民用建筑低壓直流配電系統的項目應用

魏山力,馬 聰,張 曦,張浙波,金大算,華 煒

1.華東建筑設計研究總院,上海 200002;2.浙江浙能技術研究院有限公司,浙江 杭州 311121;3.浙江浙能嘉華發電有限公司,浙江 嘉興 314201

0 引 言

相對于交流配電,直流配電網具有線路成本低、控制簡單、供電質量高、可靠性高及接入靈活等優點,隨著近年來光伏發電、風力發電等分布式直流電源發展,電動汽車、數據中心、儲能設備、LED照明等直流負荷的應用推廣,以及用戶對電能質量、供電可靠性的要求日益增高,發展直流配電技術成為當前的趨勢[1]。

本文以某研發辦公大樓的項目設計為例,介紹適合民用建筑低壓直流配電系統的設計思路與方案,將光伏發電、高壓直流數據中心、直流充電樁、儲能、直流照明相結合,探討民用建筑低壓直流配電系統的電壓等級、系統架構、故障保護、多能協調、運行模式等關鍵技術。

1 項目概況

某研發辦公大樓項目位于浙江省杭州市,主要功能為研發中心、企業辦公、數據機房、商務酒店,總建筑面積約13.7萬m2,其中地下3層,地下面積約5.7萬m2,地上10層,地上面積約8萬m2,建筑高度45.3 m,地下車庫停車位900個,充電樁車位186個。

2 電壓等級

該項目直流電源和直流負荷類型較多,主要包括屋頂光伏發電、儲能蓄電池、直流充電樁、直流照明、高壓直流數據中心。直流電源與直流負荷參數如表1所示。

表1 直流電源與直流負荷參數

該項目直流配電電壓等級主要從經濟性、供電半徑、靈活性等方面考慮[2]。

(1)經濟性。項目直流負荷類型較多且分散,其中屋頂光伏、3F數據中心、直流充電樁等大容量負荷供電半徑較遠,而直流照明與儲能裝置的供電半徑適中,直流電壓等級需綜合考慮供電半徑、線纜截面大小及線路壓降來確定。根據回路負荷容量、供電半徑,可計算出直流低壓回路線路壓降ΔU壓降為

其中,ρ=0.018 4 Ω·mm2/m;L為導線長度;P為回路容量;S為導線計算截面;UDC為回路供電電壓。

經計算142 kW屋頂光伏,若采用DC±375 V供電,根據載流量計算可選用WDZA-YJY-2×95 mm2,壓降約1.2%,滿足要求;若采用DC 375 V單極供電,根據載流量計算可選用WDZA-YJY-2×240 mm2,壓降約1.8%,同樣滿足要求,但提高線纜成本。而該項目直流照明僅用于直流配電室及臨近機房,供電半徑距離適中,根據計算供電電壓DC 48 V下,選用4 mm2導線供電半徑約50 m,可滿足項目直流照明供電半徑。因此從經濟性及供電半徑角度考慮,項目直流電壓等級初步選擇為DC±375 V和DC 48 V。

(2)靈活性。直流負荷以直流充電樁、儲能電池為主,直流電壓等級優先考慮,便于直流充電樁及儲能電池的靈活接入,目前直流充電樁接入電壓以DC 450 V和DC 500 V為主,但發展趨勢為DC 750 V[2],而儲能電池可通過不同電池組串聯滿足不同電壓等級接入,考慮到DC/DC變換器降壓模塊成本低于升壓模塊,因此該項目直流母線電壓等級確定選擇DC±375 V,單向DC/DC變換器降壓接入直流負荷,雙向DC/DC變換器接入儲能裝置,儲能裝置輸出電壓盡量與直流母線電壓接近。另外DC±375 V可引出極間750 V和單極375 V兩種電壓等級,靈活性更高。

3 雙極母線架構

偽雙極和雙極直流母線類似,具有對稱的直流電壓,在相同極間電壓下線路耐受電壓為單極母線的1/2。雙極母線優點是可靠性高、靈活性大、電壓等級多:在一極出現故障時仍可單極運行、可靠性高,但需采用多個換流器,且交流側設備需考慮直流電壓的直流偏置電壓,且直流側需增加電流均衡控制策略,因此雙極架構設備成本更高、控制保護系統更復雜[3-4];但雙極母線架構靈活性更大,可按負荷重要性進行分組供電,將高可靠性負荷與蓄電池集中在一極母線供電,也可將蓄電池及高可靠性負荷分兩組,各由一極母線供電,任一極故障時仍可單極運行。另外,雙極母線可提供更多電壓等級選擇,較高功率或電壓負荷可連接在正、負兩極之間,低功率或低電壓負荷可連接在單極與中性線之間。

該項目直流配電系統規模大、負荷類型及電壓等級多、控制要求高,為便于不同電壓等級負荷接入,選用DC±375 V雙極直流母線架構。直流配電系統示意圖如圖1所示。

圖1 直流配電系統示意圖

4 數據中心

市電+240 V高壓直流雙路供電與傳統2N交流UPS相比:供電可靠性均為10個9數量級,為同一數量級[5],但市電240 V高壓直流雙路供電只有高壓直流回路接入蓄電池,投資及運維成本更低,且由于市電回路不用經UPS設備的AC/DC、DC/AC兩級變換后輸出,系統供電效率很高。因此,該項目數據中心部分服務器采用市電240 V光伏高壓直流雙路供電方案,服務器機柜內提供交直流2路電源,其中市電A通過HVDC輸出DC 270 V,屋頂光伏通過DC/DC接入DC 270 V母線,市電A+光伏2路直流輸出合為1路,為服務器機柜提供直流供電;市電B經交流列頭柜直接為服務器機柜提供交流電源。另外,通過監控模塊控制,使光伏DC/DC的電壓高于市電A的AC/DC電壓,即市電A經HVDC的AC/DC處于熱備份狀態,白天優先使用光伏供電、市電A作為補充,夜晚市電A經HVDC與市電B各提供50%供電。高壓直流數據中心供電示意圖(一)如圖2所示。高壓直流數據中心供電示意圖(二)如圖3所示。

圖2 高壓直流數據中心供電示意圖(一)

圖3 高壓直流數據中心供電示意圖(二)

該項目仍以交流供電為主,數據中心負荷未直接接入直流配電網。若能將數據中心與直流微電網相結合,可實現高壓直流雙電源系統雙路供電[5],該供電形式除雙路供電外,還可提供雙電源,可靠性更高,但投資成本也更高,即其中一路為HVDC(市電A)+直流微電網,雖然不單設蓄電池,但可利用直流微電網的儲能裝置;第二路為HVDC(市電B)+蓄電池,第二路HVDC休眠后備。采用該方案,第一路可靠性為1-(1-0.999 8)×(1-0.999)=99.999 9%,第二路可靠性為99.999 99%,總可靠性約13個9數量級,遠高于交流2NUPS和市電+240 V高壓直流雙路供電(10個9數量級)的供電可靠性,同時供電效率更高。

5 儲能及光伏系統

項目BIPV光伏方案效果如圖4所示。

圖4 項目BIPV光伏方案效果

利用屋面及側立面的空間設置光伏發電,在屋頂設置不透光的碲化鎘薄膜太陽能電池,另外在屋頂構架側立面東、西、南面采用40%透光率的碲化鎘薄膜太陽能電池,不同規格光伏電池共計1 451塊,總并網裝機容量322 kWp,約占建筑總負荷比例的2.6%。光伏發電采用組串式結構、并網不上網的方案,通過一級DC/DC變換器實現MPPT條件下精準限壓限流,其中180 kW光伏發電經直流匯流箱、DC/DC變換器以DC 400 V接入數據中心,用于數據中心高壓直流供電;另外142 kW光伏發電經直流匯流箱、DC/DC變換器以DC±375 V接入直流雙極母線,用于直流充電樁、直流照明等負荷。

該項目儲能結合新型水系鋅離子電池試驗平臺搭建,水系鋅離子電池具有安全性高、綠色環保、成本低、循環性好、使用壽命長、運維簡單等優點。相對于鉛酸蓄電池的重金屬鉛和電解質溶液對環境的污染,水系鋅離子電池所用原材料及充放電的反應產物均無毒無害。相對于鋰離子電池散熱、過充、過放等防護要求及安全性能隱患,水系鋅離子電池在過充、充放、短路情況下無爆炸、起火的風險,具備類似鉛酸電池的高安全性,適合用于建筑物內大規模靜置型電力儲能使用。能量密度低于鋰離子電池但優于鉛酸電池,循環壽命大于3 000次,高于閥控式密封鉛酸蓄電池循環壽命1 000～1 200次[6]。

項目儲能系統分兩期設置,一期和二期各安裝250 kW/500 kWh 儲能電池(5組50 kW/100 kWh電池簇),每組50 kW/100 kWh電池簇構成方案。電池簇構成示意圖如圖5所示。

圖5 電池簇構成示意圖

(1)儲能系統最小單元的單體電池為1.4 V,30 Ah(電壓1.2～1.85 V),4個單體電池并聯組成1個1.4 V、120 Ah、168 Wh的電池模組。

(2)600個電池模組串聯組成1個840 V、120 Ah、100 kWh的電池簇。該電池簇額定充放電電流為60 A,功率為50 kW。

(3)5組50 kW/100 kWh電池簇,直流端電壓720～1 110 V,通過DC/DC變換器以DC±375 V接入直流雙極母線。一期500 kWh儲能并網示意圖如圖6所示。

圖6 一期500 kWh儲能并網示意圖

相對于數據中心UPS系統、消防疏散照明集中電源系統,主要追求電池可靠性及浮充壽命,儲能系統選擇電池更重視循環壽命,以便實現每天的谷充峰放,甚至一天多次充放的使用要求[6]。另外用于建筑物內的儲能系統應關注電池的消防安全問題,除考慮鋰離子電池等因過充、過放、短路等引發爆炸、起火的風險外,還應考慮水系電池(如閥控式密封鉛酸蓄電池、水系鋅離子電池)充電過程中少量析氫現象,需結合氫氣排放量、通排風條件,劃分儲能機房的爆炸性氣體環境危險性區域等級。由于儲能機房的電源重要性不如數據中心的UPS機房,可能存在1天以上房間密閉、風機故障、電池異常及無人檢查等情況,因此應對儲能機房的通排風機運行狀態、可燃氣體濃度(氫氣)等進行實時監測,并接入消防報警系統,如有故障及時響應、排除。

6 充電樁

該項目采用DC±375 V直流母線電壓等級,極間750 V滿足直流充電樁發展需要。根據每日儲能電池儲存電量、光伏發電量與消納平衡計算直流充電樁配置數量,日均發電量與用電量如表2所示。

表2 日均發電量與用電量

大樓完全投入運營,停車位滿負荷使用正常下,典型工作日直流充電樁數量配置計算如下:

(1)直流充電樁充電功率按60 kW/臺配置,電動車電池滿載容量取60 kWh,充電需求30%電量充至80%電量,因此每車/次充電容量為30 kWh。

(2)每車/次充電時間為0.5 h。

(3)每天峰、平電價時段由直流微電網供電時間為11 h。

(4)需要系數Kx:根據18D705-2 《電動汽車充電基礎設施設計與安裝》,60 kW直流快充的需要系數為0.2～0.7;考慮直流快充模式下,多為臨時停車、使用車位的時間不長,按充滿即走考慮,車位充電時間0.5 h,空閑時間取0.5 h,則每停車位每樁的使用系數為0.5,即需要系數取值0.5。

(5)直流充電樁數量初算13個。考慮大樓業態為自用辦公,對直流快充的需求較低,該項目考慮安裝10臺直流快充樁,儲能及光伏日發電余電逆變至380 V交流配電網,供交流慢充樁等負荷使用。

7 接地形式及故障保護

IT接地形式在單點故障時由于故障回路阻抗很大,因此故障電流小,仍具有較高安全性,但兩點故障危險性較高,對斷路器開斷電壓要求較高,需采用絕緣監測裝置、直流斷路器及故障定位和分區選線等安全保障措施,但應用難度最小;兼顧安全性和技術成熟度,現有技術和產品能夠滿足IT(高阻)接地形式安全保障所必須的絕緣監測的基本要求。相較TT和TN系統,IT系統應用難度和技術風險最小,配合加強絕緣和安全接地等常規手段,能夠更好地滿足低壓直流配電系統安全性方面的要求,因此該項目選擇IT(高阻)接地方式。

8 運行策略

直流配電系統常見運行模式包括如下[7]:

(1)經濟模式。結合電網分時電價,保證整個系統的經濟性能最佳,實現發電、用電、儲能利益最大化。

(2)需求側響應模式。通過對儲能、負荷的控制,響應電網的短時需求。

(3)限功率取電模式。通過對發電、負荷、儲能的調控實現對電網的恒功率取電,避免隨機間歇性的大功率波動。

(4)應急模式。當電網或分布式發電短期內無法滿足用電需求時,提前最大化存儲電能,在應急情況下釋放,滿足重要負荷的應急使用。

(5)孤島模式。脫離電網,實現發、儲、用的自平衡狀態。

該項目運營初期以經濟性為主,主要運行為經濟模式,即結合杭州當地的分時電價,低谷電價時段為儲能電池充電,高峰及尖峰電價時段儲能電池放電,實現直流配電系統的經濟利益最大化。儲能電池每天充放電2次,保障儲能電池的循環壽命。

杭州一般工商業及其他用電六時段分時電價時段劃分,峰谷平電價曲線如圖7所示。圖7中,尖峰時段:19∶00～21∶00;高峰時段:8∶00～11∶00,13∶00～19∶00,21∶00～22∶00;低谷時段:11∶00～13∶00,22∶00～次日8∶00。

圖7 峰谷平電價曲線

典型日電力負荷發電、用電波動圖如圖8所示。

圖8 典型日電力負荷發電、用電波動圖

直流配電網經濟模式下的運行策略如下:

(1)夜間低谷電價時段22∶00～次日8∶00,電網為儲能蓄電池充電,白天高峰電價時段8∶00～11∶00,光伏發電及儲能蓄電池放電為直流配電網供電,余電逆變至交流配電網。

(2)白天低谷電價時段11∶00～13∶00,光伏及電網為儲能蓄電池充電,白天高峰電價時段13∶00～19∶00、夜間尖峰時段19∶00～21∶00,儲能蓄電池放電為直流配電網供電,余電逆變至交流配電網。

9 結 語

該項目低壓直流供電的電壓等級選擇,主要從經濟性、供電半徑及靈活性的角度考慮,大容量直流負荷為降低線路電流、減小線纜截面,優先考慮高電壓等級供電,另外直流電壓等級也要考慮不同電壓等級負荷接入的靈活性,由于降壓DC/DC變換器成本低于升壓DC/DC變換器,直流負荷電壓等級盡量與直流電壓等級相近、或以降壓DC/DC變換器接入。數據中心采用高壓直流供電具有高效率、高可靠性的優勢,未來有望替代傳統交流UPS系統,與光伏、儲能、直流配電網相結合,未來應用潛力巨大。民用建筑內的儲能電池的選擇與UPS電池要求不同,更應該關注循環壽命、電池消防安全性能,加入儲能的直流配電網,更能發揮直流供電的可靠性、靈活性。