基于直流微電網(wǎng)的建筑供用電系統(tǒng)設計與監(jiān)控

韓 瀛, 烏聰敏

(天津大學建筑設計規(guī)劃研究總院有限公司, 天津 300010)

0 引 言

近年來,在工商業(yè)及民用建筑領(lǐng)域,以光伏為代表的直流電源和以電動汽車為代表的直流負荷應用越來越普遍。為有效提高整體能源利用效率,直流供用電系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注[1]。相比傳統(tǒng)交流供用電系統(tǒng),建筑直流系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢:消除諧波、三相不平衡等電能質(zhì)量問題;利用電力電子裝置的高可控性,可實現(xiàn)需求響應等靈活控制;減少交直流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),降低轉(zhuǎn)換損耗,提高光風等可再生能源以及儲能系統(tǒng)的接入效率[2-4]。

包含光伏、儲能等分布式能源的建筑直流配電系統(tǒng)在一定規(guī)模上即為直流微電網(wǎng),具有可再生能源高比例消納、并離網(wǎng)靈活切換等優(yōu)勢。美國、日本、印度等國先后開展實驗性直流供電建筑的探索。2007年初,日本政府便通過NEDO啟動了住宅直流供電技術(shù)的研究和開發(fā)項目。2010年松下住宅公司在日本滋賀縣東近江市建造了零能耗試驗住宅投入使用[5],全面測試了住宅直流供電技術(shù)。在歐洲,飛利浦、西門子等公司聯(lián)合提出基于先進半導體技術(shù)的建筑直流供電方案[6]。美國勞倫斯伯克利國家實驗室開展數(shù)據(jù)中心直流配電實證研究,驗證了直流系統(tǒng)在可靠性、經(jīng)濟性方面的優(yōu)勢[7]。

清華大學王福林等[8]論證了建筑全直流供電和分布式蓄能的可行性及推廣效益。施婕等[9]構(gòu)建了一個應用于現(xiàn)代建筑的直流微電網(wǎng)系統(tǒng),并提出電源、負荷變化情況下的直流微電網(wǎng)控制策略。文獻[10]量化分析了直流建筑經(jīng)濟性,并提出電壓等級配置方案。文獻[11]介紹了辦公樓宇低壓直流系統(tǒng)的建設及運行模式。但是,國內(nèi)外直流建筑以仿真分析研究為主,工程示范負荷、電源類型少、拓撲簡單,難以滿足結(jié)構(gòu)日益復雜的建筑直流供用電系統(tǒng)設計需求,亟待研究制定一套適應多種類型直流設備高效接入、協(xié)同運行的建筑直流供用電典型方案。

本文提出了建筑供電系統(tǒng)總體架構(gòu)及系統(tǒng)的基本組成,給出包含分布式光伏、儲能、不同電壓等級直流用電設備的直流樓宇系統(tǒng)典型設計方案,最后從整體能源管控效率提升角度,提出直流智能樓宇監(jiān)控平臺總體架構(gòu),為直流供用電模式應用提供參考。

1 總體設計思路

供用電系統(tǒng)的一次設備設計方面,直流配電建筑通過建筑與可再生能源一體化設計,實現(xiàn)綠色能源與建筑基礎設施的深度融合,充分利用建筑屋頂、車棚、幕墻等空間,在滿足建筑本體功能定位與建設要求的前提下,盡可能多地配置可再生能源,提高建筑能源自給率。

在供用電系統(tǒng)監(jiān)控體系設計方面,在感知層優(yōu)化配置各類采集設備,實現(xiàn)對源、網(wǎng)、荷、儲各環(huán)節(jié)運行數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)等全量采集。在此基礎上,實現(xiàn)建筑負荷和發(fā)電精準預測,進而提出系統(tǒng)性的能量管理策略,并可結(jié)合電網(wǎng)實時運行態(tài)勢優(yōu)化建筑直流微電網(wǎng)運行模式,解決建筑可再生能源便捷接入與高效利用、源荷協(xié)調(diào)控制等問題,在保障建筑用能需求的同時,平滑間歇性可再生能源出力波動,并最大限度實現(xiàn)可再生能源就地消納,提高系統(tǒng)的整體能源利用效率。

直流建筑整體設計思路如圖1所示。

圖1 直流建筑整體設計思路

2 典型配置

2.1 拓撲結(jié)構(gòu)選擇

純直流配電系統(tǒng)的基本拓撲結(jié)構(gòu)主要有輻射狀、環(huán)狀、雙端供電、多端供電等?？紤]到直流樓宇供電范圍相對固定,直流負荷相對集中,因而選用放射型拓撲結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)簡潔,與傳統(tǒng)的400 V交流配電系統(tǒng)具有良好的兼容性,有利于實現(xiàn)用戶分布式電源和儲能裝置的即插即用以及建筑配電系統(tǒng)能量智能管理。

2.2 電壓等級選取

建筑低壓直流微電網(wǎng)電壓選取遵循如下原則。

(1) 兼容目前已有的可用直流替代的交流設備,做到將直流提供給用電設備時,設備能正常工作,且設備內(nèi)部關(guān)鍵元器件的電壓應力、電流應力都不會超出正常使用范圍。

(2) 線路的損耗不能大于現(xiàn)有的交流供電情況。

(3) 兼顧用電設備的關(guān)鍵元器件的生產(chǎn)制造選型。

(4) 匹配現(xiàn)有可量產(chǎn)直流斷路器運行工況要求。

(5) 匹配儲能單元和光伏發(fā)電單元并網(wǎng)電壓。

結(jié)合IEC標準的低壓直流電壓優(yōu)選值DC±375 V,選擇DC±375 V作為系統(tǒng)第一級電壓。所帶電源、負荷主要是建筑光伏、分布式儲能、電梯、中央空調(diào)等。常規(guī)家用或辦公用直流用電設備選取220 V作為供電電壓,對于48 V及以下電壓等級供電的設備,采用多端口多電壓自適應直流適配器,實現(xiàn)負載識別0～48 V輸出電壓自適應調(diào)節(jié)。

2.3 系統(tǒng)配置方案

通過交直流換流閥將交流10 kV轉(zhuǎn)換為直流±10 kV,為下級直流換流閥供電。直流±10 kV通過直流換流閥轉(zhuǎn)換為直流±375 V,并實現(xiàn)直流±375 V端口在樓宇中的接入。建筑屋頂或者幕墻光伏發(fā)電系統(tǒng)采用直流并網(wǎng)模式,經(jīng)DC/DC變換后并入±375 V直流母線,采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)模式,優(yōu)先為樓宇內(nèi)直流負荷和儲能裝置供電。分布式儲能系統(tǒng)平抑光伏出力波動,同時為樓宇負荷提供應急電源保障。直流建筑供用電系統(tǒng)典型配置方案如圖2所示。

圖2 直流建筑供用電系統(tǒng)典型配置方案

通過DC/DC變換裝置將±375 V直流端口轉(zhuǎn)換為直流220 V,配置主動式保護裝置。然后通過DC/DC技術(shù)將直流220 V轉(zhuǎn)換為改造后的電視機、電磁爐、電冰箱、投影儀、飲水機、電腦、LED燈等辦公/家用電器供電,實現(xiàn)用電系統(tǒng)全直流化,搭建“低壓直流商業(yè)體驗區(qū)”,為用戶營造一個安全、智能、可靠、高效的用電環(huán)境。

3 監(jiān)控平臺設計

為對系統(tǒng)整體運行情況進行監(jiān)控,設計了樓宇直流供用電系統(tǒng)監(jiān)控平臺。建筑直流供用電系統(tǒng)監(jiān)控平臺功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 建筑直流供用電系統(tǒng)監(jiān)控平臺功能架構(gòu)

3.1 數(shù)據(jù)采集

(1) 模擬量采集,包括樓宇直流配電系統(tǒng)各點電壓、電流、電量等模擬量的采集。

(2) 狀態(tài)量采集,包括開關(guān)位置、事故跳閘信號、保護動作信號、異常信號、開關(guān)儲能狀態(tài)、終端狀態(tài)等狀態(tài)量的采集。

(3) 其他數(shù)據(jù)采集,包括對特定的電網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集以及PCS電源運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集。

3.2 光伏發(fā)電監(jiān)控

對太陽能光伏發(fā)電的實時運行信息、報警信息進行全面監(jiān)視,并對光伏發(fā)電進行多方面的統(tǒng)計和分析,應能顯示光伏系統(tǒng)的當前發(fā)電總功率、日總發(fā)電量、累計總發(fā)電量以及每天發(fā)電功率曲線圖。

3.3 儲能單元監(jiān)控

對儲能單元的實時運行信息、報警信息進行全面監(jiān)視,并對儲能進行多方面的統(tǒng)計和分析,主要包括以下信息。

(1) 可實時顯示儲能的當前可放電量、可充電量、當前放電功率、當前充電功率、可放電時間、今日總充電量、今日總放電量。還可實現(xiàn)對各電池模塊的狀態(tài)巡檢,并通過監(jiān)控界面顯示。

(2) 能遙信雙向變流器的運行狀態(tài)、告警信息,其中保護信號包括低電壓保護、過電壓保護、過電流保護、器件異常保護、電池組異常工況保護、過溫保護。告警信息包括儲能單元過欠壓、過載、過溫等故障狀態(tài)。

(3) 能遙測雙向變流器的充放電電流、電壓、功率以及儲能剩余容量、電池單體電壓等。

(4) 能對儲能電池充放電時間、充放電電流、電池保護電壓等進行遙調(diào),實現(xiàn)遠端對雙向變流器相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)。

(5) 能遙控雙向變流器充電、放電功率。

3.4 負荷監(jiān)控

對直流系統(tǒng)內(nèi)部負荷進行監(jiān)視、控制和統(tǒng)計,為直流配電系統(tǒng)功率平衡分析控制等提供依據(jù)。在運行時,可對這些負荷進行分組監(jiān)控。

3.5 統(tǒng)計分析

(1) 全景展示,展示系統(tǒng)整體拓撲結(jié)構(gòu)以及各關(guān)鍵用電設備、電力電子變換裝置的運行電壓、電流以及功率數(shù)據(jù);展示光伏、儲能以及負荷的實時運行功率曲線及不同周期發(fā)、用電量,統(tǒng)計清潔能源利用比例。

(2) 能耗分析,通過穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)分析,直觀了解各樓層、各設備的運行功率以及能耗情況。通過柱狀圖和餅狀圖結(jié)合的方式分析建筑直流系統(tǒng)的運行電量及功率統(tǒng)計數(shù)據(jù),實時發(fā)出高耗能預警,提醒用戶優(yōu)化用能行為。

3.6 系統(tǒng)調(diào)度

可根據(jù)直流配電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)互動,進行電網(wǎng)自平衡和自平滑統(tǒng)一的優(yōu)化控制,具有直流設備運行狀態(tài)監(jiān)測、運行數(shù)據(jù)存儲和分析、遠方通信、電源/儲能/負荷運行狀態(tài)實時監(jiān)控、分布式發(fā)電預測/負荷預測/可控發(fā)電計劃、能量優(yōu)化管理的功能。

4 建筑直流系統(tǒng)運行模式

鑒于直流母線電壓是反映系統(tǒng)功率平衡的唯一指標,針對直流配電系統(tǒng)功率平衡控制問題,其主要控制對象為直流母線電壓。項目中,按照不同系統(tǒng)目標以及與電網(wǎng)間的協(xié)調(diào)調(diào)度控制需求進行了系統(tǒng)運行模式的設計,大致可以分為以下幾種。

(1) 經(jīng)濟模式。保證整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性能最佳,實現(xiàn)發(fā)電、用電、儲電利益最大化。為降低對電網(wǎng)公司的并網(wǎng)管理要求,系統(tǒng)直流側(cè)可以不向交流側(cè)返送功率;當自身功率無法滿足需求時,向交流側(cè)實時取電實現(xiàn)功率需求平衡。

(2) 需求側(cè)響應模式。通過對儲能、負荷的控制,可以使傳統(tǒng)的需求側(cè)響應電網(wǎng)交流側(cè)的短時要求,如降低對交流側(cè)功率需求(切負荷或釋放儲能)或返送功率支撐電網(wǎng)交流側(cè)。

(3) 限功率運行模式。直流系統(tǒng)運行狀態(tài)多樣,當供電部門對于用戶側(cè)用電功率進行限制或系統(tǒng)運行在負荷波動較大的情況下,需要保證直流側(cè)不向電網(wǎng)交流側(cè)汲取超過其容量限制的功率。如果新能源發(fā)電和儲能配置適當,可以通過協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)對電網(wǎng)交流側(cè)的“恒功率取電”。

(4) 應急模式。當電網(wǎng)交流側(cè)或新能源發(fā)電短期內(nèi)可能無法滿足用電需求時,需要提前最大化存儲電能,并只在應急情況下釋放,滿足重要負荷在特定應急時期使用。

(5) 直流側(cè)孤島模式。當配電網(wǎng)發(fā)生故障,建筑直流微電網(wǎng)交流側(cè)失電時,直流側(cè)處于孤立的“發(fā)-儲-配-用”自平衡狀態(tài)。

建筑直流系統(tǒng)控制策略如圖4所示。

圖4 建筑直流系統(tǒng)控制策略

5 結(jié) 語

本文系統(tǒng)構(gòu)建了建筑直流供用電系統(tǒng)整體建設思路,在此基礎上提出直流智慧建筑的典型配置方案,并給出建筑能量監(jiān)控系統(tǒng)的全景設計架構(gòu),配合響應的控制與保護系統(tǒng),結(jié)合電網(wǎng)運行態(tài)勢,制定對應的運行控制策略,實現(xiàn)建筑能源系統(tǒng)清潔化、高效化,為后續(xù)實際推廣應用提供理論支撐和實踐經(jīng)驗參考。同交流電相比,直流電在消納分布式能源以及轉(zhuǎn)換效率方面有其先天的優(yōu)勢。在全球推動碳達峰、碳中和的國際大勢下,建筑作為電力消耗的重要對象,結(jié)合分布式發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展以及能源革命的持續(xù)推進,直流配電技術(shù)也將從局部示范得以不斷推廣應用。在敏感負荷集中的工業(yè)園區(qū)、分布式發(fā)電集中應用區(qū)域、數(shù)據(jù)中心、綠色建筑等場景,直流供用電模式將有更為廣闊的應用前景,建筑直流微電網(wǎng)也將成為支撐電網(wǎng)整體高效運行的能量單元,成為未來建筑技術(shù)發(fā)展的重要突破口。