直流微电网在民用建筑的应用

刘自春

（中规院（北京）规划设计公司 北京市 100044）

在19世纪末的“交直流大战”中，由于直流电在输送容量和输送距离等方面的劣势，以交流电的胜利而告终。当前，并网发电的微电网也是以交流微电网为主，随着分布式能源的发展，以及电脑、手机、LED 照明等直流民用负荷的逐年增加，交流微电网的供电投资成本大幅增加，分布式能源接入时带来的谐振和谐波等影响还没有完全解决，系统的可靠性问题日渐凸显。采用直流方式组织电源、储能、负载及监控装置构成的直流微电网逐渐成为民用供配电领域的一种重要模式。本文简要介绍直流微电网的应用过程，通过分析民用建筑的负荷特征，制定相应的直流微电网的配置方案。

1 直流配电的应用情况

直流配电在工业领域早已应用非常广泛，冶金、化工、纺织和半导体等工业生产线，因为大量使用变频电机，通常采用公共整流单元加公共直流母线系统为多个逆变器进行供电和控制，由于工况不同，生产线的变频电机会分别工作在电动和发电状态，发电状态的电机可以将能量回馈到公共直流母线系统，节能效果显著。以某冶金轧钢生产线为例，该套公共直流母线系统包括整流器、逆变器、制动单元、输入输出电抗器和自耦变压器等主要元件，整套系统能够精确调速的同时，将再生能量有效回收利用，运行稳定。

冶金生产线660V 公共直流母线系统如图1所示。

直流配电在民用建筑也有着广泛的应用，比如变电站的直流屏系统、通信系统的48V 直流系统、数据中心336V 直流系统、智能直流照明调光系统、消防应急照明系统以及结合分布式电源及用户储能的直流微电网系统等。

2 民用建筑的负荷分析

虽然直流配电在各个领域都已得到应用，但是在民用建筑领域还远未得到普及。民用建筑按使用功能可分为居住建筑和公共建筑两大类，依据《工业与民用配电设计手册》第四版的表1.4-3 可知，民用建筑主要用电设备包括：照明、空调、风机、水泵、电梯等，同时居住建筑和公共建筑由于使用功能不同还会分别设置家用电器和办公电器等。

图1：冶金生产线660V 公共直流母线系统

表1：民用建筑负荷供电电压统计表

图2：直流微电网典型双层母线结构

图3：直流微电网接地方式

由表1可见，随着LED 照明和变频技术的发展，民用建筑负荷中直接或间接采用直流供电的负荷比重越来越大。许多用电设备为了适应交流电，只能在电源部分增加整流、滤波等电路，不仅成本增加，而且效率也被降低。

3 直流微电网的母线结构

直流微电网的电压等级目前还没有统一，目前常用的电压选择有：低压：1.5kV、0.75kV、0.4kV、0.22kV 等。特低电压：96V、72V、60V、48V、36V、24V、12V 等。

根据电压等级，通常直流微电网母线构成形式可以分为单母线结构、双层式母线结构、双母线结构和冗余式母线结构。其中双层式母线结构是指直流微电网中含有两个直流母线电压等级，用变换器将高压直流母线电压转换为较低电压，具有安全性高、体积小、电压等级多等优点。

以图2为例，双层式母线结构形式的第一层母线电压较高（如DC400V 或DC380V 等），第二层母线电压较低（如DC48V 或DC24V 等），满足实际工程中直流负荷多种电压等级的需求，同时满足小部分交流负荷配电的需求，是目前在民用建筑领域应用最多的结构形式。

4 直流微电网的控制方式

直流微电网的控制方式主要是通过设备级控制和系统级控制来实现基于无互联通信和有互联通信的运行控制技术，其中设备级控制主要控制目标是维持直流母线电压稳定，实现系统功率平衡，保证直流稳定运行。系统级控制主要目的是对系统进行集中管理和能量优化，提升整体运行效率和可靠性，实现最优运行。

基于无互联通信的直流微电网运行控制是通过检测直流微电网母线电压的变化量，来决定各自运行和控制模式，并保证任一时刻中均至少有一个变流器控制直流母线电压以保证微电网内的功率平衡。

基于互联通信的直流微电网分层运行控制技术一般分为三个层级，第一层级属于设备级控制，第二、三层级属于系统级控制。第一层控制包括：直流母线电压、交直流互联功率、交直流负荷电压等控制；第二层控制包括：功率/能量分配、直流母线电压二次调节、多运行模式切换等控制；第三层控制为微电网能量运行管理与最优运行控制。

5 直流微电网的保护技术

直流微电网的保护技术与接地方式密切相关，其接地方式对接地故障检测、故障电流大小、人身与设备安全等有很大影响，同时也会影响保护方案配置。

根据IEC60364-1 对直流系统接地的定义，可分为TT、IT 和TN 3 种类型。如图3所示。与交流电网类似，TN 系统发生接地故障时，会有较大的故障电流和电压暂变现象，容易被检测到并快速清除，同时由于目前民用设备接地保护线与交流零线存在电位差限制，所以TN 接地方式应用较为普遍。

熔断器和断路器是直流微电网中常见的保护设备，由于直流母线电容的存在，通常需要限流装置与断路器配合使用。对于直流微电网来说，快速进行故障定位并利用保护设备快速开断直流故障电流和隔离故障功能的设备对整个微电网的安全可靠运行是非常重要的。目前快速准确的进行故障定位依然是直流微电网保护技术研究的难点之一，所以配置直流微电网系统时，应尽量减少线路分段、简化网络拓扑，以降低对保护配合的要求，从而保证系统的选择性和可靠性。

6 结束语

目前交流系统仍是我国的主流供配电形式，交直流混合微电网将是微电网发展的主流，也将是适应数字社会和智能电网的发展趋势。在民用建筑领域，由于负荷端设备标准化、故障定位与保护等问题的存在，直流微电网还不具备大规模应用的条件，在未来很长一段时间内，依据负荷特点与交流电网混合使用，将是直流微电网的主要应用方式。