直流電源系統(tǒng)將微電網(wǎng)帶入辦公室

喬·尼斯利

在19世紀(jì)80年代，當(dāng)托馬斯愛(ài)迪生研制出第一盞實(shí)用的白熾燈時(shí)，就引發(fā)了一場(chǎng)關(guān)于交流配電和直流配電的優(yōu)點(diǎn)問(wèn)題的辯論。這是一場(chǎng)相當(dāng)激烈的戰(zhàn)斗——“電源之爭(zhēng)”，漸漸地交流配電成為了最后的贏家。如今，隨著便攜式電子產(chǎn)品的廣泛使用，使得電力的發(fā)配電問(wèn)題不得不被重新考慮。

現(xiàn)在的商業(yè)建筑設(shè)計(jì)，家具布局靈活，適合各種業(yè)務(wù)項(xiàng)目，不再是以往固定的設(shè)計(jì)風(fēng)格。

在整個(gè)20世紀(jì)，我們已經(jīng)習(xí)慣了交流輸配電系統(tǒng)的工作效率，即使進(jìn)入建筑物的交流電力需要通過(guò)一系列電壓電平轉(zhuǎn)換，才能適應(yīng)用于各種電力負(fù)荷（主要是指照明和電機(jī)）。然而，由于晶體管和其他固態(tài)組件的發(fā)明，使得建筑物內(nèi)出現(xiàn)了越來(lái)越多的低壓直流電器負(fù)荷（如計(jì)算機(jī)、IT設(shè)備、手機(jī)充電器和其他個(gè)人使用的設(shè)備，以及建筑控制傳感器、暖通空調(diào)執(zhí)行器、標(biāo)牌、安全系統(tǒng)元件及A / V系統(tǒng)）。

這些設(shè)備的供電都需要通過(guò)交流配電系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和整流。

照明作為建筑物中最大的耗電部分，也漸漸的轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎霉虘B(tài)電源進(jìn)行供電，如通常采用12V或24V直流供電的發(fā)光二極管（LED）和有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）。這些燈具通常會(huì)比標(biāo)準(zhǔn)的吸頂燈體積更小、更輕，因此，在需要重新裝修時(shí)，比吸頂燈和傳感器/控制器等更易于安裝和改變。

多年來(lái)，工作場(chǎng)所在交付使用時(shí)其照明和各種電氣設(shè)備就已經(jīng)按特定方式進(jìn)行了安裝和布線，而并非按照用戶的需求布置。如今，商業(yè)建筑更青睞能適應(yīng)各自業(yè)務(wù)需求的靈活的設(shè)備布局，而不再是以往固定的辦公桌擺放位置的設(shè)計(jì)風(fēng)格。

所以現(xiàn)在的問(wèn)題是，為什么不在建筑物內(nèi)的交流配電系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立直流電源配電系統(tǒng)，從而避免所有的電源轉(zhuǎn)換，并滿足如今工作場(chǎng)所創(chuàng)新的需求呢？有了這種思路，一些企業(yè)，包括能源服務(wù)和建筑產(chǎn)品公司以及許多照明和照明控制供應(yīng)商（超過(guò)70家）于2008年創(chuàng)建了EMerge聯(lián)盟。由該聯(lián)盟開(kāi)發(fā)的首個(gè)開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)對(duì)將直流電源輸入到辦公區(qū)域?yàn)楦鞣N直流設(shè)備所利用的電源系統(tǒng)進(jìn)行了定義，而使電源置于設(shè)備的外部。

2009年10月發(fā)布的《室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)配電平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)》指出，直流電源是非常適于與吊頂平面集成的，這樣光源、傳感器、執(zhí)行器以及其他設(shè)備（包括裝在吊頂里或吊頂之下的）便能被隨意的排列和移動(dòng)，而不需要重新布線。其目的是使直流電源在所處的空間內(nèi)能安全、靈活且易于使用。

在屋頂與柵格吊頂?shù)拿芗臻g安裝一個(gè)被稱為電源服務(wù)器模塊的轉(zhuǎn)換盒，它能將輸入為208V或240V的交流電源轉(zhuǎn)為24V的直流電源。然后直流電源被配給轉(zhuǎn)換盒面板上的16個(gè)單獨(dú)的2孔插座或插孔。每個(gè)插孔的插頭線應(yīng)小于10m（30ft），以減少電阻的功率損耗。這種2級(jí)功率限制電路最大可以支持100VA。

直流電源也可通過(guò)一組母線來(lái)配出，母線呈倒T型布置，構(gòu)成一個(gè)帶電的網(wǎng)格。這種網(wǎng)格設(shè)計(jì)使固定設(shè)備和其他電氣設(shè)備可以增加、更改和改變位置，只要在吊頂?shù)纳戏胶拖路窖啬妇€結(jié)構(gòu)的兩側(cè)改變即可。安裝在屋頂與吊頂空間的所有布線線纜都必須是采用阻燃絕緣材料的。極化電纜組件外殼上有能松開(kāi)的鎖環(huán)，易于快速的安裝和改動(dòng)。

2類布線的導(dǎo)體也可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流量通信，工作方式類似以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)。PoE在結(jié)構(gòu)布線系統(tǒng)中所面臨的挑戰(zhàn)是如何達(dá)到UTP布線距離限制以外的設(shè)備的位置。根據(jù)TIA /EIA 568- A標(biāo)準(zhǔn)，5e電纜的最大傳輸距離為100m或328ft。如果在一幢建筑內(nèi)的多個(gè)位置都有直流電源，那么直流電的傳輸問(wèn)題就可以得到緩解。

EMerge系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中每個(gè)燈具內(nèi)置一個(gè)無(wú)線接收器。尋址裝置可以通過(guò)無(wú)線的無(wú)電池開(kāi)關(guān)或傳感器、或使用電池的無(wú)線系統(tǒng)進(jìn)行控制。

在標(biāo)準(zhǔn)出版的同時(shí)，加州大學(xué)戴維斯分校的加州照明技術(shù)中心于2010年11月對(duì)第一批注冊(cè)的產(chǎn)品進(jìn)行了評(píng)估，現(xiàn)在這些產(chǎn)品已經(jīng)符合規(guī)范可以使用了。

為了使直流電的傳輸范圍超過(guò)2009年標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，或不僅限于在一幢建筑物的一個(gè)房間內(nèi)傳輸，該集團(tuán)在15個(gè)測(cè)試點(diǎn)（辦公大樓和數(shù)據(jù)中心）使用的直流電源電壓高于第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。這使得EMerge聯(lián)盟和其行業(yè)合作伙伴正在討論的新概念運(yùn)應(yīng)運(yùn)而生。

諸如太陽(yáng)能光伏（PV）發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和燃料電池發(fā)電等都能產(chǎn)生直流電源。這些能源可以儲(chǔ)存在電池、飛輪和超電容器中，利用這種設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，一種有時(shí)可獨(dú)立于大多數(shù)電網(wǎng)運(yùn)行的直流電源微電網(wǎng)“孤島”可以提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。微電網(wǎng)是一個(gè)小型的電力“網(wǎng)絡(luò)”，可以包括一個(gè)辦公樓，一個(gè)小區(qū)，或?qū)W校校園。在緊急情況下（電壓過(guò)低或停電），它也可以依托其直流儲(chǔ)能能力獨(dú)立于公用電網(wǎng)運(yùn)行。在本地微電網(wǎng)中，固態(tài)開(kāi)關(guān)設(shè)備可以快速中斷故障，從而提高系統(tǒng)可靠性和電能質(zhì)量。

如果一個(gè)建筑內(nèi)不再使用多重轉(zhuǎn)換裝置，就可減少高達(dá)35%的能量損失。一個(gè)低熱消耗和不太復(fù)雜的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)也可能會(huì)潛在地使維護(hù)的要求更低、系統(tǒng)組件的壽命更長(zhǎng)及運(yùn)營(yíng)成本更低。

目前，直流電源的最佳應(yīng)用是在數(shù)據(jù)中心和電信設(shè)施中。美國(guó)環(huán)境保護(hù)局（環(huán)保局）在2007年關(guān)于“服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心的能源效率”的國(guó)會(huì)報(bào)告中指出，美國(guó)的數(shù)據(jù)中心通過(guò)使用更節(jié)能的設(shè)備和更好的運(yùn)行模式，每年可以節(jié)省高達(dá)40億美元的電力成本。

通常情況下，數(shù)據(jù)中心從電網(wǎng)中取得480V交流電，在將其轉(zhuǎn)換為直流電源后給不間斷電源（UPS）充電。然后直流電源再轉(zhuǎn)換回208V的交流電用于配電，只有在每個(gè)服務(wù)器電源的第一個(gè)階段才可以被調(diào)整回380V的直流電?？傊?，電源之間的轉(zhuǎn)換至少需要6次或更多。在每瓦用于數(shù)據(jù)處理的功率中，大約0.9W都用于轉(zhuǎn)換。此外，大約有0.6W!1.0W的功率是用于電能轉(zhuǎn)換裝置的散熱。

除了節(jié)能外，數(shù)據(jù)中心直流配電的其他潛在的好處也突顯出來(lái)，包括改善電能質(zhì)量、減少冷卻需求、高設(shè)備密度、減少與發(fā)熱有關(guān)的故障、提高了可靠性以及現(xiàn)場(chǎng)可再生能源發(fā)電源更有效地集成。除了降低壓降，其他的優(yōu)勢(shì)還包括無(wú)需平衡相位或使多種電源同步，減少了斷路器的數(shù)量從而簡(jiǎn)化了布線。

美國(guó)環(huán)保局的能源之星計(jì)劃和諸如迫使交流電源效率上升的舉措，會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸減弱直流電源的優(yōu)勢(shì)。然而，據(jù)業(yè)內(nèi)分析員預(yù)測(cè)，即使與優(yōu)質(zhì)高效的交流系統(tǒng)相比，一個(gè)數(shù)據(jù)中心的直流系統(tǒng)也只使用不到7%的電能。或許它最大的節(jié)能可能是對(duì)數(shù)據(jù)中心面積上的減少，一個(gè)直流數(shù)據(jù)中心比交流數(shù)據(jù)中心能減少25%!40%的空間，主要是因?yàn)橛?jì)算機(jī)設(shè)備可以直接與備用電池連接。

EMerge聯(lián)盟與其他行業(yè)協(xié)會(huì)和標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)合作，于2009年開(kāi)始制訂數(shù)據(jù)中心的直流電源標(biāo)準(zhǔn)。選擇380V直流作為配電電壓，是基于美國(guó)、歐洲和日本許多組織的工程數(shù)據(jù)協(xié)議。這從對(duì)一些技術(shù)問(wèn)題的共識(shí)上便可以看出，例如第一屆日本直流建筑電源（DCBPJ）年度會(huì)議最近在東京舉行，這其中包含了許多的“第一”，包括：對(duì)住宅、數(shù)據(jù)中心及微網(wǎng)直流電建筑的綜合評(píng)論；電力研究所與日本直流電源工業(yè)合作伙伴的聯(lián)合會(huì)議；正式批準(zhǔn)380V直流數(shù)據(jù)中心的臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)；以及第一個(gè)由高壓直流供電、并對(duì)公眾開(kāi)放的數(shù)據(jù)中心。松下和夏普等日本財(cái)團(tuán)正在對(duì)能將直流電源帶入商業(yè)建筑或住宅，利用太陽(yáng)能光伏板直接為電氣設(shè)備或電動(dòng)車供電的系統(tǒng)進(jìn)行大量投資。

在DCBPJ會(huì)議結(jié)束時(shí)，電力研究所的直流電源合作伙伴、電力行業(yè)專家團(tuán)及日本直流電源工業(yè)合作伙伴批準(zhǔn)了根據(jù)歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）的類似文件起草的臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，EMerge聯(lián)盟與ETSI完成了校準(zhǔn)的直流電源標(biāo)準(zhǔn)。在2010年的綠色建筑電源論壇（GBPF）上，該聯(lián)盟與電力研究所也做出了同樣的努力。