以得到電度電費，一般會根據不同時間段對消耗的電量數進行累計計算，隨后乘以峰谷時段對應的電價進行累計計算。某個月用戶的電費是基本電費與電度電費的和。

為了能夠進一步明確不同收費方式之間的差異，當地電業部門統計當地峰谷時段的電度單價，發現在非夏季，相比單一制來說，兩部制曲線峰谷差距更大。從峰谷電度電價差距來看，兩部制電價差距更大。大部分時段下，單一制的數值要高于兩部制，在谷段和平段，兩部制電價低于單一制。分析峰值時段可以發現，單一制電度電價低于兩部制，且這種情況較為特殊，這是因為采取兩部制收費的用戶每月需要根據最大需量完成基本電費的繳納。總的來說，兩部制電價低于單一制電價是正常的情況。

3 用戶側儲能

在用戶側安裝儲能設備，被稱為用戶側儲能，通常應用于某些建筑領域。在這種情況下，用戶可以根據自身電能消耗情況、相關設施以及電路布置情況控制儲能設備的運行狀態，也能根據分時電價完成削峰填谷控制電費的功能。

電池管理系統、變換器以及電池堆是儲能電源的主要模塊，電能雙向轉換主要依靠儲能變換器實現。具體來說，電能會在充電狀態時儲存在儲能設備中，當系統處于放電狀態時，儲能裝置存儲的電能會輸送到微網中。電能的存儲和釋放主要依靠電池堆完成，有富余的電量存在于電網，需要電池堆完成電能吸收并將其轉化為化學能。反之，在電網需要能量的時候，電池堆則能將之前蓄積的化學能轉化為電能并輸送到電網中。電池管理系統可以實時監控電池電壓、溫度以及電流等參數，進而有效控制欠壓和過壓等問題。另外，設備能管理充放電均衡，避免出現電池間的一致性差異，從而有效提升電池組的能量利用率[5]。

隨著各類科研活動的開展，電池儲能技術飛速發展，但同時面臨巨大挑戰。第一，電池循環壽命仍然達不到理想標準。電池經過一次充電和放電的過程叫做一次循環，在一定條件下，電池在工作到某一容量規定值前，能夠承受的循環次數為循環壽命。不同的蓄電池的循環壽命有一定的區別。研究發現，產品性能和維護質量都會影響蓄電池循環壽命，在某些場景下，蓄電池主要追求可靠性，并作為市電備用存在，因此不需要有較高的循環壽命，但是需要對浮充壽命進行更深層次的研究。正常用的儲能電池，需要具有較高的循環壽命，才能保證電池能夠平穩完成每天的谷充峰放，保證一天多次充放的平穩運行。第二，消防安全對實際應用有著重要的意義。在實際設計過程中，很多蓄電池室都設計了滿足閥控式密封鉛酸電池的設施，但是很少能夠設計滿足鋰電池工作需求的設施，同時缺少相關的技術規范。因此，如果設計人員需要將鋰電池布設在地下室內，則應該深入思考和設計火災的防范措施，尤其需要結合目前鋰電池的應用形式，思考引發火災的技術點。一般建議將鋰電池布設在室外環境中，并要求其與建筑和人員活動區域保持一定的距離。第三，在每千瓦時的系統初始投資成本上看，鉛酸電池的成本最小，全釩液流電池的成本最高，磷碳鐵鋰電池的成本相對居中。

4 項目所在地的客觀情況

項目所在地的自然環境對分布式電源的種類會產生一定影響。具體來說，太陽能資源豐富的地區往往會優先選擇光伏發電系統，而具有豐富風能資源的地區則會優先選用風力發電。在偏遠地區，市政電網很難布設在相應地點，但是這類地區往往擁有豐富的土地資源，因此會優先選擇風力發電和露天式儲能裝置等。對于城市中心，則會采用以交流配電系統為主直流配電系統為輔的形式，實現值班照明等需求[6]。

5 結 論

綜上所述，想要真正通曉民用建筑中低壓直流配電技術的合理應用，需要技術人員深入了解民用建筑的功能需求，同時需要掌握目前常用的集中布設方式和系統特點，結合項目所在地的實際情況選擇適合的設備及系統，深入系統本身研究系統現存的問題，從而為開拓技術發展方向提供參考和借鑒。另外，要深入具體的案例分析技術應用特點和目前技術應用中容易忽略的問題，進而從多個角度促進低壓直流配電技術的發展與應用。