直流楼宇技术初议

谢少军 肖华锋 罗运虎

（南京航空航天大学自动化学院 南京 210016）

1 引言

据美国环境保护署（United States Environmental Protection Agency, US EPA）统计，美国楼宇用能占总能源的39%，电力消耗占总消耗的68%，二氧化碳排放量占总排放量的 38%[1]。我国楼宇的电力消耗和碳排放同样占有相当的比例。因此，楼宇是节能减排的重要对象。

现代楼宇用电设备逐步趋向使用直流电或含直流环节的电能变换器。如IT设备、娱乐视听设备、LED照明和个人电子设备等均直接使用直流电工作；而空调、洗衣机、打印机等旋转类设备使用含直流环节的变频器驱动已成为一种发展趋势。

随着常规能源的紧缺，楼宇供电源逐步朝多种类、可持续的方向发展，如光伏建筑一体化（Building Integrated PV, BIPV）、建筑用风力涡轮发电、家用燃料电池发电系统等分布式发电源均取得了长足发展，这些电源产生的电能均为直流电或可经过简单整流后变为直流电。

从楼宇用电负荷和供电源的发展趋势可以看出它们表现出的直流特性日趋明显。这就迫使人们需要重新衡量楼宇供电方式和它的发展方向。

近年来，采用直流总线的直流微网开始得到关注[2-6]，特别是由于低成本和可靠的直流电能分配器件的发展[7]，直流微网技术呈现迅速发展的态势。本文对直流微网的研究情况进行介绍，主要介绍其特点、起源、研究现状等方面，着重介绍直流楼宇（DC-Building, DB）的定义、研究内容和关键技术。

2 直流供电

目前的电力供应均为交流电，图1所示为目前广泛应用的基于交流总线结构的电力供应系统。

图1 基于交流总线的电力供应系统Fig.1 Power supply system based on AC bus

采用交流供电总线时，来自太阳能等新能源产生的电力，要进行直流到交流的转换，中间存在电力损失，用户使用时电能又需要从交流到直流转换，电能的利用效率受到影响。如图1所示的系统并没有很好地实现可再生能源和电能的高效利用。

低碳经济和人类可持续发展要求探索更高效能的新能源和电能高效利用技术。基于直流总线的分布式电力供应系统成为一种努力和尝试。直流总线分布式供电系统（直流微网）如图2所示，采用直流而不是交流作为供电总线，可将太阳能电池、燃料电池等产生的电能直接输入直流母线供给直流设备，风力发电设备产生的电能也可简单整流后接入直流总线，因此直流系统中的新能源发电设备的入网接口简单、电能转换损失小、能源利用率高。

图2 基于直流总线的电力供应系统Fig.2 Power supply system based on DC bus

以数据中心供电系统为例，由California Energy Commission （CEC）-Public Interest Energy Research（PIER）和California Institute for Energy Efficiency（CIEE）联合发布的数据说明，在当前广泛采用的以交流配电的供电系统中，电网提供的交流电经过一次交流到直流的转换，变成直流电供给蓄电装置后，还要经过直流/交流转换成交流电分配给服务器等设备，然后在设备内部再次经过交流/直流转换，变成直流电之后使用。这样，电网提供的电力要反复进行3次交流/直流的转换，即使各环节的转换效率达到90%，经过3次转换也会造成约27%的电力损失。如果将交流配电架构改变为直流配电架构，利用转换效率超过 90%的交流/直流转换器在电网电力的供电口进行一次性转换，然后供蓄电池和设备使用，数据中心的电力消耗就可削减 10%～20%左右，同时被削减的还有这些损耗的电力所产生的热和为其付出的制冷能耗。

回顾飞机供电系统的发展历程:初期28V低压直流电，到获得普及的 115V/400Hz恒频交流电，再到 270V高压直流和变频交流电等新供电体制在先进飞机中应用。可以看出，直流和交流供电将互为补充，而并非互为排斥。随着大量用电终端设备采用直流电，可以预测直流供电将逐渐在用电终端的局部区域获得应用，具有很好的前景。

3 直流微网的研究现状

2008年美国 ABB公司提出和推广了基于直流总线的微电网架构[2]，图 3为其示意图。其实在此之前，日本学者已经提出了直流微网（DC Microgrid）的构想[3-4]。相比交流总线的微电网，直流微网可以为用户提供高可靠性和高质量的电力供应[5-6]。关于直流微网技术的研究，目前国外各研究机构均处于起步阶段。

图3 直流微电网架构Fig.3 DC Micro-grid proposed by ABB

美国弗吉尼亚理工大学CPES（Center for Power Electronics Systems）中心2007年提出了“Sustainable Building Initiative（SBI）”研究计划[8]，为未来家庭和其他楼宇提供电力。CPES的SBI系统构架如图4所示，实验平台计划包括一台 3.5kW 风力发电机、一个 5kW光伏阵列、锂电池储能单元和混合动力汽车充电接口等；系统包含两种电压等级直流母线:DC300V和 DC48V；最后整个直流供电系统通过一台双向 DC-AC变换器接入大电网。随着研究的深入，CPES于2010年将SBI发展为SBN（Sustainable building and nanogrids），并将直流母线电压由DC300V提升至DC380V。

图4 CPES发展的可持续直流供电系统Fig.4 SBI project proposed by CPES

由Alex Q.Huang教授领衔的以北卡罗来纳州立大学（NC State University）等5所核心大学和31家工业合作伙伴组成的FREEDM（Future Renewable Electric Energy Delivery and Management）系统中心，获得了美国NSF的资助，着力发展“电力互联网”，采用固态变压器取代常规的工频变压器等。在FREEDM系统中将未来家庭作为一个能量单元，采用DC400V BUS供电[9]。

韩国政府专门成立了智能微电网研究中心（Research Center for Intelligent Micro-Grid），投资约272万美元计划于2011年3月前建立起直流微网供电系统，研究的重点集中在直流电分配、功率变换器和控制及通信系统三方面，系统结构如图5所示。项目由韩国明知大学（Myongji University）Byung Moon Han教授负责实施[10]。

图5 韩国智能微电网研究中心计划发展的直流微电网架构Fig.5 DC microgrid developed by Korea research center for intelligent micro-grid

电力以直流形式提供给用户和负载使用的演示系统和技术开发在日本受到学术界和工业界的热捧[3-4,13-14]，发展最为迅速，特别是在家庭供电和数据中心供电等场合。日本的东北大学研究生院环境科学研究系于2008年12月17日宣布，与NEC东金、住友商事和积水建房共同实施了将太阳能电池产生的直流电直接储存于锂离子电池，并以直流形式直接供给家用电器的试验。据东北大学研究生院环境科学研究系推测，如果使用1kW左右的太阳能电池板，并使家电支持直流供电，可使用4个小时，来自家庭的CO2排放量大约能够减少40%。为了普及直流供电的应用，NTT FACILITIES和富士通元件（Fujitsu Component）宣布，开发出了可支持400V左右高压直流供电系统的电源分配器和电源插头，解决了直流供电实用化所面临的技术问题——直流电源电路断路和闭合时的电弧以及危及人体安全的问题。此次开发的产品在插座中内置了机械式触点，由于没有使用半导体及复杂的机械装置，因此插座内部的耗电量基本为零。另外，使用的部件数量也很少，因此价格低廉并具有较高的可靠性。

日本大阪大学（Osaka University）Toshifumi Ise教授课题组研究的直流微网结构如图6所示[11-12]，PCC端的230V交流电由降压变压器从6.6kV配电网直接获得，然后通过双向整流器变换为±170V直流电压。一个燃气轮机通过背靠背变换器直接连接到 230V交流电，蓄电池和超级电容等储能设备通过双向斩波器连接到直流母线，光伏电池同样通过DC-DC变换器直接连到直流母线。基于直流母线，可以通过电力电子变换器得到多种电力供应，如单向AC100V、三相AC200V和DC100V等。

图6 大阪大学发展的直流供电结构Fig.6 DC micro-grid proposed by Osaka university

此外，在新加坡、中国台湾等国家和地区均有关于直流微网的研究。

美国和日本目前在直流微网的研究方面处在领先的地位。2009年12月7～8日在日本东京召开了第一届GBPF（Green Building Power Forum）会议，会议中提出了以DC380V作为数据中心直流供电标准，讨论了电源和用电设备的规格、电源品质测量和供电系统结构等问题，举行了“EPRI DC Power Partners”和“Japan DC Power Industrial Partners”联合会议。2010年1月25～27日在美国加尼弗尼亚召开了第二届GBPF会议，除讨论直流供电系统的结构、标准和加速推进直流供电应用外，广泛涉及到楼宇供电的各方面技术，包括可再生能源发电、高效照明、无线楼宇自动化、楼宇能源需求侧管理等问题。2010年4月Darnell Group发布了第一版的“楼宇直流供电:经济因素、应用驱动、架构/技术、标准和规划制订”研究报告[15]。2011年元月24～26日在美国硅谷召开第三届GBPF会议，会议的主题围绕“直流供电的挑战、成就和机遇”和“创造柔性、动态的电力架构”等方面进行。

4 直流楼宇

相对交流供电而言，直流供电有很多好处，如:对线路的绝缘性能要求比同等级交流低、同等有效电流下线路损耗小、用于照明时不会出现频闪的现象、容易实现不间断供电、可简化电源和现代化用电设备的设计而降低其成本等。但采用直流供电也存在需附加电能供应设备、用电设备需适应性改造、直流配电器件成本高且可靠性还较低等问题。目前较大规模应用直流供电系统还存在技术性与经济性难题，但在数据中心、教学科研中心、高端物业等场合构建直流微网有很好的综合特性，符合低碳发展方向。

针对楼宇的供电问题，本文特别给出“直流楼宇”的定义如下:直流楼宇（DB）是一种由负荷和微电源（即楼宇中的分布式电源，如光伏发电、风力发电、燃料电池和微型涡轮机等）共同组成的直流供电体系，它可同时为楼宇提供电能、热能和冷能，楼宇内部的电源主要由电力电子设备负责能量的转换，并提供必须的控制。图7为直流楼宇接入常规输配网中，一般来讲，DB位于低压配网的末端，紧靠用电负荷。

图7 直流楼宇接入电网Fig.7 Grid-connection for DC-buildings

直流楼宇技术包括直流分配系统、分布式发电源、高效照明系统、楼宇自动化、需求侧管理、系统能量管理等。

5 直流楼宇的关键技术

直流楼宇的推广应用还需要基于一系列基础问题的研究。直流楼宇的关键性基础技术主要包括以下几个方面:

5.1 直流楼宇的能源供应和使用架构、体系及技术标准

随着分布式发电源技术的逐步成熟，直流楼宇的供电源种类非常丰富，既可以包括可再生能源，如光伏、风力发电；还可包括不可再生能源，如燃料电池、燃气涡轮机；以及主要基于化石燃料的大电网和各类储能装置。它们的不同组合方式可以满足楼宇的不同需求。直流供电架构和电压等级涉及到安全、经济性和供电质量等方面[11-12]，对直流楼宇标准形成有重要意义[15]。

5.2 直流楼宇的可再生能源、不可再生能源、储能设备和交流电网接口等容量的优化配置

直流楼宇实施面临的首要问题是如何为目标楼宇设计优化的安全供电容量和应对事故的备用容量[16]，包括可再生能源、不可再生能源、储能设备和交流电接口单元。它对直流楼宇的经济可行性评估有重要作用。

可再生发电源的配置不同于常规的发电单元，其规划问题面临很多不确定因素的影响，如可再生发电源的出力不确定性。另外，除了考虑经济收益外还要计及环境收益，增加了优化工作的复杂性。因此，原有的电网规划方法不再适应新环境下的系统规划要求，必须对原有规划思路和方法进行扩展和创新，为直流楼宇的系统规划工作建立理论基础。

5.3 直流楼宇的多源协调控制和需求侧管理

直流楼宇中供电源种类繁多、可控程度不同，同时供电系统存在与大电网并网运行、孤岛运行、并网孤岛过渡过程和直流楼宇黑启动过程等多种运行状态，从而要求实现直流楼宇内各供电源协调控制。现有的交流微网运行控制模式有主从控制模式、对等控制模式（如Droop控制）和分层控制模式（如Agent技术）等[17-19]，直流微网也应结合自身特点寻求适合的运行控制技术才能应付上述复杂的运行状态[20-21]。

直流楼宇中的供电源和负载均通过电力电子设备连至直流母线，分布式能量源可以实现电、热、冷联产，这些技术优势为直流楼宇的需求侧管理提供了有利条件。

5.4 直流楼宇的稳定性、保护理论、配电与保护器件基础和技术

直流供电系统的稳定性分析相比交流系统复杂性大幅降低，使得关注焦点集中在直流母线电压的稳定，需要深入研究储能设备对直流楼宇稳定运行的作用机理。

直流楼宇中潮流双向流通，且随着系统结构和分布式发电源数量的不同，短路电流计算困难，常规的保护算法失效[22]。需研究新型的保护理论，以保证直流楼宇正常并网运行时，内部电气设备发生故障和故障切除后直流楼宇系统继续安全稳定地并网运行；在直流楼宇外部的配电系统部分发生故障时，应在可靠定位与切除故障的前提下确保直流楼宇与主网解列后继续可靠运行，并且解列后的直流楼宇再次故障时仍能够可靠切除故障设备。

另外，针对直流楼宇有一个特殊的研究内容是高压大容量直流配电技术的发展，开发出低成本、低功耗、高可靠性的直流配电和用电接口是推动直流楼宇内直流设备普及应用的基础性工作[23]。

5.5 高渗透率下直流楼宇与交流电网、电动汽车的相互作用

当大量的直流楼宇接入大电网后，直流楼宇与大电网作用将十分复杂，需研究高渗透率下直流楼宇对大电网的运行特性的影响，如对大电网稳定性的影响。

同样地，电动汽车接入直流楼宇，与直流楼宇之间可以存在双向能量交换，电动汽车与直流楼宇相互作用对直流楼宇的容量优化、能源管理和系统稳定性有重要影响。

高渗透率下直流楼宇与交流电网、电动汽车的相互作用机理研究就是要揭示它们相互作用的本质，发展相关的理论和方法，为低压交流配电网和直流楼宇配电网的稳定分析与控制奠定理论基础。

5.6 直流微网中的高效高可靠电力变换器技术

直流楼宇中基于电力电子技术的源和负载变换器的输入输出特性不同于交流供电架构，变换器的拓扑、控制和遥控技术为电力电子技术的应用开辟了新的应用领域[24]。

楼宇的照明电力消耗比重大，LED照明有望取代普通照明器件，实现节能、环保、寿命长和体积小。开展基于直流供电的LED光源成组、封装和驱动技术研究有很好的市场前景。

5.7 直流楼宇设备柔性互联、能源自优化、健康监测的网络基础

正如在常规的电力系统中可以通过对发电机的节能调度实现节能降损一样，通过楼宇设备柔性互联和能源自优化可实现直流楼宇高效经济运行。同常规的电力系统相比，直流楼宇中的因素更多，如楼宇电热冷需求情况、气候状况、电价、燃料消耗、电压质量、零售服务需求、需求侧管理要求和拥塞水平等，可以在满足系统运行约束的条件下，实现直流楼宇的优化运行与能量的合理分配，最大限度地利用可再生能源，保证整个直流楼宇运行的经济性。研究直流楼宇的优化控制与调度理论和方法，正是这一研究领域重点关注的问题。

基于物联网技术的直流楼宇网络为智能楼宇实现提供基础，实现直流楼宇设备、电能质量、环境的健康监测。

6 结论

（1）直流微网是一种新兴的供电结构，符合低碳发展方向，近年来发展很快，美、日、欧等发达国家正大力推进“直流楼宇”的研究和应用工作。

（2）直流楼宇适合新一代驱动设备、办公设备和数字家电的供电，更利于光伏发电、燃料电池和风力发电等分布式能源的接入，在用电终端的局部区域将获得应用。

（3）直流楼宇的关键技术包括供电架构、系统规划、运行控制、能量管理、保护策略、储能技术、照明系统、高效电力变换器和楼宇自动化等，为电力电子技术开拓了新的应用场合。

（4）我国应重视和加快直流楼宇技术研究，期望有更多的机构、企业参与直流楼宇这一新兴的绿色电力技术的研究与发展。

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