民用建筑中低压直流配电技术的合理应用

秦 凯

（国防工程研究院，北京 100036）

0 引 言

随着新科技、新能源以及节能技术的不断发展，直流配电技术日新月异，促使分布式电源的应用变得越来越广泛。在此情况下，供应和需求推动了直流技术的发展。尤其是在民用建筑领域，直流配电设施已经成为必备的设施。

1 民用建筑中直流配电技术的应用

1.1 蓄电池组构成的直流控制电源

图1是一种蓄电池组常见的构成形式，其中包含直流屏、蓄电池组以及充电装置。这种蓄电池组在各类变电站中有着广泛应用，不仅能够在正常工作状态下为系统提供稳定的电能，还能有效抵御突发事故对系统运行状态的影响。某种程度上，这种蓄电池组可以看作是直流不停电电源系统，又被称为直流屏系统或直流控制电源系统[1]。

1.2 通信系统-48 V供电系统

市电经过开关电源是通信系统-48 V供电系统变换至直流的主要方式，也可以对蓄电池进行浮充，完成设备供电。该系统采用正极接地的模式。由于空气有一定湿度，因此在正极接地时能够使直流电电解空气中的水分，从而起到保护系统的作用。这种情况能够保护继电器线径较细的线圈部分，受腐蚀的则是具有较大体积的铁芯部分，这是采取正极接地设计的主要原因[2]。

1.3 数据中心中直流配电技术的应用

在数据中心，直流配电技术的应用十分广泛。例如，336 V直流供电技术在中国移动常规业务中有广泛的应用，240 V直流供电技术在中国电信中有着广泛应用。相比传统的UPS系统，直流系统能够减少DC/AC变换环节，也能直接实现直流电的输出。同时，由于系统中没有AC/DC环节，因此整个电路的结构能够得到有效简化。图2为常规36 V直流供电系统的结构图。

1.4 照明调光

直流集中柜是照明调光的关键部件，主要由配电电源、检测控制单元以及整流模块等部分组成。在配电整流装置内，交流电通过整流模块变成200～300 V的直流电。电流经出线开关给灯具供电，而灯具内部会布设DC-DC电源模块，负责对LED灯具直流电进行转化，从而达到照明调光等功能。该技术具有诸多优点，可以通过调节直流供电电压完成调光控制，同时能够有效控制成本，不需铺设调光线。相比其他方式，它对电压的控制范围更宽，能够适应更复杂的环境，因此在大型公共场所照明、轨道交通照明以及舞台照明等方面有着十分广泛的应用。

1.5 消防应急照明方面的应用

A型灯具在疏散指示系统和消防应急照明系统中有着十分广泛的应用。这类灯具中普遍使用DC 36 V电压进行供电。消防照明系统中除了包括A型集中电源外，还包括疏散灯具、集中控制系统以及相应的应急照明灯具等。

图2 36 V直流供电系统结构图

1.6 结合分布式电源和用户侧储能的低压直流配电微网

近年来，结合分布式电源和用户侧储能的低压直流配电微网得了迅速发展。这种系统应用分布式电源和用户侧储能技术，在直流空调、直流照明、新能源直流汽车充电桩以及一体化智能微电网系统中有着广泛应用。系统交流市电转换为直流电主要依靠主变换器。另外，系统中还包括直流母线、电池以及储能变换器等设备[3]。

2 电费计费模式与直流微网的运行模式

图3为目前工程内普遍采用的直流微网系统。设计该系统时，需解决分布式电源输出的电能储存方式和使用方式、微网对市电网并网以及买卖电能等操作问题。在实际应用中，选择直流微网运行模式的同时，需要技术人员分析项目与市政电网之间的接入关系。一方面，系统并入市政电网有并入上网、并入但不上网以及孤岛运行3种形式，因此并入电网时需要提前与市政电力部门沟通确定。如果接入形式为并网且上网，则需要联系供电部门，由电力设计部门结合实际情况出具接入并网系统报告，进而明确系统设计先决条件。另一方面，技术人员需要重点管制电费计费机制，这对直流微网运行的经济效益控制影响很大。分布式电源输出的电能和储能系统中存储的电能产生的经济价值与电费计价机制有着密切关系。单一制电价是指以纯电量作为计价标准，目前多用于居民用户用电计费[4]。在工商业用户用电计价中，单一制电价机制和两部制电价机制同时存在。

图3 低压直流配电系统示意图

两部制电价由基本电价和电度电价组成。基本电价根据用户负荷准备的容量确定，是一笔固定费用，电度电价则由用户的用电量乘以单位电价确定。权重叠加是计算两部制电价的主要方式，其中包括基本电价和计费电价，因此两部制电价模式涉及基本电价和电度电价两部分费用。一个月中每15 min平均负荷的最大值称为用户最大需用量，是确定基本电价的计算依据。在开始计价前，用电部门会先和用户签订合同，从而确定限额。限额一般为每个月用户申报的一个最大需量，随后将这一数字乘以37.8元/kW·h。值得注意的是，基本电价不受实际用电量的影响，且不论企业用电量处于何种状态，都需要缴纳基本电费。按照用电单位的实际用电量计算可以得到电度电费，一般会根据不同时间段对消耗的电量数进行累计计算，随后乘以峰谷时段对应的电价进行累计计算。某个月用户的电费是基本电费与电度电费的和。

为了能够进一步明确不同收费方式之间的差异，当地电业部门统计当地峰谷时段的电度单价，发现在非夏季，相比单一制来说，两部制曲线峰谷差距更大。从峰谷电度电价差距来看，两部制电价差距更大。大部分时段下，单一制的数值要高于两部制，在谷段和平段，两部制电价低于单一制。分析峰值时段可以发现，单一制电度电价低于两部制，且这种情况较为特殊，这是因为采取两部制收费的用户每月需要根据最大需量完成基本电费的缴纳。总的来说，两部制电价低于单一制电价是正常的情况。

3 用户侧储能

在用户侧安装储能设备，被称为用户侧储能，通常应用于某些建筑领域。在这种情况下，用户可以根据自身电能消耗情况、相关设施以及电路布置情况控制储能设备的运行状态，也能根据分时电价完成削峰填谷控制电费的功能。

电池管理系统、变换器以及电池堆是储能电源的主要模块，电能双向转换主要依靠储能变换器实现。具体来说，电能会在充电状态时储存在储能设备中，当系统处于放电状态时，储能装置存储的电能会输送到微网中。电能的存储和释放主要依靠电池堆完成，有富余的电量存在于电网，需要电池堆完成电能吸收并将其转化为化学能。反之，在电网需要能量的时候，电池堆则能将之前蓄积的化学能转化为电能并输送到电网中。电池管理系统可以实时监控电池电压、温度以及电流等参数，进而有效控制欠压和过压等问题。另外，设备能管理充放电均衡，避免出现电池间的一致性差异，从而有效提升电池组的能量利用率[5]。

随着各类科研活动的开展，电池储能技术飞速发展，但同时面临巨大挑战。第一，电池循环寿命仍然达不到理想标准。电池经过一次充电和放电的过程叫做一次循环，在一定条件下，电池在工作到某一容量规定值前，能够承受的循环次数为循环寿命。不同的蓄电池的循环寿命有一定的区别。研究发现，产品性能和维护质量都会影响蓄电池循环寿命，在某些场景下，蓄电池主要追求可靠性，并作为市电备用存在，因此不需要有较高的循环寿命，但是需要对浮充寿命进行更深层次的研究。正常用的储能电池，需要具有较高的循环寿命，才能保证电池能够平稳完成每天的谷充峰放，保证一天多次充放的平稳运行。第二，消防安全对实际应用有着重要的意义。在实际设计过程中，很多蓄电池室都设计了满足阀控式密封铅酸电池的设施，但是很少能够设计满足锂电池工作需求的设施，同时缺少相关的技术规范。因此，如果设计人员需要将锂电池布设在地下室内，则应该深入思考和设计火灾的防范措施，尤其需要结合目前锂电池的应用形式，思考引发火灾的技术点。一般建议将锂电池布设在室外环境中，并要求其与建筑和人员活动区域保持一定的距离。第三，在每千瓦时的系统初始投资成本上看，铅酸电池的成本最小，全钒液流电池的成本最高，磷碳铁锂电池的成本相对居中。

4 项目所在地的客观情况

项目所在地的自然环境对分布式电源的种类会产生一定影响。具体来说，太阳能资源丰富的地区往往会优先选择光伏发电系统，而具有丰富风能资源的地区则会优先选用风力发电。在偏远地区，市政电网很难布设在相应地点，但是这类地区往往拥有丰富的土地资源，因此会优先选择风力发电和露天式储能装置等。对于城市中心，则会采用以交流配电系统为主直流配电系统为辅的形式，实现值班照明等需求[6]。

5 结 论

综上所述，想要真正通晓民用建筑中低压直流配电技术的合理应用，需要技术人员深入了解民用建筑的功能需求，同时需要掌握目前常用的集中布设方式和系统特点，结合项目所在地的实际情况选择适合的设备及系统，深入系统本身研究系统现存的问题，从而为开拓技术发展方向提供参考和借鉴。另外，要深入具体的案例分析技术应用特点和目前技术应用中容易忽略的问题，进而从多个角度促进低压直流配电技术的发展与应用。