建筑直流供配电系统发展现状及展望

郑俊雅, 王淑艳

[1.上海电器科学研究院, 上海 200063;2.上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海 200063]

0 引 言

随着我国经济的快速发展,能源消耗量和温室气体排放量迅速增长,“温室地球”时代提速来临,全球面临着严峻的碳排放压力。目前,国内建筑总能耗已经占到全国能耗总量的30%以上。随着城市化建设步伐的加快,我国建筑能耗将出现快速增长的态势。因此,我国建筑领域在能效提升上潜力巨大。目前大力发展可再生能源是我国改善环境、促进社会可持续发展的最重要、最有效的举措。各类新型可再生能源(风、光、储)等的大量采用已经成为现代智慧建筑的必然趋势。

目前,智能建筑领域中关于采用直流配电的呼声快速增长,专家提出在智能型的商业和住宅建筑楼宇中采用直流(DC)电力系统可能比交流(AC)系统具有显著优势,通过直流母线可以有效地将光伏、储能等分布式电源融合起来并进行协调控制,同时又能对直流负荷直接供电,减少交直流能源转换中的损耗。直流供电系统更能适应现代建筑对电力能源的需求和未来负荷的发展特点,满足绿色、高效、可持续性的要求,从而可能建设更安全、更可靠、更节能的智能建筑。因此直流建筑研究和建设已经成为当前智慧建筑供电技术的热点话题。

本文介绍了建筑直流配电系统的需求、国家政策支持、直流建筑系统上下游技术的发展现状、前景和关键技术攻克,并结合实际案例,对业内关注的直流建筑的相关标准规范制定、直流配电设备开发、技术集成示范、屋顶光伏设备、关键直流电器研制、标准接口开发和系统优化仿真等进行了分析。

1 建筑直流供配电系统产生的背景和意义

推动建筑物不断迈向近零能耗乃至零能耗,已发展为国际趋势。美国绿色建筑协会正在将直流系统纳入绿色建筑评估体系。要求至少在1个主要能源系统中,95%的用能负荷是利用中央直流电源(如光伏系统、燃料电池、共享式直流电供应或蓄电池)驱动的。这一措施的施行将有效促进建筑设计过程中光伏的装设和直流电的使用,进一步发展和推广直流建筑[1]。

据统计分析,我国建筑负荷中最终使用直流电的负荷占据很大比重。目前,这类负荷均通过交流电整流(AC/DC)后使用,如计算机网络设备、LED照明设备、汽车充电、LED大屏、数据中心、电脑、手机等设备,这些设备的用电约占总用电量的50%;用能较大的电机负荷(水泵、空调、制冷等)也大都采用变频技术,即交流-直流-变化的交流(AC-DC-AC)的形式进行电机起动和运转,约占负荷总用电量的30%;特别是随着现代建筑设计中大量采用分布式能源(光伏、储能等)装置后,通过逆变技术(DC/AC)将分布式直流能源与交流配电共存,故引发了人们对建筑直流供电的研究。

直流建筑的优势主要有2方面:① 目前在用电器设备绝大多数都可以进行直流供电,但为了适应交流电,新型照明设备、家用电器、办公电器、空调设备等设备都通过在电源部分增加整流电路、滤波电路的方式,将交流电转化成直流电,大大提高使用成本。如果使用直流配电系统供电,在能效提升上潜力巨大。② 现代建筑中广泛采用新能源光伏发电、储能技术、充电桩等进行配套设计,原本要通过整流装置/逆变装置变换后使用或并入交流配电系统,损耗非常大,而直流配电系统非常适合这些技术的直接接入。

相对传统配电网,建筑直流配电网优势显著:能提高终端用电的安全性;提升能效;提高电能质量;简化家用电器电源接口。建筑交流/直流配电系统的优劣势对比如表1所示[2]。

表1 建筑交流/直流配电系统的优劣势对比

2 建筑直流供配电系统关键技术现状

2.1 直流电压标准的选择

直流建筑中,直流电压标准值过低,将直接导致供电线路损耗增加、供电电缆变粗、施工难度加大以及成本增加等。若提高电压值,过高的直流电压会造成安全隐患,同时在绝缘/灭弧等方面会提出额外要求。在交流供电的情况下,产生的电弧会因交流电压周期性过零而消失。但直流电能够始终施加恒定电压,不会熄灭电弧,就有可能引燃周围的物体。如果仅考虑将交流线路改造为直流,由于电缆允许电压为交流额定电压的峰值,可选用交流额定电压的峰值作为直流电压标准。因此,如何设定合适的直流建筑供电电压标准是需要不断研究和探索的[3-4]。

目前,直流配网的电压等级并没有统一的标准,如何选取需要从多方面考量,包括直流配网的供电范围与供电容量、直流配网的成本造价、直流配网的绝缘开关设备的选取[5]。

直流建筑尚未大规模应用,当前国内外直流供用电系统电压等级的选取仍存在争议,低压直流标准电压仍有争论,低压直流供用电系统的电压等级范围及标准需进一步研究[1]。

2.2 能源和储能设备的优化配置

考虑到直流建筑的经济性和可行性,应对建筑接入的可再生能源、电网接口、储能设备等容量进行优化配置,针对建筑自身电力需求合理规划。并且考虑到可再生能源的波动性、随机性以及分布式发电的特点,原有的容量配置方法很难适应新环境下的系统配置要求,需要对原有的规划思路进一步研究和改进。

2.3 直流供电的安全运行和保护

直流供电系统的准确故障判断和定位是实现直流电网安全运行和保护的前提条件,也是直流电网领域的研究难点之一。尤其在直流建筑内,线路较短且中性点不接地时,故障定位分析的难度更大。因此需要在直流建筑内配备高效的限流设备,在故障时限制电流的上升速率,在安全装置动作前将故障电流限制在不过载的范围内。目前,直流系统的安全保护方案并不成熟,仍需进一步深入研究。

2.4 直流供电的协调控制策略

直流建筑内供电能源种类多、特性不同,同时供电系统存在与大电网并网运行、孤岛运行、不同状态的切换过程等多种运行状态,因此需要研究符合自身特点的运行控制技术,才能应对上述复杂的运行状态。目前,直流系统主要采用主从控制方式、电压下垂控制方式,通过设置上层控制器对直流建筑内各电源和储能装置的换流器进行协调控制。另外,混合控制和自律分散控制等方式也受到关注。

3 建筑直流供配电系统关键设备

直流建筑内,对于微波炉、电磁炉等功率较大的负载设备,现有的直流开关、插头等装置无法安全快速地开断直流电流,不能直接应用于直流系统中。另外,直流系统中不存在电流过零点,给直流断路器研制带来较大困难。虽然市场上已经有400 V以下的低压直流断路器投入应用,但中高压直流断路器的研发应用仍需要技术突破和创新。因此,需要对直流建筑的关键设备,包括大容量电力电子变流设备、直流断路器、直流用电电器、有源电力滤波器(APF)和动态电压调节器(DVR)等加强研究。

直流供电所要求的各类开关、继电保护、计量等低压电器器件与现在的交流电器系列已经完全不同,其主要依靠电力电子技术,通过固态半导体器件完成各项电路的控制与保护功能。故要研究开发新的系列开关、保护、 计量以及 DC-DC电压变换等新器件。基于固态半导体器件所发展起来的新系列产品具有智能控制通信等功能,从而提升建筑内配电与保护系统的智能化水平。

(1) 大容量电力电子变流设备。直流换流器是连接接口端的变换装置,将各类电源和负荷接入直流母线并使其能稳定运行。目前,随着电力电子变流设备向大电流发展,用户要求电源系统能提供大功率、高可靠性的电能,这种电源的输出电流大,需要开发大容量电力电子变流设备[6]。

(2) 直流电表。开发新型智能直流电表,具有直流电能的计量、故障定位、控制保护功能,支撑智能调度决策与市场交易,是低压直流供用电系统发展中极为重要的环节。目前直流计量的标准正在建设中,直流电表仅能实现双向计量及数据传输功能,但物联网技术的兴起,对直流电表的智能化和综合化提出了更高要求,直流电表的功能还需进-步扩充和完善。

(3) 直流断路器。对于功率较大的负载设备,现有的直流开关插头等装置无法安全快速地分断直流电流,不能直接应用于直流系统。由于直流系统中不存在电流过零点,给直流断路器研制带来了较大困难。虽然市场上已经有400 V以下的低压直流断路器,但中/高电压直流断路器的研发应用仍需要技术突破和创新[3]。

(4) 直流插座开关。对于低压直流配电线路,在接合和断开过程中存在着较大的电弧,其对开关有严格要求,然而现阶段所使用的开关无法直接运用到这一过程中,因此加大该领域开发,有助于加强直流配电网的发展。目前,市面上还没有适用于商业领域应用的直流插头和插座。直流插座中可采用电力电子开关和自动控制技术,对电流、电压及电弧建立暂态过程小信号模型,通过对小信号分析及试验验证来控制电弧,以确保插头在充分接触插座导电体前没有电流或只有极小的电流流过,在插头即将与插座分离时断开供电,确保在此暂态过程中没有电流。为了解决直流插头和插座接触时产生的电弧问题以及对电能进行有效地管理与调度,设计了多功能智能直流插座。该插座具有取电控制、开通/关断、功率与电量测量、过流过压保护及无线通信等功能,同时还具有在电力线路上传输数据的功能,这样就无需另外增加数据传输电缆,既节约系统的布线成本,又提高系统的可靠性[7]。

(5) 直流用电电器。直流用电电器产品包括LED照明、各类变频风机水泵、空调、冰箱、洗衣机、炊事用电器等住宅建筑用电器,以及办公类建筑所需要的中央空调相应产品、电脑、服务器等。尽管这些产品改为直流供电从原理上并不困难,但仍需要分析各类产品的实际特征,确定统一的电压等级标准、电源接口形式、产品安全防触电方法等,实现交流向直流的过渡[5]。

(6) 户用能源路由器。能源路由器的作用主要是将一定范围内的分布式电源和用户负荷连接并集中调控,提升运行效率和区域网络稳定性。户用能源路由器将光储一体机、户用可控负荷结合在一起,使户用能源路由器与公共电网处的潮流具有一定的可控性。户用能量路由器可以大大提升户用负荷的功率;采用交直流混合配电的供电方式,提升了户用负荷的供电可靠性;具有光伏直流输入接口,将多余的光伏能量逆变上网,有效提升经济效益[8-9]。

户用能源路由器结构示意图如图1所示。

图1 能源路由器结构示意图

4 示范工程及典型应用

目前,楼宇建筑是世界最大的能源用户之一,其能耗占全球总能耗量40%左右。与交流供电相比,建筑直流供电以其强大的节能优势而具有广阔的发展前景[10-11]。世界各国纷纷开展对建筑直流供电的研究,提出建筑直流供电方案和研究方向。

4.1 欧洲建筑直流供电研究

根据欧盟规定,2020年之后建造的楼宇必须是超低能耗建筑,其电力需求的主要部分必须使用可再生能源进行现场生产。由西门子中央研究院领导的DCC+G项目,旨在建立一个优化的380 V直流电网络。该项目以一栋办公楼和一家大型超市为样本,期望每个样本中都能实现5%的能源节省。目前正在研究用于高效控制元件的新半导体技术、用于网络保护的交换系统和用作传统二次配电网络稳定接口的整流器,以及用于直流电网络中最佳能量分布的网络架构和能源管理系统。

4.2 美国建筑直流供电研究

2007年,美国弗吉尼亚理工大学CPES中心提出了“Sustainable Building Initiative(SBI)”研究计划,主要为未来住宅和楼宇提供电力。整个系统具有2个电压等级的直流母线(DC 380 V和DC 48 V),分别给不同等级负载供电。DC 380 V母线主要是为了匹配工业标准的直流电压等级,其依靠前端整流器和功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)电路接入主电网。DC 48 V母线主要是为了匹配通信标准的直流电压等级,其依靠DC/DC变换器与DC 380 V母线连接。

2011年,美国北卡罗来纳大学提出了“The Future Renewable Electric Energy Deliveryand Management(FREEDM)”系统结构,用于构建未来自动灵活的配电网络。FREEDM包含400 kV的直流母线,其利用直流供电架构将分布式电源单元、分布式储能单元和直流负载集成,通过智能能量管理装置(Intelligent Energy Management,IEM)与大电网连接。

4.3 日本建筑直流供电研究

2010年,日本东北大学建成综合使用太阳能电池、蓄电池及直流供电的“ECOLAB”研究大楼。ECOLAB为木制结构的2层建筑,可将太阳能电池产生的电力储存在锂离子充电电池中,以直流方式用于LED灯等负荷设备。ECOLAB大楼设置了5.8 kW的太阳能电池和9.6 kWh的锂离子充电电池。储存在锂离子充电电池中的电力以直流方式分别提供给实施直流供电等验证工作的“DC生活空间”和LED照明。

4.4 国内建筑直流供电研究

2011年,ABB在北京建成“太阳能低碳屋(Sloar House)”。北京太阳能低碳屋如图2所示。该屋利用屋顶和墙壁上的太阳能面板产生的电能作为唯一电源,采用直流供电,在维持住户生活质量的同时通过现有技术实现能源自给自足的低碳生活。通过安装智能家居控制系统、楼宇对讲系统等低压电气和智能家居解决方案,用户可以在控制面板上点击按钮对各房间的灯光、窗帘、暖气、通风、家用电器、楼宇对讲设备进行独立或集成控制。

图2 北京太阳能低碳屋

台湾核能研究所设计了智慧型直流电力屋,提出针对新能源的电力特性,研发合适的电力变换模块,并与高效能储能系统相配合。经测算,采用直流供电架构比原有交流供电节省电能约11%。

5 建筑直流供配电系统仍存在的问题

目前,阻碍直流建筑配电产业发展的有如下方面。

(1) 标准的缺失。缺失插头插座、电器、检测和电压等级标准等。行业内很多专家认为可将直流建筑的标准写进绿色建筑标准中去,有助于推动直流建筑的发展。

(2) 直流电器和直流家电还未得到广泛应用。目前行业内的直流家电、直流开关、直流插头插座等还未广泛应用。目前,供方市场和需方市场都远未成熟,其商业模式值得进一步探讨。

(3) 储能成本还需要进一步降低,因为直流建筑配电系统一般都需要配置相应的储能来调节。

6 建筑直流供配电系统未来发展趋势

(1) 建筑直流配电的发展方向已经形成共识。随着分布式电源技术的发展和储能成本的进一步降低,未来建筑配电网给人们生产、生活带来能效提升、最大化消纳可再生能源已经得到各国科学家的一致认可。目前,国内外对于建筑直流配电网的研究仍处于起步阶段,建筑直流配电技术从规划设计、控制与保护、关键设备、经济分析等方面还有大量问题需要研究。

(2) 直流配电发展受一定技术和成本制约。目前,我国国内主电网采用交流配电的垄断地位仍不可动摇,而且我国电力部门重“输”轻“配”,提倡建设坚强的输电网络,故此长期以来国内配电网的发展一直明显落后于输电网的发展。虽然近年来许多示范工程的研究显示具有可靠性、安全性、稳定性和经济性的建筑直流配电网具有巨大的市场潜力和应用价值,但是目前直流配电网及其相关技术还存在大量问题尚未解决,如有效的灭弧、接地、多电力电子变换装置强耦合、非线性的稳定性机理还需要进一步深入挖掘。目前面临最大的问题是变压难和直流灭弧困难,解决方案的成本代价太高,难以与交流相竞争,因此短时间内建筑直流配电系统难以被用户企业和居民所接受。

(3) 故障检测技术。建筑直流配电故障检测与交流有很大区别,要结合配电自动化系统来研究直流配电网故障识别和定位技术,以及不同结构、不同运行方式下的故障诊断与保护配合,开发基于电流变化率、电流方向、电压变化率等信号分析与处理的故障识别方法。

(4) 关键设备研究。目前直流设备的成本太高,所以要从材料和制作工艺出发,研发基于新型保护原理的直流配用电系统保护关键设备,包括低成本、大容量、商业应用的ms级低压直流断路器,具有故障电流限制或ms级切断能力的换流器,可控阻感的商业应用的直流线路故障电流限流器等。设备研究主要有如下3方面:① 研制低成本的中低压直流配电网的直流断路器。加大对直流电弧的熄灭方式的研究,以及研究中低压直流断路器的工程实用化,满足其商业化竞争和大功率化的需求。目前,研发低成本、大容量的直流断路器或将限流装置与小容量断路器相配合是直流配电系统保护技术研究发展的两个方向。② 研制低成本的直流变压器。对直流电压的变换原理、变换模式进行深入研究,能否在直流变压的原理拓扑和器件选择等方面做出比较大的变化,改变目前电力电子变压器体积庞大、成本高的现状。③ 负荷设备的接插设备研究和开发。因为直流电弧不易熄灭,直接插拔用电负荷易引起电弧燃烧,因此常规的接线板、插头插座需要重新设计,以有效防止电弧。

(5) 建筑直流配电需要多行业配合。从已掌握的信息来看,直流建筑市场非常巨大,可以接入光伏、储能等新能源发电设备。发展直流建筑除了直流设备相关企业的配合外,还需要多个行业的配合和人们用能习惯的转变。建筑直流的相关负荷设备领域(家用电器、办公电器等)都需要进行配合,这需要漫长的时间。不少家电企业(美的、海尔等)已着手开发纯直流的空调、冰箱、洗衣机产品,因此未来直流建筑可能先行一步,实现交/直流同时入户的应用场景。

7 结 语

目前我国已建成多处建筑直流配电示范工程,还有更多项目在规划和设计中,同时随着可再生能源的继续发展,以及现有电网技术升级等方面的需求,建筑柔性直流配电未来的发展将得到快速增长,所以建筑直流配电技术将成为研究热点,特别是直流配电系统的关键设备电力电子变压器和中压直流断路器将会进一步研究。