Research on the Architecture of Building Power Supply and Distribution System at the Demand Side Perspective

李戰(zhàn)贈(zèng) / 張永明

(1. 中國(guó)建筑設(shè)計(jì)院有限公司, 北京 100044； 2. 同濟(jì)大學(xué), 上海 200092)

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Research on the Architecture of Building Power Supply and Distribution System at the Demand Side Perspective

需求側(cè)視角下的建筑供配電系統(tǒng)架構(gòu)研究*

李戰(zhàn)贈(zèng)1/ 張永明2

(1. 中國(guó)建筑設(shè)計(jì)院有限公司, 北京 100044； 2. 同濟(jì)大學(xué), 上海 200092)

As the demand side DC load is increasing in building power distribution system, and wireless power transmission is developing trend, considering the characteristics of distributed generation and demand side thinking, a new building power distribution system architecture at the demand side perspective is put forward from the point of view of application driven. With this building power distribution system architecture, technical support can be provided for efficient use of renewable energy and more convenient access to power by users.

building power supply and distribution, demand side, DC distribution, micro grid, wireless power transmission

0 引言

如今，能源與環(huán)境已成為全球化問(wèn)題，基于因能源利用引起的氣候變化，可再生能源/清潔能源等分布式發(fā)電(Distributed Generation，DG)得到了長(zhǎng)足發(fā)展[1]。分布式發(fā)電與建筑結(jié)合，一方面具有先天優(yōu)勢(shì)，如光伏建筑一體化(Building Integrated Photovoltaic，BIPV)，便于能量的“就地收集、就地存儲(chǔ)、就地使用”[2]；另一方面，建筑內(nèi)直流負(fù)荷的比重越來(lái)越高[2]，如何構(gòu)建節(jié)能高效、安全可靠、使用便捷的建筑配電系統(tǒng)，成為該領(lǐng)域研究的重要熱點(diǎn)問(wèn)題，而分布式發(fā)電為建筑配電系統(tǒng)帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

自1880年起，特斯拉就與愛(ài)迪生就交流供電還是直流供電的問(wèn)題進(jìn)行過(guò)殊死論戰(zhàn)，100多年以后，這個(gè)問(wèn)題又重新得到了建筑供配電研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[3-7]。1997年，荷蘭能源研究中心(ECN)給出了一套“建筑直流配電技術(shù)”實(shí)施方案，隨后歐美和日本等地陸續(xù)進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證研究和示范工程。按日本有關(guān)機(jī)構(gòu)測(cè)算，若在住宅中全面實(shí)施直流供電，在電能轉(zhuǎn)換過(guò)程節(jié)省的能耗大約為現(xiàn)有住宅電力消耗量的10%～20%[8]。

此外，電能的普遍利用使人類(lèi)生產(chǎn)、生活發(fā)生了革命性的變化，但錯(cuò)綜復(fù)雜的配電線路分布也給人們的生活帶來(lái)了極大的不便，因此，人類(lèi)一直有擺脫電線束縛實(shí)現(xiàn)電能無(wú)線傳輸?shù)膲?mèng)想。早在1890年，尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)就開(kāi)始研究無(wú)線電能傳輸[9-12](Wireless Power Transmission, WPT)，直到MIT在2007年6月宣布，利用電磁共振成功地點(diǎn)亮了一個(gè)離電源約2 m遠(yuǎn)的60W電燈泡，傳輸效率達(dá)到40%左右，至此，無(wú)線電能傳輸?shù)男路较蛘介_(kāi)辟。

近年來(lái)，隨著消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備(智能手機(jī)、平板電腦等)對(duì)無(wú)線充電的實(shí)際需求(儲(chǔ)能不足、充電不便等)以及智能家居、智能家電、電動(dòng)車(chē)充電的發(fā)展，人們愈發(fā)希望去掉電氣設(shè)備的“最后”一根電纜，即使供電效率可能會(huì)因此降低也可以接受。

綜上所述，在這種需求電氣設(shè)備“無(wú)尾”的趨勢(shì)下，傳統(tǒng)的建筑交流配電系統(tǒng)需要重新審視，如何重構(gòu)現(xiàn)代智能建筑供配電系統(tǒng)架構(gòu)也更需要仔細(xì)考慮，以更好地適應(yīng)需求側(cè)和供應(yīng)側(cè)的發(fā)展變化。本文從需求側(cè)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)、技術(shù)發(fā)展角度出發(fā)，同時(shí)考慮供應(yīng)側(cè)的分布式發(fā)電特性，提出了一種包含直流配電/直流微網(wǎng)、無(wú)線電能傳輸?shù)慕ㄖ┡潆婓w系架構(gòu)，以期推動(dòng)建筑供配電技術(shù)的發(fā)展和完善。

1 供應(yīng)側(cè)分布式能源發(fā)電特性

常用的分布式發(fā)電主要有光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電、燃料電池等。其中，光伏發(fā)電和燃料電池發(fā)電直接以直流形式產(chǎn)生電能，均為直接直流電源，需要經(jīng)過(guò)DC/AC變換才能并入交流配電網(wǎng)；而風(fēng)力和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)出的電力是不固定頻率的交流電，無(wú)法直接并入工頻交流電網(wǎng)，因此需要經(jīng)過(guò)AC/DC和DC/AC兩次變換才能并入交流配電網(wǎng)，可被視為間接的直流電源。

因此，若配電網(wǎng)包含直流配電系統(tǒng)，不僅可以大量減少配電環(huán)節(jié)中DC/AC變換器的使用，降低構(gòu)建成本，還能降低電能變換的損耗?？梢?jiàn)，從供應(yīng)側(cè)來(lái)看[2]，需要發(fā)展直流配電/直流微電網(wǎng)以適應(yīng)分布式用能發(fā)展需求。

2 需求側(cè)直流負(fù)載的比重日益增加

近年來(lái)，電能終端用戶(hù)的用電形式發(fā)生了很大變化，研究結(jié)果表明，某些類(lèi)型建筑中直流負(fù)荷所占比重高達(dá)90%以上[4]，這些變化主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1)直接使用直流的電器/電子產(chǎn)品增多[2]。越來(lái)越多的電氣設(shè)備本質(zhì)上都是直流驅(qū)動(dòng)電器，其需要將現(xiàn)有建筑交流配電網(wǎng)中的交流電變換為直流電才能使用，如電動(dòng)車(chē)、LED照明、電腦等便攜式設(shè)備及手機(jī)等移動(dòng)通信設(shè)備等。

2)含直流環(huán)節(jié)的變頻電氣設(shè)備、家電增多[2]。近年來(lái)，大量“交-直-交”變頻技術(shù)被應(yīng)用，如電梯、空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等變頻電氣設(shè)備、家電的普及，特別是電動(dòng)車(chē)的家電屬性越來(lái)越突出，依托于建筑物建立直流充電樁必要且可行。

可見(jiàn)，從用戶(hù)終端直流負(fù)載的與日俱增的情況來(lái)看，迫切需要發(fā)展建筑直流配電/直流微電網(wǎng)。

3 需求側(cè)電能傳輸方式有線-無(wú)線的發(fā)展

3.1 無(wú)線電能傳輸方式

近年來(lái)，無(wú)線電能傳輸發(fā)展迅速，WPT 技術(shù)按傳輸機(jī)理的不同，主要有電磁感應(yīng)方式、電磁波輻射方式、電磁共振方式等[11]。

1)電磁感應(yīng)方式無(wú)線電能傳輸

傳統(tǒng)電網(wǎng)工頻交流電，在整流濾波獲得直流電之后，通過(guò)高頻逆變器進(jìn)行逆變，逆變所產(chǎn)生的高頻交變電流經(jīng)一次側(cè)原邊線圈，感應(yīng)到二次側(cè)副邊線圈，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，然后通過(guò)高頻整流等調(diào)節(jié)電路，即可向負(fù)載提供直流電，其原理如圖1所示[10]。

圖1 電磁感應(yīng)方式原理

2)電磁波輻射方式無(wú)線電能傳輸

該方式通過(guò)電波的形式在遠(yuǎn)場(chǎng)范圍內(nèi)采用定向天線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離供電，該方式的發(fā)射部分利用高頻逆變電路將直流電變換為電磁波，以微波的方式輻射出去，接收裝置將收到的微波能量通過(guò)整流濾波變換為直流電供負(fù)載使用，其原理如圖2所示[10]。

圖2 電磁波輻射方式原理

3)電磁共振方式無(wú)線電能傳輸

電磁共振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)主要由能量發(fā)射端和接收端組成。其中，能量發(fā)射端主要由源線圈和發(fā)射線圈組成，發(fā)射端將直流電逆變成高頻激勵(lì)源，使源線圈產(chǎn)生諧振，在源線圈周?chē)纬山蛔兇艌?chǎng)，發(fā)射線圈感應(yīng)源線圈的交變磁場(chǎng)形成共振，電能由源線圈輸送到發(fā)射線圈，再由發(fā)射線圈輸送出去；能量接收端包含接收線圈和負(fù)載線圈，接收線圈接收到發(fā)射線圈傳遞的能量后，再傳送給負(fù)載線圈，負(fù)載線圈接整流濾波等變換電路，變成直流電供負(fù)載使用，其原理如圖3所示[11]。

圖3 電磁共振方式原理

3.2 在智能建筑中應(yīng)用前景

通過(guò)對(duì)上述三類(lèi)主要無(wú)線電能傳輸技術(shù)的介紹，分析了以下3種適用于智能建筑中無(wú)線供電的技術(shù)路線/方案。

1)微波式無(wú)線電能傳輸技術(shù)，通常采用S、C波段，傳輸距離為幾百米到幾千米，適于高精度定向能量傳輸和傳輸距離遠(yuǎn)的應(yīng)用場(chǎng)合，如為低軌道和同步軌道衛(wèi)星、航空航天器供電等[11]。

2)基于電磁感應(yīng)原理的無(wú)線電能傳輸技術(shù)，其原理簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，技術(shù)相對(duì)比較成熟，工作頻率從幾百萬(wàn)赫茲至幾十萬(wàn)赫茲，傳輸距離從幾毫米到幾米，傳輸功率大，近距離傳輸效率高，可高達(dá)99%，但傳輸效率隨傳輸距離的增大迅速減小[10]。其應(yīng)用范圍較廣，大到電動(dòng)汽車(chē)，小到醫(yī)用的微型機(jī)器人[11]。

3)基于電磁共振原理的無(wú)線電能傳輸技術(shù)目前尚在實(shí)驗(yàn)階段，該技術(shù)工作頻率從幾兆赫茲至幾十兆赫茲，傳輸距離從幾厘米到幾米，效率高，中等距離傳輸，非輻射能量傳輸，電磁輻射小，諧振頻率外的電磁干擾小[10]。

可見(jiàn)，電磁共振方式比電磁感應(yīng)方式的可傳輸距離更遠(yuǎn)，所以如果能夠進(jìn)一步提高傳輸效率，日后在很多領(lǐng)域電磁共振式將很有可能取代電磁感應(yīng)式進(jìn)行無(wú)線能量傳輸?？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)無(wú)線供電技術(shù)將衍生出無(wú)線家電、無(wú)線電器、無(wú)線供電設(shè)備，特別是在手機(jī)、MP3等移動(dòng)通信領(lǐng)域，手提電腦、移動(dòng)電源等便攜式設(shè)備領(lǐng)域，在智能家電、智能家居、智能辦公等場(chǎng)合電磁共振式無(wú)線電能傳輸將具有廣闊的需求空間。

3.3 無(wú)線電能傳輸在建筑交流供配電中應(yīng)用架構(gòu)

需要指出的是，上述幾種電能無(wú)線傳輸方式均需要將工頻交流電變換為高頻交流電，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，均需要先將工頻交流電轉(zhuǎn)化成直流電，再逆變成所需的高頻交流電。

因此，在傳統(tǒng)的建筑交流供配電系統(tǒng)中，應(yīng)用無(wú)線電能傳輸技術(shù)，其系統(tǒng)架構(gòu)中不可避免地要增加整流環(huán)節(jié)(AC/DC)，無(wú)線電能傳輸在建筑交流供配電中應(yīng)用架構(gòu)如圖4所示。

圖4 無(wú)線電能傳輸在建筑交流供配電中應(yīng)用架構(gòu)

可見(jiàn)，從無(wú)線電能傳輸技術(shù)在建筑交流供配電中的應(yīng)用角度看，若建筑中擁有直流母線，則可以省去一層整流環(huán)節(jié)(AC/DC)，提高電能的利用效率。

4 基于需求側(cè)的建筑供配電體系架構(gòu)

通過(guò)對(duì)目前分布式發(fā)電(特別是建筑光伏)的特性及直流電器(特別是電動(dòng)車(chē)充電)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，基于發(fā)展日趨成熟的無(wú)線電能傳輸技術(shù)，在未來(lái)智能建筑中供配電系統(tǒng)將在以下方面發(fā)生重要變化。

1)源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)關(guān)系上：由于引入分布式發(fā)電，用戶(hù)配電端由單純的負(fù)載增加了電源，還可能增加蓄電/儲(chǔ)能裝置，用戶(hù)端更加復(fù)雜，可形成建筑微電網(wǎng)以及冷熱電聯(lián)供的能源微網(wǎng)。

2)供配電制式上：由傳統(tǒng)的單一交流系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣飨到y(tǒng)為主直流系統(tǒng)為輔的混合供電系統(tǒng)，某些應(yīng)用場(chǎng)合(如數(shù)據(jù)中心)可能會(huì)以直流系統(tǒng)為主或?yàn)榧冎绷飨到y(tǒng)。

3)電能傳輸方式上：由傳統(tǒng)單一的有線供配電方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂芯€供配電方式為主，終端無(wú)線傳輸方式增多，形成有線無(wú)線并存的方式，移動(dòng)式、便攜式設(shè)備將越來(lái)越多地采用無(wú)線方式。

因此，為適應(yīng)和滿(mǎn)足需求側(cè)用戶(hù)需求，考慮供應(yīng)側(cè)分布式發(fā)電的變化，本文提出了一種需求側(cè)視角下的建筑供配電的體系架構(gòu)，如圖5所示。

圖5 基于需求側(cè)的建筑供配電體系架構(gòu)

5 結(jié)論與展望

本文分析了建筑供配電系統(tǒng)需求側(cè)的兩大變化：直流負(fù)載日趨增多和無(wú)線供電需求趨勢(shì)明顯，并在兼顧供應(yīng)側(cè)分布式發(fā)電特性的基礎(chǔ)上，提出基于需求側(cè)的建筑供配電體系架構(gòu)是未來(lái)建筑供配電的發(fā)展趨勢(shì)。本文主要結(jié)論如下：

1)基于“需求側(cè)”、“以人為本”提出的建筑供配電體系架構(gòu)系交流-直流混合配電系統(tǒng)/混合微電網(wǎng)、有線-無(wú)線電能傳輸并存系統(tǒng)，系統(tǒng)的多元性、多樣性既保證了電能的高效利用，又可以較好地滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。

2)在本文提出的建筑供配電體系架構(gòu)中，直流母線/直流微網(wǎng)是系統(tǒng)的核心和紐帶，其向上連接建筑交流配電網(wǎng)和分布式發(fā)電，向下連接無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。

3)本文提出在直流母線/直流微網(wǎng)之上構(gòu)建無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，在建筑交流配電網(wǎng)上對(duì)比表明直接構(gòu)建無(wú)線電能傳輸優(yōu)勢(shì)明顯。

此外，在建筑中推廣應(yīng)用無(wú)線電能傳輸上，需要注意設(shè)備的電磁兼容問(wèn)題以及建筑電磁環(huán)境安全問(wèn)題。

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張永明

博士，同濟(jì)大學(xué)副教授，研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)與電氣節(jié)能技術(shù)。

江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2014830)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助(1850219022,1850219026)。

Li Zhanzeng / Zhang Yongming

隨著建筑供配電系統(tǒng)需求側(cè)直流負(fù)載日趨增多及無(wú)線供電需求趨勢(shì)的日趨明顯，在兼顧供應(yīng)測(cè)分布式發(fā)電特性和基于需求側(cè)思維的基礎(chǔ)上，從應(yīng)用驅(qū)動(dòng)角度出發(fā)，提出了一種需求側(cè)視角下的建筑供配電體系架構(gòu)，為可再生能源分布式發(fā)電在建筑中高效利用及用戶(hù)更方便地實(shí)時(shí)獲取電能提供了技術(shù)支撐。

建筑供配電 需求側(cè) 直流配電 微電網(wǎng) 無(wú)線電能傳輸