直流樓宇技術(shù)初議

謝少軍 肖華鋒 羅運(yùn)虎

（南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院 南京 210016）

1 引言

據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署（United States Environmental Protection Agency, US EPA）統(tǒng)計，美國樓宇用能占總能源的39%，電力消耗占總消耗的68%，二氧化碳排放量占總排放量的 38%[1]。我國樓宇的電力消耗和碳排放同樣占有相當(dāng)?shù)谋壤?。因此，樓宇是?jié)能減排的重要對象。

現(xiàn)代樓宇用電設(shè)備逐步趨向使用直流電或含直流環(huán)節(jié)的電能變換器。如IT設(shè)備、娛樂視聽設(shè)備、LED照明和個人電子設(shè)備等均直接使用直流電工作；而空調(diào)、洗衣機(jī)、打印機(jī)等旋轉(zhuǎn)類設(shè)備使用含直流環(huán)節(jié)的變頻器驅(qū)動已成為一種發(fā)展趨勢。

隨著常規(guī)能源的緊缺，樓宇供電源逐步朝多種類、可持續(xù)的方向發(fā)展，如光伏建筑一體化（Building Integrated PV, BIPV）、建筑用風(fēng)力渦輪發(fā)電、家用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)等分布式發(fā)電源均取得了長足發(fā)展，這些電源產(chǎn)生的電能均為直流電或可經(jīng)過簡單整流后變?yōu)橹绷麟姟?/p>

從樓宇用電負(fù)荷和供電源的發(fā)展趨勢可以看出它們表現(xiàn)出的直流特性日趨明顯。這就迫使人們需要重新衡量樓宇供電方式和它的發(fā)展方向。

近年來，采用直流總線的直流微網(wǎng)開始得到關(guān)注[2-6]，特別是由于低成本和可靠的直流電能分配器件的發(fā)展[7]，直流微網(wǎng)技術(shù)呈現(xiàn)迅速發(fā)展的態(tài)勢。本文對直流微網(wǎng)的研究情況進(jìn)行介紹，主要介紹其特點(diǎn)、起源、研究現(xiàn)狀等方面，著重介紹直流樓宇（DC-Building, DB）的定義、研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)。

2 直流供電

目前的電力供應(yīng)均為交流電，圖1所示為目前廣泛應(yīng)用的基于交流總線結(jié)構(gòu)的電力供應(yīng)系統(tǒng)。

圖1 基于交流總線的電力供應(yīng)系統(tǒng)Fig.1 Power supply system based on AC bus

采用交流供電總線時，來自太陽能等新能源產(chǎn)生的電力，要進(jìn)行直流到交流的轉(zhuǎn)換，中間存在電力損失，用戶使用時電能又需要從交流到直流轉(zhuǎn)換，電能的利用效率受到影響。如圖1所示的系統(tǒng)并沒有很好地實(shí)現(xiàn)可再生能源和電能的高效利用。

低碳經(jīng)濟(jì)和人類可持續(xù)發(fā)展要求探索更高效能的新能源和電能高效利用技術(shù)?；谥绷骺偩€的分布式電力供應(yīng)系統(tǒng)成為一種努力和嘗試。直流總線分布式供電系統(tǒng)（直流微網(wǎng)）如圖2所示，采用直流而不是交流作為供電總線，可將太陽能電池、燃料電池等產(chǎn)生的電能直接輸入直流母線供給直流設(shè)備，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生的電能也可簡單整流后接入直流總線，因此直流系統(tǒng)中的新能源發(fā)電設(shè)備的入網(wǎng)接口簡單、電能轉(zhuǎn)換損失小、能源利用率高。

圖2 基于直流總線的電力供應(yīng)系統(tǒng)Fig.2 Power supply system based on DC bus

以數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)為例，由California Energy Commission （CEC）-Public Interest Energy Research（PIER）和California Institute for Energy Efficiency（CIEE）聯(lián)合發(fā)布的數(shù)據(jù)說明，在當(dāng)前廣泛采用的以交流配電的供電系統(tǒng)中，電網(wǎng)提供的交流電經(jīng)過一次交流到直流的轉(zhuǎn)換，變成直流電供給蓄電裝置后，還要經(jīng)過直流/交流轉(zhuǎn)換成交流電分配給服務(wù)器等設(shè)備，然后在設(shè)備內(nèi)部再次經(jīng)過交流/直流轉(zhuǎn)換，變成直流電之后使用。這樣，電網(wǎng)提供的電力要反復(fù)進(jìn)行3次交流/直流的轉(zhuǎn)換，即使各環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%，經(jīng)過3次轉(zhuǎn)換也會造成約27%的電力損失。如果將交流配電架構(gòu)改變?yōu)橹绷髋潆娂軜?gòu)，利用轉(zhuǎn)換效率超過 90%的交流/直流轉(zhuǎn)換器在電網(wǎng)電力的供電口進(jìn)行一次性轉(zhuǎn)換，然后供蓄電池和設(shè)備使用，數(shù)據(jù)中心的電力消耗就可削減 10%～20%左右，同時被削減的還有這些損耗的電力所產(chǎn)生的熱和為其付出的制冷能耗。

回顧飛機(jī)供電系統(tǒng)的發(fā)展歷程:初期28V低壓直流電，到獲得普及的 115V/400Hz恒頻交流電，再到 270V高壓直流和變頻交流電等新供電體制在先進(jìn)飛機(jī)中應(yīng)用。可以看出，直流和交流供電將互為補(bǔ)充，而并非互為排斥。隨著大量用電終端設(shè)備采用直流電，可以預(yù)測直流供電將逐漸在用電終端的局部區(qū)域獲得應(yīng)用，具有很好的前景。

3 直流微網(wǎng)的研究現(xiàn)狀

2008年美國 ABB公司提出和推廣了基于直流總線的微電網(wǎng)架構(gòu)[2]，圖 3為其示意圖。其實(shí)在此之前，日本學(xué)者已經(jīng)提出了直流微網(wǎng)（DC Microgrid）的構(gòu)想[3-4]。相比交流總線的微電網(wǎng)，直流微網(wǎng)可以為用戶提供高可靠性和高質(zhì)量的電力供應(yīng)[5-6]。關(guān)于直流微網(wǎng)技術(shù)的研究，目前國外各研究機(jī)構(gòu)均處于起步階段。

圖3 直流微電網(wǎng)架構(gòu)Fig.3 DC Micro-grid proposed by ABB

美國弗吉尼亞理工大學(xué)CPES（Center for Power Electronics Systems）中心2007年提出了“Sustainable Building Initiative（SBI）”研究計劃[8]，為未來家庭和其他樓宇提供電力。CPES的SBI系統(tǒng)構(gòu)架如圖4所示，實(shí)驗(yàn)平臺計劃包括一臺 3.5kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)、一個 5kW光伏陣列、鋰電池儲能單元和混合動力汽車充電接口等；系統(tǒng)包含兩種電壓等級直流母線:DC300V和 DC48V；最后整個直流供電系統(tǒng)通過一臺雙向 DC-AC變換器接入大電網(wǎng)。隨著研究的深入，CPES于2010年將SBI發(fā)展為SBN（Sustainable building and nanogrids），并將直流母線電壓由DC300V提升至DC380V。

圖4 CPES發(fā)展的可持續(xù)直流供電系統(tǒng)Fig.4 SBI project proposed by CPES

由Alex Q.Huang教授領(lǐng)銜的以北卡羅來納州立大學(xué)（NC State University）等5所核心大學(xué)和31家工業(yè)合作伙伴組成的FREEDM（Future Renewable Electric Energy Delivery and Management）系統(tǒng)中心，獲得了美國NSF的資助，著力發(fā)展“電力互聯(lián)網(wǎng)”，采用固態(tài)變壓器取代常規(guī)的工頻變壓器等。在FREEDM系統(tǒng)中將未來家庭作為一個能量單元，采用DC400V BUS供電[9]。

韓國政府專門成立了智能微電網(wǎng)研究中心（Research Center for Intelligent Micro-Grid），投資約272萬美元計劃于2011年3月前建立起直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)，研究的重點(diǎn)集中在直流電分配、功率變換器和控制及通信系統(tǒng)三方面，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。項(xiàng)目由韓國明知大學(xué)（Myongji University）Byung Moon Han教授負(fù)責(zé)實(shí)施[10]。

圖5 韓國智能微電網(wǎng)研究中心計劃發(fā)展的直流微電網(wǎng)架構(gòu)Fig.5 DC microgrid developed by Korea research center for intelligent micro-grid

電力以直流形式提供給用戶和負(fù)載使用的演示系統(tǒng)和技術(shù)開發(fā)在日本受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱捧[3-4,13-14]，發(fā)展最為迅速，特別是在家庭供電和數(shù)據(jù)中心供電等場合。日本的東北大學(xué)研究生院環(huán)境科學(xué)研究系于2008年12月17日宣布，與NEC東金、住友商事和積水建房共同實(shí)施了將太陽能電池產(chǎn)生的直流電直接儲存于鋰離子電池，并以直流形式直接供給家用電器的試驗(yàn)。據(jù)東北大學(xué)研究生院環(huán)境科學(xué)研究系推測，如果使用1kW左右的太陽能電池板，并使家電支持直流供電，可使用4個小時，來自家庭的CO2排放量大約能夠減少40%。為了普及直流供電的應(yīng)用，NTT FACILITIES和富士通元件（Fujitsu Component）宣布，開發(fā)出了可支持400V左右高壓直流供電系統(tǒng)的電源分配器和電源插頭，解決了直流供電實(shí)用化所面臨的技術(shù)問題——直流電源電路斷路和閉合時的電弧以及危及人體安全的問題。此次開發(fā)的產(chǎn)品在插座中內(nèi)置了機(jī)械式觸點(diǎn)，由于沒有使用半導(dǎo)體及復(fù)雜的機(jī)械裝置，因此插座內(nèi)部的耗電量基本為零。另外，使用的部件數(shù)量也很少，因此價格低廉并具有較高的可靠性。

日本大阪大學(xué)（Osaka University）Toshifumi Ise教授課題組研究的直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖6所示[11-12]，PCC端的230V交流電由降壓變壓器從6.6kV配電網(wǎng)直接獲得，然后通過雙向整流器變換為±170V直流電壓。一個燃?xì)廨啓C(jī)通過背靠背變換器直接連接到 230V交流電，蓄電池和超級電容等儲能設(shè)備通過雙向斬波器連接到直流母線，光伏電池同樣通過DC-DC變換器直接連到直流母線?；谥绷髂妇€，可以通過電力電子變換器得到多種電力供應(yīng)，如單向AC100V、三相AC200V和DC100V等。

圖6 大阪大學(xué)發(fā)展的直流供電結(jié)構(gòu)Fig.6 DC micro-grid proposed by Osaka university

此外，在新加坡、中國臺灣等國家和地區(qū)均有關(guān)于直流微網(wǎng)的研究。

美國和日本目前在直流微網(wǎng)的研究方面處在領(lǐng)先的地位。2009年12月7～8日在日本東京召開了第一屆GBPF（Green Building Power Forum）會議，會議中提出了以DC380V作為數(shù)據(jù)中心直流供電標(biāo)準(zhǔn)，討論了電源和用電設(shè)備的規(guī)格、電源品質(zhì)測量和供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等問題，舉行了“EPRI DC Power Partners”和“Japan DC Power Industrial Partners”聯(lián)合會議。2010年1月25～27日在美國加尼弗尼亞召開了第二屆GBPF會議，除討論直流供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)和加速推進(jìn)直流供電應(yīng)用外，廣泛涉及到樓宇供電的各方面技術(shù)，包括可再生能源發(fā)電、高效照明、無線樓宇自動化、樓宇能源需求側(cè)管理等問題。2010年4月Darnell Group發(fā)布了第一版的“樓宇直流供電:經(jīng)濟(jì)因素、應(yīng)用驅(qū)動、架構(gòu)/技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)劃制訂”研究報告[15]。2011年元月24～26日在美國硅谷召開第三屆GBPF會議，會議的主題圍繞“直流供電的挑戰(zhàn)、成就和機(jī)遇”和“創(chuàng)造柔性、動態(tài)的電力架構(gòu)”等方面進(jìn)行。

4 直流樓宇

相對交流供電而言，直流供電有很多好處，如:對線路的絕緣性能要求比同等級交流低、同等有效電流下線路損耗小、用于照明時不會出現(xiàn)頻閃的現(xiàn)象、容易實(shí)現(xiàn)不間斷供電、可簡化電源和現(xiàn)代化用電設(shè)備的設(shè)計而降低其成本等。但采用直流供電也存在需附加電能供應(yīng)設(shè)備、用電設(shè)備需適應(yīng)性改造、直流配電器件成本高且可靠性還較低等問題。目前較大規(guī)模應(yīng)用直流供電系統(tǒng)還存在技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性難題，但在數(shù)據(jù)中心、教學(xué)科研中心、高端物業(yè)等場合構(gòu)建直流微網(wǎng)有很好的綜合特性，符合低碳發(fā)展方向。

針對樓宇的供電問題，本文特別給出“直流樓宇”的定義如下:直流樓宇（DB）是一種由負(fù)荷和微電源（即樓宇中的分布式電源，如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池和微型渦輪機(jī)等）共同組成的直流供電體系，它可同時為樓宇提供電能、熱能和冷能，樓宇內(nèi)部的電源主要由電力電子設(shè)備負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換，并提供必須的控制。圖7為直流樓宇接入常規(guī)輸配網(wǎng)中，一般來講，DB位于低壓配網(wǎng)的末端，緊靠用電負(fù)荷。

圖7 直流樓宇接入電網(wǎng)Fig.7 Grid-connection for DC-buildings

直流樓宇技術(shù)包括直流分配系統(tǒng)、分布式發(fā)電源、高效照明系統(tǒng)、樓宇自動化、需求側(cè)管理、系統(tǒng)能量管理等。

5 直流樓宇的關(guān)鍵技術(shù)

直流樓宇的推廣應(yīng)用還需要基于一系列基礎(chǔ)問題的研究。直流樓宇的關(guān)鍵性基礎(chǔ)技術(shù)主要包括以下幾個方面:

5.1 直流樓宇的能源供應(yīng)和使用架構(gòu)、體系及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

隨著分布式發(fā)電源技術(shù)的逐步成熟，直流樓宇的供電源種類非常豐富，既可以包括可再生能源，如光伏、風(fēng)力發(fā)電；還可包括不可再生能源，如燃料電池、燃?xì)鉁u輪機(jī)；以及主要基于化石燃料的大電網(wǎng)和各類儲能裝置。它們的不同組合方式可以滿足樓宇的不同需求。直流供電架構(gòu)和電壓等級涉及到安全、經(jīng)濟(jì)性和供電質(zhì)量等方面[11-12]，對直流樓宇標(biāo)準(zhǔn)形成有重要意義[15]。

5.2 直流樓宇的可再生能源、不可再生能源、儲能設(shè)備和交流電網(wǎng)接口等容量的優(yōu)化配置

直流樓宇實(shí)施面臨的首要問題是如何為目標(biāo)樓宇設(shè)計優(yōu)化的安全供電容量和應(yīng)對事故的備用容量[16]，包括可再生能源、不可再生能源、儲能設(shè)備和交流電接口單元。它對直流樓宇的經(jīng)濟(jì)可行性評估有重要作用。

可再生發(fā)電源的配置不同于常規(guī)的發(fā)電單元，其規(guī)劃問題面臨很多不確定因素的影響，如可再生發(fā)電源的出力不確定性。另外，除了考慮經(jīng)濟(jì)收益外還要計及環(huán)境收益，增加了優(yōu)化工作的復(fù)雜性。因此，原有的電網(wǎng)規(guī)劃方法不再適應(yīng)新環(huán)境下的系統(tǒng)規(guī)劃要求，必須對原有規(guī)劃思路和方法進(jìn)行擴(kuò)展和創(chuàng)新，為直流樓宇的系統(tǒng)規(guī)劃工作建立理論基礎(chǔ)。

5.3 直流樓宇的多源協(xié)調(diào)控制和需求側(cè)管理

直流樓宇中供電源種類繁多、可控程度不同，同時供電系統(tǒng)存在與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行、孤島運(yùn)行、并網(wǎng)孤島過渡過程和直流樓宇黑啟動過程等多種運(yùn)行狀態(tài)，從而要求實(shí)現(xiàn)直流樓宇內(nèi)各供電源協(xié)調(diào)控制?，F(xiàn)有的交流微網(wǎng)運(yùn)行控制模式有主從控制模式、對等控制模式（如Droop控制）和分層控制模式（如Agent技術(shù)）等[17-19]，直流微網(wǎng)也應(yīng)結(jié)合自身特點(diǎn)尋求適合的運(yùn)行控制技術(shù)才能應(yīng)付上述復(fù)雜的運(yùn)行狀態(tài)[20-21]。

直流樓宇中的供電源和負(fù)載均通過電力電子設(shè)備連至直流母線，分布式能量源可以實(shí)現(xiàn)電、熱、冷聯(lián)產(chǎn)，這些技術(shù)優(yōu)勢為直流樓宇的需求側(cè)管理提供了有利條件。

5.4 直流樓宇的穩(wěn)定性、保護(hù)理論、配電與保護(hù)器件基礎(chǔ)和技術(shù)

直流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析相比交流系統(tǒng)復(fù)雜性大幅降低，使得關(guān)注焦點(diǎn)集中在直流母線電壓的穩(wěn)定，需要深入研究儲能設(shè)備對直流樓宇穩(wěn)定運(yùn)行的作用機(jī)理。

直流樓宇中潮流雙向流通，且隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和分布式發(fā)電源數(shù)量的不同，短路電流計算困難，常規(guī)的保護(hù)算法失效[22]。需研究新型的保護(hù)理論，以保證直流樓宇正常并網(wǎng)運(yùn)行時，內(nèi)部電氣設(shè)備發(fā)生故障和故障切除后直流樓宇系統(tǒng)繼續(xù)安全穩(wěn)定地并網(wǎng)運(yùn)行；在直流樓宇外部的配電系統(tǒng)部分發(fā)生故障時，應(yīng)在可靠定位與切除故障的前提下確保直流樓宇與主網(wǎng)解列后繼續(xù)可靠運(yùn)行，并且解列后的直流樓宇再次故障時仍能夠可靠切除故障設(shè)備。

另外，針對直流樓宇有一個特殊的研究內(nèi)容是高壓大容量直流配電技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)出低成本、低功耗、高可靠性的直流配電和用電接口是推動直流樓宇內(nèi)直流設(shè)備普及應(yīng)用的基礎(chǔ)性工作[23]。

5.5 高滲透率下直流樓宇與交流電網(wǎng)、電動汽車的相互作用

當(dāng)大量的直流樓宇接入大電網(wǎng)后，直流樓宇與大電網(wǎng)作用將十分復(fù)雜，需研究高滲透率下直流樓宇對大電網(wǎng)的運(yùn)行特性的影響，如對大電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。

同樣地，電動汽車接入直流樓宇，與直流樓宇之間可以存在雙向能量交換，電動汽車與直流樓宇相互作用對直流樓宇的容量優(yōu)化、能源管理和系統(tǒng)穩(wěn)定性有重要影響。

高滲透率下直流樓宇與交流電網(wǎng)、電動汽車的相互作用機(jī)理研究就是要揭示它們相互作用的本質(zhì)，發(fā)展相關(guān)的理論和方法，為低壓交流配電網(wǎng)和直流樓宇配電網(wǎng)的穩(wěn)定分析與控制奠定理論基礎(chǔ)。

5.6 直流微網(wǎng)中的高效高可靠電力變換器技術(shù)

直流樓宇中基于電力電子技術(shù)的源和負(fù)載變換器的輸入輸出特性不同于交流供電架構(gòu)，變換器的拓?fù)?、控制和遙控技術(shù)為電力電子技術(shù)的應(yīng)用開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域[24]。

樓宇的照明電力消耗比重大，LED照明有望取代普通照明器件，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、壽命長和體積小。開展基于直流供電的LED光源成組、封裝和驅(qū)動技術(shù)研究有很好的市場前景。

5.7 直流樓宇設(shè)備柔性互聯(lián)、能源自優(yōu)化、健康監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

正如在常規(guī)的電力系統(tǒng)中可以通過對發(fā)電機(jī)的節(jié)能調(diào)度實(shí)現(xiàn)節(jié)能降損一樣，通過樓宇設(shè)備柔性互聯(lián)和能源自優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)直流樓宇高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。同常規(guī)的電力系統(tǒng)相比，直流樓宇中的因素更多，如樓宇電熱冷需求情況、氣候狀況、電價、燃料消耗、電壓質(zhì)量、零售服務(wù)需求、需求側(cè)管理要求和擁塞水平等，可以在滿足系統(tǒng)運(yùn)行約束的條件下，實(shí)現(xiàn)直流樓宇的優(yōu)化運(yùn)行與能量的合理分配，最大限度地利用可再生能源，保證整個直流樓宇運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。研究直流樓宇的優(yōu)化控制與調(diào)度理論和方法，正是這一研究領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問題。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的直流樓宇網(wǎng)絡(luò)為智能樓宇實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)直流樓宇設(shè)備、電能質(zhì)量、環(huán)境的健康監(jiān)測。

6 結(jié)論

（1）直流微網(wǎng)是一種新興的供電結(jié)構(gòu)，符合低碳發(fā)展方向，近年來發(fā)展很快，美、日、歐等發(fā)達(dá)國家正大力推進(jìn)“直流樓宇”的研究和應(yīng)用工作。

（2）直流樓宇適合新一代驅(qū)動設(shè)備、辦公設(shè)備和數(shù)字家電的供電，更利于光伏發(fā)電、燃料電池和風(fēng)力發(fā)電等分布式能源的接入，在用電終端的局部區(qū)域?qū)@得應(yīng)用。

（3）直流樓宇的關(guān)鍵技術(shù)包括供電架構(gòu)、系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行控制、能量管理、保護(hù)策略、儲能技術(shù)、照明系統(tǒng)、高效電力變換器和樓宇自動化等，為電力電子技術(shù)開拓了新的應(yīng)用場合。

（4）我國應(yīng)重視和加快直流樓宇技術(shù)研究，期望有更多的機(jī)構(gòu)、企業(yè)參與直流樓宇這一新興的綠色電力技術(shù)的研究與發(fā)展。

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