直流微電網(wǎng)在民用建筑的應用

劉自春

（中規(guī)院（北京）規(guī)劃設計公司 北京市 100044）

在19世紀末的“交直流大戰(zhàn)”中，由于直流電在輸送容量和輸送距離等方面的劣勢，以交流電的勝利而告終。當前，并網(wǎng)發(fā)電的微電網(wǎng)也是以交流微電網(wǎng)為主，隨著分布式能源的發(fā)展，以及電腦、手機、LED 照明等直流民用負荷的逐年增加，交流微電網(wǎng)的供電投資成本大幅增加，分布式能源接入時帶來的諧振和諧波等影響還沒有完全解決，系統(tǒng)的可靠性問題日漸凸顯。采用直流方式組織電源、儲能、負載及監(jiān)控裝置構成的直流微電網(wǎng)逐漸成為民用供配電領域的一種重要模式。本文簡要介紹直流微電網(wǎng)的應用過程，通過分析民用建筑的負荷特征，制定相應的直流微電網(wǎng)的配置方案。

1 直流配電的應用情況

直流配電在工業(yè)領域早已應用非常廣泛，冶金、化工、紡織和半導體等工業(yè)生產(chǎn)線，因為大量使用變頻電機，通常采用公共整流單元加公共直流母線系統(tǒng)為多個逆變器進行供電和控制，由于工況不同，生產(chǎn)線的變頻電機會分別工作在電動和發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電狀態(tài)的電機可以將能量回饋到公共直流母線系統(tǒng)，節(jié)能效果顯著。以某冶金軋鋼生產(chǎn)線為例，該套公共直流母線系統(tǒng)包括整流器、逆變器、制動單元、輸入輸出電抗器和自耦變壓器等主要元件，整套系統(tǒng)能夠精確調速的同時，將再生能量有效回收利用，運行穩(wěn)定。

冶金生產(chǎn)線660V 公共直流母線系統(tǒng)如圖1所示。

直流配電在民用建筑也有著廣泛的應用，比如變電站的直流屏系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的48V 直流系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心336V 直流系統(tǒng)、智能直流照明調光系統(tǒng)、消防應急照明系統(tǒng)以及結合分布式電源及用戶儲能的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)等。

2 民用建筑的負荷分析

雖然直流配電在各個領域都已得到應用，但是在民用建筑領域還遠未得到普及。民用建筑按使用功能可分為居住建筑和公共建筑兩大類，依據(jù)《工業(yè)與民用配電設計手冊》第四版的表1.4-3 可知，民用建筑主要用電設備包括：照明、空調、風機、水泵、電梯等，同時居住建筑和公共建筑由于使用功能不同還會分別設置家用電器和辦公電器等。

圖1：冶金生產(chǎn)線660V 公共直流母線系統(tǒng)

表1：民用建筑負荷供電電壓統(tǒng)計表

圖2：直流微電網(wǎng)典型雙層母線結構

圖3：直流微電網(wǎng)接地方式

由表1可見，隨著LED 照明和變頻技術的發(fā)展，民用建筑負荷中直接或間接采用直流供電的負荷比重越來越大。許多用電設備為了適應交流電，只能在電源部分增加整流、濾波等電路，不僅成本增加，而且效率也被降低。

3 直流微電網(wǎng)的母線結構

直流微電網(wǎng)的電壓等級目前還沒有統(tǒng)一，目前常用的電壓選擇有：低壓：1.5kV、0.75kV、0.4kV、0.22kV 等。特低電壓：96V、72V、60V、48V、36V、24V、12V 等。

根據(jù)電壓等級，通常直流微電網(wǎng)母線構成形式可以分為單母線結構、雙層式母線結構、雙母線結構和冗余式母線結構。其中雙層式母線結構是指直流微電網(wǎng)中含有兩個直流母線電壓等級，用變換器將高壓直流母線電壓轉換為較低電壓，具有安全性高、體積小、電壓等級多等優(yōu)點。

以圖2為例，雙層式母線結構形式的第一層母線電壓較高（如DC400V 或DC380V 等），第二層母線電壓較低（如DC48V 或DC24V 等），滿足實際工程中直流負荷多種電壓等級的需求，同時滿足小部分交流負荷配電的需求，是目前在民用建筑領域應用最多的結構形式。

4 直流微電網(wǎng)的控制方式

直流微電網(wǎng)的控制方式主要是通過設備級控制和系統(tǒng)級控制來實現(xiàn)基于無互聯(lián)通信和有互聯(lián)通信的運行控制技術，其中設備級控制主要控制目標是維持直流母線電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡，保證直流穩(wěn)定運行。系統(tǒng)級控制主要目的是對系統(tǒng)進行集中管理和能量優(yōu)化，提升整體運行效率和可靠性，實現(xiàn)最優(yōu)運行。

基于無互聯(lián)通信的直流微電網(wǎng)運行控制是通過檢測直流微電網(wǎng)母線電壓的變化量，來決定各自運行和控制模式，并保證任一時刻中均至少有一個變流器控制直流母線電壓以保證微電網(wǎng)內(nèi)的功率平衡。

基于互聯(lián)通信的直流微電網(wǎng)分層運行控制技術一般分為三個層級，第一層級屬于設備級控制，第二、三層級屬于系統(tǒng)級控制。第一層控制包括：直流母線電壓、交直流互聯(lián)功率、交直流負荷電壓等控制；第二層控制包括：功率/能量分配、直流母線電壓二次調節(jié)、多運行模式切換等控制；第三層控制為微電網(wǎng)能量運行管理與最優(yōu)運行控制。

5 直流微電網(wǎng)的保護技術

直流微電網(wǎng)的保護技術與接地方式密切相關，其接地方式對接地故障檢測、故障電流大小、人身與設備安全等有很大影響，同時也會影響保護方案配置。

根據(jù)IEC60364-1 對直流系統(tǒng)接地的定義，可分為TT、IT 和TN 3 種類型。如圖3所示。與交流電網(wǎng)類似，TN 系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，會有較大的故障電流和電壓暫變現(xiàn)象，容易被檢測到并快速清除，同時由于目前民用設備接地保護線與交流零線存在電位差限制，所以TN 接地方式應用較為普遍。

熔斷器和斷路器是直流微電網(wǎng)中常見的保護設備，由于直流母線電容的存在，通常需要限流裝置與斷路器配合使用。對于直流微電網(wǎng)來說，快速進行故障定位并利用保護設備快速開斷直流故障電流和隔離故障功能的設備對整個微電網(wǎng)的安全可靠運行是非常重要的。目前快速準確的進行故障定位依然是直流微電網(wǎng)保護技術研究的難點之一，所以配置直流微電網(wǎng)系統(tǒng)時，應盡量減少線路分段、簡化網(wǎng)絡拓撲，以降低對保護配合的要求，從而保證系統(tǒng)的選擇性和可靠性。

6 結束語

目前交流系統(tǒng)仍是我國的主流供配電形式，交直流混合微電網(wǎng)將是微電網(wǎng)發(fā)展的主流，也將是適應數(shù)字社會和智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。在民用建筑領域，由于負荷端設備標準化、故障定位與保護等問題的存在，直流微電網(wǎng)還不具備大規(guī)模應用的條件，在未來很長一段時間內(nèi)，依據(jù)負荷特點與交流電網(wǎng)混合使用，將是直流微電網(wǎng)的主要應用方式。