建筑直流配电系统研究

丁 宝 / 张 进 / 赵 亮 / 付宾朋

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院， 黑龙江 哈尔滨 150001)

目前向建筑提供电能的是交流供电系统，而长距离输电使用直流供电系统。自1880年起特斯拉就与爱迪生就交流供电还是直流供电进行殊死论战，最后以特斯拉的交流系统获胜。100年来，人们更清楚地认识到了交流供电和直流供电各有优缺点。

1 建筑直流配电的需求与实践

1.1 建筑与电能

对建筑内用电负荷性质进行分类研究，发现有很多负荷需要直流电源。如计算机和网络设备、手机充电器、LED照明设备、电梯、电视机、微波炉、变频电冰箱、变频洗衣机、变频空调机及将来被广泛使用的电动汽车电池等。目前只能通过AC/DC转换获取直流电源。建筑内需要直流配电系统，减少电源转换,提高电能的使用效率。

建筑内新能源的使用有着巨大的生命力。电梯再生发电、光伏发电、微型燃气轮机、风力发电、燃料电池等均可向建筑提供直流电源。尤其是电梯再生发电和光伏建筑一体化(building integrated photovoltaic，BIPV)发出的是直流电力，如果在发电的瞬间不能全部使用完毕，可能导致向电网馈电，这往往不能得到电网的允许。使用交流电早已成为消费者的习惯。建筑内使用交流电为主配电系统，考虑到目前DC/DC(直流变直流)转换器越来越便宜，在建筑内构造直流配电微电网越来越容易实现，从而实现节约电能指日可待。

1.2 直流配电微电网的研究现状

为利用可再生能源进行分布式发电，学者们提出了微电网(MicroGrid,MG)[1-3]的概念。直流微电网是广义微电网的一个分支，是结合了微型电源、负荷和控制装置的一种电网形式。其中微型电源包括电梯再生发电、微型燃气轮机、风力发电、光伏发电、燃料电池等分布式电源和储能装置。通过一条公共的直流母线将所有微电源连接起来成为独立可控系统。

各国学者对广义微电网已经有大量研究，但对直流微电网或配电系统研究还较少。美国在微电网方面的研究[4]由三部分组成:① 由美国能源部输电与能源可靠性办公室和加利福尼亚能源委员会(CEC)资助的微电网研究计划；② 由美国能源部与GE公司合作，将微电网的控制、保护与能量管理集成于一体；③ CEC 资助的DUIT项目。欧盟的微电网研究[5-6]主要分为两个阶段:第一阶段是欧盟第五框架计划(FP5)，取得了一些具有启发意义的研究成果；第二阶段为欧盟第六框架计划(FP6)，研究内容包括控制器、更好的控制策略、控制与通信的集成、标准、微电网的影响及很多的试验。目前，欧洲的微电网示范项目主要有希腊斯诺斯岛微电网、德国曼海姆Wallstadt居民区示范工程、西班牙LABEIN项目、葡萄牙EDP项目、意大利CESI项目和丹麦ELTRA项目等。日本的微电网研究[7-8]定位于能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性化电力需求，强调微电网的控制与电储能。目前，日本在微电网示范工程的建设方面处于世界领先地位。

国内直流微电网的研究还刚刚起步。2012年9月14日国家能源局发布的“关于申报分布式光伏发电规模化应用示范区的通知”中，对分布式的光伏发电项目(含建筑光伏BIPV)实行单位电量定额补贴政策，对自发自用电量和多余上网电量实行统一补贴标准。

2 建筑直流配电系统的构成

目前国内建筑中有实际意义的分布式电源包括建筑光伏BIPV和电梯再生发电。未来会有更多的分布式电源(如微型燃气轮机、风力发电、燃料电池等)在建筑内使用，不同的分布式电源的控制策略会有差别。

图1 建筑直流配电系统的构成

2.1 系统构成及相应技术问题

建筑直流配电系统构成由图1所示。由交流/直流变换器(AC/DC)、直流母线、分布式电源、直流负荷、蓄能器、开关及保护装置(图中未画出)6部分组成。

[11]对直流配电系统的关键技术作了综述。日本人认为直流母线的电压取380V较为合适并得到了美国人的认可[9]，也可以通过DC/DC变换得到一个45V低电压构成双母线系统[10-11]，高电压向功率较大的直流负荷提供电能，低电压为小功率家用电器服务。直流配电的保护系统应特别引起注意，快速型断路设备的应用提高了系统的可靠性，已有较为成熟的经验(见参考文献[12])可以借鉴。

AC/DC变换器可以由6个IGBT构成双向的变流电路，其作用是当建筑内分布式电源不能满足直流负荷用电时，向直流母线提供可控整流。该整流器克服了传统的二极管桥式整流电路存在的功率因数低及谐波问题，可以做到PF=1，并且使EMC谐波最小化。当分布式电源发电过剩时，该AC/DC变换器可以将直流侧电能向电网逆变。当分布式电源容量较小时，电网可能不允许电能的回馈，此时AC/DC变换器可以采用结构简单、价格低廉的桥式整流电路，此时电能只能向直流负荷单向传输。AC/DC变换器输出的电压应该低于直流母线电压，当母线电压低于设定的阀值时投入工作。

2.2 直流母线电压控制过程

分布式电源输出通过设在DC/DC变换器内部的冗余阻抗，防止各个电源之间产生的静态及动态环流。蓄能器也应看做是一个分布式电源，起到吞吐能量的作用。各个电源输出采用同一电压构成电压源，其出力大小以输出电流来衡量。直流母线电压向上波动时，蓄能器的DC/DC变换器通过调大充电电流来蓄能，从而使直流母线电压降低，维持母线电压恒定。如果当蓄能器蓄满时，母线电压仍继续升高，则应启动AC/DC向电网馈电或关闭部分分布式电源。当直流母线电压向下波动时，蓄能器通过DC/DC变换器向母线放电维持母线电压恒定。蓄能器放电达极限值而母线电压继续下降达母线电压最低阀值时，AC/DC投入整流工作。直流母线电压的波动应该在毫伏级，否则冗余电阻损耗过大。

3 分布式电源及负载的特性

本节着重讨论建筑光伏BIPV、电梯再生发电、AC/DC及蓄能器的特性。

3.1 BIPV的特性及控制策略

1991年，德国旭格公司首次提出了“光伏发电与建筑集成化(Building Integrated Photovoltaic，简称BIPV)”的概念。BIPV技术利用光伏电池与建筑物的墙面、遮阳装置及屋顶相结合，直接利用建筑物

的受光面，使建筑本身成为一个可以产能的设施。其特点是功率比光伏电站小得多，一般控制器不大于4kW，而光伏电站多采用100kW～500kW的逆变器。由于BIPV的功率小，故效率低于光伏电站。如果建筑物含有直流配电系统，BIPV就不再需要向电网馈电，同时光伏电池最大功率点(MPPT, Maximum Power Point Tracking)跟踪控制必须在DC/DC模块中实现，使每一个光伏组件都工作在最大功率点[19-20]，提高光伏建筑的发电效率。

3.2 电梯负荷特性

电梯的节能方案[14-16,18]从不同角度取得了进展。电梯的四象限运行[13]如图2所示。向上运行含3个工作状态：电动、发电减速及正向回馈制动。向下运行也含3个工作状态：电动、发电减速及正向回馈制动。

(1)正向运行电动状态特征：工作在第一象限。转速和转矩与参考正方向一致。能量从电网传向电动机，电动机做正功。

(2)正向减速发电制动状态特征：工作在第二象限。转速和参考正方向一致,电磁转矩可能为负(发电)。

图2 电梯的四象限运行

(3)正向运行回馈发电状态特征：工作在第二象限。转速与参考正方向一致,电磁转矩恒为负，为稳定发电状态。三、四象限与一、二象限类似。电梯的四个象限运行中，二、四象限各有一个稳态发电状态。

变频调速电梯的逆变主电路如图3所示。该逆变器由三相全桥整流、电容滤波及逆变三部分组成。当电梯处于发电状态时，发出的三相交流电通过逆变器中的反向二极管桥式整流向电容C充电。电梯检测到Uc升高时开启开关管V0,使电流通过R0、V0流向负极。这一过程中电能在R0上消耗掉，否则电容C将被泵升压击穿。

如果将能耗电阻R0去掉，在电容C两端接入双向可逆DC/DC变换器，然后将该DC/DC变换器输出端接入直流母线，那么电梯成为建筑内的一个分布式电源。同时又是直流母线的一个直流负载。电梯运行过程如果忽略摩擦阻力和电阻，实际上并不消耗电能，只存在与电网的能量交换。我国建筑中电梯已经大量应用，占全球电梯销售市场的80%，如果建筑中有直流配电系统，可以节约巨大的电能。

3.3 AC/DC环节的接地问题

直流配电系统采用TN接地方式较为适宜[11]。需要讨论的是电源侧的接地点，一定是在AC整流后接地，而不是在交流侧。如果在交流侧接地，那么直流母线正极对地仍然是交流，会对直流系统的抗干扰不利。在电热地膜采暖工程实践中，采用交流供电的地热膜系统漏电严重，甚至不能正常工作。原因是电热膜对地形成平板电容器，一个20m2的房间工频漏电流达60mA，使漏电保护器动作。采用桥式整流得到直流电源向地热膜供电，工频漏电流仍然是60mA，原因是桥式整流输出的直流电与交流部分没有绝对隔离，桥式整流后的直流电只是在输出的正负电源之间存在，正极对于第三根地线来说，仍然是交流电。

图3 电梯逆变主电路

3.4 蓄能器的选择

蓄能器可以使用蓄电池、超级电容器(super capacitor)及飞轮蓄能。超级电容响应速度快，寿命长，是较好的选择。它是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能元件。其容量最大可达上万法拉，具有无污染、零排放等特点。在建筑直流蓄能系统中，由于电梯具有短时、频繁运行等特性，导致蓄能装置充放电频率非常高，且在绝大多数情况下并不能完全放电和完全充电，对于蓄电池这种化学储能装置来说，频繁且不完全地充放电会使得蓄电池表层迅速消耗，将会大大缩短他们的寿命。而超级电容在充放电过程中老化影响非常小，而且超级电容充电储能没有记忆性，理论上可以无限次充放电。电池适用于长时间低电流的供电需要，而超级电容器适用于短时间大电流的放电。由此可知，超级电容器功率密度高，其储能系统可以在短时间内将能量迅速释放出来，而且使用寿命长，效率高，非常适合[17]在建筑储能系统中使用。

4 结束语

本文对建筑直流配电系统的结构、原理及相应重要环节的特性进行了研究。对当前建筑电气节能有现实意义的建筑光伏及电梯再生发电进行了探讨，结论如下:

(1)提出一种建筑直流配电系统的结构，并对直流母线电压稳定方法进行了论述。指出AC/DC及蓄能器的配合控制，是实现直流母线电压稳定的根本途径。

(2)对电梯的四象限运行进行了分析，电梯有两个象限具有节能运行的潜力。如果建筑直流配电系统存在，电梯节能运行更为方便可行。电梯在当前建筑中应用非常普及，构建直流配电系统最先受益的是电梯节能运行。

(3)结合一个地热膜直流配电系统的案例，指出TN接地点应该在AC/DC的直流侧进行。

(4)建议设计院、大学等相关部门联合申报建筑直流配电系统示范项目，取得运行经验后与发达国家同步制定建筑直流配电系统设计规范。

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