建筑直流供配電系統發展現狀及展望

鄭俊雅, 王淑艷

[1.上海電器科學研究院, 上海 200063;2.上海電器科學研究所(集團)有限公司, 上海 200063]

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展,能源消耗量和溫室氣體排放量迅速增長,“溫室地球”時代提速來臨,全球面臨著嚴峻的碳排放壓力。目前,國內建筑總能耗已經占到全國能耗總量的30%以上。隨著城市化建設步伐的加快,我國建筑能耗將出現快速增長的態勢。因此,我國建筑領域在能效提升上潛力巨大。目前大力發展可再生能源是我國改善環境、促進社會可持續發展的最重要、最有效的舉措。各類新型可再生能源(風、光、儲)等的大量采用已經成為現代智慧建筑的必然趨勢。

目前,智能建筑領域中關于采用直流配電的呼聲快速增長,專家提出在智能型的商業和住宅建筑樓宇中采用直流(DC)電力系統可能比交流(AC)系統具有顯著優勢,通過直流母線可以有效地將光伏、儲能等分布式電源融合起來并進行協調控制,同時又能對直流負荷直接供電,減少交直流能源轉換中的損耗。直流供電系統更能適應現代建筑對電力能源的需求和未來負荷的發展特點,滿足綠色、高效、可持續性的要求,從而可能建設更安全、更可靠、更節能的智能建筑。因此直流建筑研究和建設已經成為當前智慧建筑供電技術的熱點話題。

本文介紹了建筑直流配電系統的需求、國家政策支持、直流建筑系統上下游技術的發展現狀、前景和關鍵技術攻克,并結合實際案例,對業內關注的直流建筑的相關標準規范制定、直流配電設備開發、技術集成示范、屋頂光伏設備、關鍵直流電器研制、標準接口開發和系統優化仿真等進行了分析。

1 建筑直流供配電系統產生的背景和意義

推動建筑物不斷邁向近零能耗乃至零能耗,已發展為國際趨勢。美國綠色建筑協會正在將直流系統納入綠色建筑評估體系。要求至少在1個主要能源系統中,95%的用能負荷是利用中央直流電源(如光伏系統、燃料電池、共享式直流電供應或蓄電池)驅動的。這一措施的施行將有效促進建筑設計過程中光伏的裝設和直流電的使用,進一步發展和推廣直流建筑[1]。

據統計分析,我國建筑負荷中最終使用直流電的負荷占據很大比重。目前,這類負荷均通過交流電整流(AC/DC)后使用,如計算機網絡設備、LED照明設備、汽車充電、LED大屏、數據中心、電腦、手機等設備,這些設備的用電約占總用電量的50%;用能較大的電機負荷(水泵、空調、制冷等)也大都采用變頻技術,即交流-直流-變化的交流(AC-DC-AC)的形式進行電機起動和運轉,約占負荷總用電量的30%;特別是隨著現代建筑設計中大量采用分布式能源(光伏、儲能等)裝置后,通過逆變技術(DC/AC)將分布式直流能源與交流配電共存,故引發了人們對建筑直流供電的研究。

直流建筑的優勢主要有2方面:① 目前在用電器設備絕大多數都可以進行直流供電,但為了適應交流電,新型照明設備、家用電器、辦公電器、空調設備等設備都通過在電源部分增加整流電路、濾波電路的方式,將交流電轉化成直流電,大大提高使用成本。如果使用直流配電系統供電,在能效提升上潛力巨大。② 現代建筑中廣泛采用新能源光伏發電、儲能技術、充電樁等進行配套設計,原本要通過整流裝置/逆變裝置變換后使用或并入交流配電系統,損耗非常大,而直流配電系統非常適合這些技術的直接接入。

相對傳統配電網,建筑直流配電網優勢顯著:能提高終端用電的安全性;提升能效;提高電能質量;簡化家用電器電源接口。建筑交流/直流配電系統的優劣勢對比如表1所示[2]。

表1 建筑交流/直流配電系統的優劣勢對比

2 建筑直流供配電系統關鍵技術現狀

2.1 直流電壓標準的選擇

直流建筑中,直流電壓標準值過低,將直接導致供電線路損耗增加、供電電纜變粗、施工難度加大以及成本增加等。若提高電壓值,過高的直流電壓會造成安全隱患,同時在絕緣/滅弧等方面會提出額外要求。在交流供電的情況下,產生的電弧會因交流電壓周期性過零而消失。但直流電能夠始終施加恒定電壓,不會熄滅電弧,就有可能引燃周圍的物體。如果僅考慮將交流線路改造為直流,由于電纜允許電壓為交流額定電壓的峰值,可選用交流額定電壓的峰值作為直流電壓標準。因此,如何設定合適的直流建筑供電電壓標準是需要不斷研究和探索的[3-4]。

目前,直流配網的電壓等級并沒有統一的標準,如何選取需要從多方面考量,包括直流配網的供電范圍與供電容量、直流配網的成本造價、直流配網的絕緣開關設備的選取[5]。

直流建筑尚未大規模應用,當前國內外直流供用電系統電壓等級的選取仍存在爭議,低壓直流標準電壓仍有爭論,低壓直流供用電系統的電壓等級范圍及標準需進一步研究[1]。

2.2 能源和儲能設備的優化配置

考慮到直流建筑的經濟性和可行性,應對建筑接入的可再生能源、電網接口、儲能設備等容量進行優化配置,針對建筑自身電力需求合理規劃。并且考慮到可再生能源的波動性、隨機性以及分布式發電的特點,原有的容量配置方法很難適應新環境下的系統配置要求,需要對原有的規劃思路進一步研究和改進。

2.3 直流供電的安全運行和保護

直流供電系統的準確故障判斷和定位是實現直流電網安全運行和保護的前提條件,也是直流電網領域的研究難點之一。尤其在直流建筑內,線路較短且中性點不接地時,故障定位分析的難度更大。因此需要在直流建筑內配備高效的限流設備,在故障時限制電流的上升速率,在安全裝置動作前將故障電流限制在不過載的范圍內。目前,直流系統的安全保護方案并不成熟,仍需進一步深入研究。

2.4 直流供電的協調控制策略

直流建筑內供電能源種類多、特性不同,同時供電系統存在與大電網并網運行、孤島運行、不同狀態的切換過程等多種運行狀態,因此需要研究符合自身特點的運行控制技術,才能應對上述復雜的運行狀態。目前,直流系統主要采用主從控制方式、電壓下垂控制方式,通過設置上層控制器對直流建筑內各電源和儲能裝置的換流器進行協調控制。另外,混合控制和自律分散控制等方式也受到關注。

3 建筑直流供配電系統關鍵設備

直流建筑內,對于微波爐、電磁爐等功率較大的負載設備,現有的直流開關、插頭等裝置無法安全快速地開斷直流電流,不能直接應用于直流系統中。另外,直流系統中不存在電流過零點,給直流斷路器研制帶來較大困難。雖然市場上已經有400 V以下的低壓直流斷路器投入應用,但中高壓直流斷路器的研發應用仍需要技術突破和創新。因此,需要對直流建筑的關鍵設備,包括大容量電力電子變流設備、直流斷路器、直流用電電器、有源電力濾波器(APF)和動態電壓調節器(DVR)等加強研究。

直流供電所要求的各類開關、繼電保護、計量等低壓電器器件與現在的交流電器系列已經完全不同,其主要依靠電力電子技術,通過固態半導體器件完成各項電路的控制與保護功能。故要研究開發新的系列開關、保護、 計量以及 DC-DC電壓變換等新器件。基于固態半導體器件所發展起來的新系列產品具有智能控制通信等功能,從而提升建筑內配電與保護系統的智能化水平。

(1) 大容量電力電子變流設備。直流換流器是連接接口端的變換裝置,將各類電源和負荷接入直流母線并使其能穩定運行。目前,隨著電力電子變流設備向大電流發展,用戶要求電源系統能提供大功率、高可靠性的電能,這種電源的輸出電流大,需要開發大容量電力電子變流設備[6]。

(2) 直流電表。開發新型智能直流電表,具有直流電能的計量、故障定位、控制保護功能,支撐智能調度決策與市場交易,是低壓直流供用電系統發展中極為重要的環節。目前直流計量的標準正在建設中,直流電表僅能實現雙向計量及數據傳輸功能,但物聯網技術的興起,對直流電表的智能化和綜合化提出了更高要求,直流電表的功能還需進-步擴充和完善。

(3) 直流斷路器。對于功率較大的負載設備,現有的直流開關插頭等裝置無法安全快速地分斷直流電流,不能直接應用于直流系統。由于直流系統中不存在電流過零點,給直流斷路器研制帶來了較大困難。雖然市場上已經有400 V以下的低壓直流斷路器,但中/高電壓直流斷路器的研發應用仍需要技術突破和創新[3]。

(4) 直流插座開關。對于低壓直流配電線路,在接合和斷開過程中存在著較大的電弧,其對開關有嚴格要求,然而現階段所使用的開關無法直接運用到這一過程中,因此加大該領域開發,有助于加強直流配電網的發展。目前,市面上還沒有適用于商業領域應用的直流插頭和插座。直流插座中可采用電力電子開關和自動控制技術,對電流、電壓及電弧建立暫態過程小信號模型,通過對小信號分析及試驗驗證來控制電弧,以確保插頭在充分接觸插座導電體前沒有電流或只有極小的電流流過,在插頭即將與插座分離時斷開供電,確保在此暫態過程中沒有電流。為了解決直流插頭和插座接觸時產生的電弧問題以及對電能進行有效地管理與調度,設計了多功能智能直流插座。該插座具有取電控制、開通/關斷、功率與電量測量、過流過壓保護及無線通信等功能,同時還具有在電力線路上傳輸數據的功能,這樣就無需另外增加數據傳輸電纜,既節約系統的布線成本,又提高系統的可靠性[7]。

(5) 直流用電電器。直流用電電器產品包括LED照明、各類變頻風機水泵、空調、冰箱、洗衣機、炊事用電器等住宅建筑用電器,以及辦公類建筑所需要的中央空調相應產品、電腦、服務器等。盡管這些產品改為直流供電從原理上并不困難,但仍需要分析各類產品的實際特征,確定統一的電壓等級標準、電源接口形式、產品安全防觸電方法等,實現交流向直流的過渡[5]。

(6) 戶用能源路由器。能源路由器的作用主要是將一定范圍內的分布式電源和用戶負荷連接并集中調控,提升運行效率和區域網絡穩定性。戶用能源路由器將光儲一體機、戶用可控負荷結合在一起,使戶用能源路由器與公共電網處的潮流具有一定的可控性。戶用能量路由器可以大大提升戶用負荷的功率;采用交直流混合配電的供電方式,提升了戶用負荷的供電可靠性;具有光伏直流輸入接口,將多余的光伏能量逆變上網,有效提升經濟效益[8-9]。

戶用能源路由器結構示意圖如圖1所示。

圖1 能源路由器結構示意圖

4 示范工程及典型應用

目前,樓宇建筑是世界最大的能源用戶之一,其能耗占全球總能耗量40%左右。與交流供電相比,建筑直流供電以其強大的節能優勢而具有廣闊的發展前景[10-11]。世界各國紛紛開展對建筑直流供電的研究,提出建筑直流供電方案和研究方向。

4.1 歐洲建筑直流供電研究

根據歐盟規定,2020年之后建造的樓宇必須是超低能耗建筑,其電力需求的主要部分必須使用可再生能源進行現場生產。由西門子中央研究院領導的DCC+G項目,旨在建立一個優化的380 V直流電網絡。該項目以一棟辦公樓和一家大型超市為樣本,期望每個樣本中都能實現5%的能源節省。目前正在研究用于高效控制元件的新半導體技術、用于網絡保護的交換系統和用作傳統二次配電網絡穩定接口的整流器,以及用于直流電網絡中最佳能量分布的網絡架構和能源管理系統。

4.2 美國建筑直流供電研究

2007年,美國弗吉尼亞理工大學CPES中心提出了“Sustainable Building Initiative(SBI)”研究計劃,主要為未來住宅和樓宇提供電力。整個系統具有2個電壓等級的直流母線(DC 380 V和DC 48 V),分別給不同等級負載供電。DC 380 V母線主要是為了匹配工業標準的直流電壓等級,其依靠前端整流器和功率因數校正(Power Factor Correction,PFC)電路接入主電網。DC 48 V母線主要是為了匹配通信標準的直流電壓等級,其依靠DC/DC變換器與DC 380 V母線連接。

2011年,美國北卡羅來納大學提出了“The Future Renewable Electric Energy Deliveryand Management(FREEDM)”系統結構,用于構建未來自動靈活的配電網絡。FREEDM包含400 kV的直流母線,其利用直流供電架構將分布式電源單元、分布式儲能單元和直流負載集成,通過智能能量管理裝置(Intelligent Energy Management,IEM)與大電網連接。

4.3 日本建筑直流供電研究

2010年,日本東北大學建成綜合使用太陽能電池、蓄電池及直流供電的“ECOLAB”研究大樓。ECOLAB為木制結構的2層建筑,可將太陽能電池產生的電力儲存在鋰離子充電電池中,以直流方式用于LED燈等負荷設備。ECOLAB大樓設置了5.8 kW的太陽能電池和9.6 kWh的鋰離子充電電池。儲存在鋰離子充電電池中的電力以直流方式分別提供給實施直流供電等驗證工作的“DC生活空間”和LED照明。

4.4 國內建筑直流供電研究

2011年,ABB在北京建成“太陽能低碳屋(Sloar House)”。北京太陽能低碳屋如圖2所示。該屋利用屋頂和墻壁上的太陽能面板產生的電能作為唯一電源,采用直流供電,在維持住戶生活質量的同時通過現有技術實現能源自給自足的低碳生活。通過安裝智能家居控制系統、樓宇對講系統等低壓電氣和智能家居解決方案,用戶可以在控制面板上點擊按鈕對各房間的燈光、窗簾、暖氣、通風、家用電器、樓宇對講設備進行獨立或集成控制。

圖2 北京太陽能低碳屋

臺灣核能研究所設計了智慧型直流電力屋,提出針對新能源的電力特性,研發合適的電力變換模塊,并與高效能儲能系統相配合。經測算,采用直流供電架構比原有交流供電節省電能約11%。

5 建筑直流供配電系統仍存在的問題

目前,阻礙直流建筑配電產業發展的有如下方面。

(1) 標準的缺失。缺失插頭插座、電器、檢測和電壓等級標準等。行業內很多專家認為可將直流建筑的標準寫進綠色建筑標準中去,有助于推動直流建筑的發展。

(2) 直流電器和直流家電還未得到廣泛應用。目前行業內的直流家電、直流開關、直流插頭插座等還未廣泛應用。目前,供方市場和需方市場都遠未成熟,其商業模式值得進一步探討。

(3) 儲能成本還需要進一步降低,因為直流建筑配電系統一般都需要配置相應的儲能來調節。

6 建筑直流供配電系統未來發展趨勢

(1) 建筑直流配電的發展方向已經形成共識。隨著分布式電源技術的發展和儲能成本的進一步降低,未來建筑配電網給人們生產、生活帶來能效提升、最大化消納可再生能源已經得到各國科學家的一致認可。目前,國內外對于建筑直流配電網的研究仍處于起步階段,建筑直流配電技術從規劃設計、控制與保護、關鍵設備、經濟分析等方面還有大量問題需要研究。

(2) 直流配電發展受一定技術和成本制約。目前,我國國內主電網采用交流配電的壟斷地位仍不可動搖,而且我國電力部門重“輸”輕“配”,提倡建設堅強的輸電網絡,故此長期以來國內配電網的發展一直明顯落后于輸電網的發展。雖然近年來許多示范工程的研究顯示具有可靠性、安全性、穩定性和經濟性的建筑直流配電網具有巨大的市場潛力和應用價值,但是目前直流配電網及其相關技術還存在大量問題尚未解決,如有效的滅弧、接地、多電力電子變換裝置強耦合、非線性的穩定性機理還需要進一步深入挖掘。目前面臨最大的問題是變壓難和直流滅弧困難,解決方案的成本代價太高,難以與交流相競爭,因此短時間內建筑直流配電系統難以被用戶企業和居民所接受。

(3) 故障檢測技術。建筑直流配電故障檢測與交流有很大區別,要結合配電自動化系統來研究直流配電網故障識別和定位技術,以及不同結構、不同運行方式下的故障診斷與保護配合,開發基于電流變化率、電流方向、電壓變化率等信號分析與處理的故障識別方法。

(4) 關鍵設備研究。目前直流設備的成本太高,所以要從材料和制作工藝出發,研發基于新型保護原理的直流配用電系統保護關鍵設備,包括低成本、大容量、商業應用的ms級低壓直流斷路器,具有故障電流限制或ms級切斷能力的換流器,可控阻感的商業應用的直流線路故障電流限流器等。設備研究主要有如下3方面:① 研制低成本的中低壓直流配電網的直流斷路器。加大對直流電弧的熄滅方式的研究,以及研究中低壓直流斷路器的工程實用化,滿足其商業化競爭和大功率化的需求。目前,研發低成本、大容量的直流斷路器或將限流裝置與小容量斷路器相配合是直流配電系統保護技術研究發展的兩個方向。② 研制低成本的直流變壓器。對直流電壓的變換原理、變換模式進行深入研究,能否在直流變壓的原理拓撲和器件選擇等方面做出比較大的變化,改變目前電力電子變壓器體積龐大、成本高的現狀。③ 負荷設備的接插設備研究和開發。因為直流電弧不易熄滅,直接插拔用電負荷易引起電弧燃燒,因此常規的接線板、插頭插座需要重新設計,以有效防止電弧。

(5) 建筑直流配電需要多行業配合。從已掌握的信息來看,直流建筑市場非常巨大,可以接入光伏、儲能等新能源發電設備。發展直流建筑除了直流設備相關企業的配合外,還需要多個行業的配合和人們用能習慣的轉變。建筑直流的相關負荷設備領域(家用電器、辦公電器等)都需要進行配合,這需要漫長的時間。不少家電企業(美的、海爾等)已著手開發純直流的空調、冰箱、洗衣機產品,因此未來直流建筑可能先行一步,實現交/直流同時入戶的應用場景。

7 結 語

目前我國已建成多處建筑直流配電示范工程,還有更多項目在規劃和設計中,同時隨著可再生能源的繼續發展,以及現有電網技術升級等方面的需求,建筑柔性直流配電未來的發展將得到快速增長,所以建筑直流配電技術將成為研究熱點,特別是直流配電系統的關鍵設備電力電子變壓器和中壓直流斷路器將會進一步研究。