直流电源系统将微电网带入办公室

乔·尼斯利

在19世纪80年代，当托马斯爱迪生研制出第一盏实用的白炽灯时，就引发了一场关于交流配电和直流配电的优点问题的辩论。这是一场相当激烈的战斗——“电源之争”，渐渐地交流配电成为了最后的赢家。如今，随着便携式电子产品的广泛使用，使得电力的发配电问题不得不被重新考虑。

现在的商业建筑设计，家具布局灵活，适合各种业务项目，不再是以往固定的设计风格。

在整个20世纪，我们已经习惯了交流输配电系统的工作效率，即使进入建筑物的交流电力需要通过一系列电压电平转换，才能适应用于各种电力负荷（主要是指照明和电机）。然而，由于晶体管和其他固态组件的发明，使得建筑物内出现了越来越多的低压直流电器负荷（如计算机、IT设备、手机充电器和其他个人使用的设备，以及建筑控制传感器、暖通空调执行器、标牌、安全系统元件及A / V系统）。

这些设备的供电都需要通过交流配电系统进行转换和整流。

照明作为建筑物中最大的耗电部分，也渐渐的转变为采用固态电源进行供电，如通常采用12V或24V直流供电的发光二极管（LED）和有机发光二极管（OLED）。这些灯具通常会比标准的吸顶灯体积更小、更轻，因此，在需要重新装修时，比吸顶灯和传感器/控制器等更易于安装和改变。

多年来，工作场所在交付使用时其照明和各种电气设备就已经按特定方式进行了安装和布线，而并非按照用户的需求布置。如今，商业建筑更青睐能适应各自业务需求的灵活的设备布局，而不再是以往固定的办公桌摆放位置的设计风格。

所以现在的问题是，为什么不在建筑物内的交流配电系统基础上建立直流电源配电系统，从而避免所有的电源转换，并满足如今工作场所创新的需求呢？有了这种思路，一些企业，包括能源服务和建筑产品公司以及许多照明和照明控制供应商（超过70家）于2008年创建了EMerge联盟。由该联盟开发的首个开放式标准对将直流电源输入到办公区域为各种直流设备所利用的电源系统进行了定义，而使电源置于设备的外部。

2009年10月发布的《室内标准配电平台标准》指出，直流电源是非常适于与吊顶平面集成的，这样光源、传感器、执行器以及其他设备（包括装在吊顶里或吊顶之下的）便能被随意的排列和移动，而不需要重新布线。其目的是使直流电源在所处的空间内能安全、灵活且易于使用。

在屋顶与栅格吊顶的密集空间安装一个被称为电源服务器模块的转换盒，它能将输入为208V或240V的交流电源转为24V的直流电源。然后直流电源被配给转换盒面板上的16个单独的2孔插座或插孔。每个插孔的插头线应小于10m（30ft），以减少电阻的功率损耗。这种2级功率限制电路最大可以支持100VA。

直流电源也可通过一组母线来配出，母线呈倒T型布置，构成一个带电的网格。这种网格设计使固定设备和其他电气设备可以增加、更改和改变位置，只要在吊顶的上方和下方沿母线结构的两侧改变即可。安装在屋顶与吊顶空间的所有布线线缆都必须是采用阻燃绝缘材料的。极化电缆组件外壳上有能松开的锁环，易于快速的安装和改动。

2类布线的导体也可以进行网络流量通信，工作方式类似以太网供电（PoE）技术。PoE在结构布线系统中所面临的挑战是如何达到UTP布线距离限制以外的设备的位置。根据TIA /EIA 568- A标准，5e电缆的最大传输距离为100m或328ft。如果在一幢建筑内的多个位置都有直流电源，那么直流电的传输问题就可以得到缓解。

EMerge系统的设计中每个灯具内置一个无线接收器。寻址装置可以通过无线的无电池开关或传感器、或使用电池的无线系统进行控制。

在标准出版的同时，加州大学戴维斯分校的加州照明技术中心于2010年11月对第一批注册的产品进行了评估，现在这些产品已经符合规范可以使用了。

为了使直流电的传输范围超过2009年标准的规定，或不仅限于在一幢建筑物的一个房间内传输，该集团在15个测试点（办公大楼和数据中心）使用的直流电源电压高于第一个标准的规定。这使得EMerge联盟和其行业合作伙伴正在讨论的新概念运应运而生。

诸如太阳能光伏（PV）发电、风力发电和燃料电池发电等都能产生直流电源。这些能源可以储存在电池、飞轮和超电容器中，利用这种设备的优势，一种有时可独立于大多数电网运行的直流电源微电网“孤岛”可以提高电力系统的可靠性和安全性。微电网是一个小型的电力“网络”，可以包括一个办公楼，一个小区，或学校校园。在紧急情况下（电压过低或停电），它也可以依托其直流储能能力独立于公用电网运行。在本地微电网中，固态开关设备可以快速中断故障，从而提高系统可靠性和电能质量。

如果一个建筑内不再使用多重转换装置，就可减少高达35%的能量损失。一个低热消耗和不太复杂的转换系统也可能会潜在地使维护的要求更低、系统组件的寿命更长及运营成本更低。

目前，直流电源的最佳应用是在数据中心和电信设施中。美国环境保护局（环保局）在2007年关于“服务器和数据中心的能源效率”的国会报告中指出，美国的数据中心通过使用更节能的设备和更好的运行模式，每年可以节省高达40亿美元的电力成本。

通常情况下，数据中心从电网中取得480V交流电，在将其转换为直流电源后给不间断电源（UPS）充电。然后直流电源再转换回208V的交流电用于配电，只有在每个服务器电源的第一个阶段才可以被调整回380V的直流电。总之，电源之间的转换至少需要6次或更多。在每瓦用于数据处理的功率中，大约0.9W都用于转换。此外，大约有0.6W!1.0W的功率是用于电能转换装置的散热。

除了节能外，数据中心直流配电的其他潜在的好处也突显出来，包括改善电能质量、减少冷却需求、高设备密度、减少与发热有关的故障、提高了可靠性以及现场可再生能源发电源更有效地集成。除了降低压降，其他的优势还包括无需平衡相位或使多种电源同步，减少了断路器的数量从而简化了布线。

美国环保局的能源之星计划和诸如迫使交流电源效率上升的举措，会随着时间的推移逐渐减弱直流电源的优势。然而，据业内分析员预测，即使与优质高效的交流系统相比，一个数据中心的直流系统也只使用不到7%的电能。或许它最大的节能可能是对数据中心面积上的减少，一个直流数据中心比交流数据中心能减少25%!40%的空间，主要是因为计算机设备可以直接与备用电池连接。

EMerge联盟与其他行业协会和标准制定机构合作，于2009年开始制订数据中心的直流电源标准。选择380V直流作为配电电压，是基于美国、欧洲和日本许多组织的工程数据协议。这从对一些技术问题的共识上便可以看出，例如第一届日本直流建筑电源（DCBPJ）年度会议最近在东京举行，这其中包含了许多的“第一”，包括：对住宅、数据中心及微网直流电建筑的综合评论；电力研究所与日本直流电源工业合作伙伴的联合会议；正式批准380V直流数据中心的临时标准；以及第一个由高压直流供电、并对公众开放的数据中心。松下和夏普等日本财团正在对能将直流电源带入商业建筑或住宅，利用太阳能光伏板直接为电气设备或电动车供电的系统进行大量投资。

在DCBPJ会议结束时，电力研究所的直流电源合作伙伴、电力行业专家团及日本直流电源工业合作伙伴批准了根据欧洲电信标准协会（ETSI）的类似文件起草的临时标准。同时，EMerge联盟与ETSI完成了校准的直流电源标准。在2010年的绿色建筑电源论坛（GBPF）上，该联盟与电力研究所也做出了同样的努力。