建筑直流配用電系統(tǒng)運行控制策略與示范應用

趙宇明，郭佩乾，袁志昌，劉國偉，童亦斌，廖貴臏

（1. 深圳供電局有限公司， 廣東 深圳 518020；2. 清華大學電機系，北京 100084；3. 北京交通大學電氣工程學院， 北京 100044；4. 深圳微網(wǎng)能源管理系統(tǒng)實驗室有限公司， 廣東 深圳 518020）

0 引言

“十四五”電力規(guī)劃的逐步推進，可再生能源和電力電子設備滲透率將逐步增加，新型電力系統(tǒng)進入“雙高”階段。從配電角度而言，大量以直流驅動的充電樁、分布式儲能、可再生能源、5G 基站、數(shù)據(jù)中心與電力電子變壓器等設備接入了配網(wǎng)系統(tǒng)。這些終端設備的直流化發(fā)展趨勢直接驅動了電力分配和應用方式的變革［1-4］。

相較于交流方案，使用直流技術的系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：1）直流系統(tǒng)無需考慮頻率與無功功率等問題，有效提高了電能質量與供電可靠性；2）直流負荷以及分布式能源可直接并入直流系統(tǒng)，有效減少DC/AC轉換損耗以及設備成本；3）直流系統(tǒng)不存在交流配電系統(tǒng)線路的電暈損耗，系統(tǒng)損耗僅為交流系統(tǒng)的一半甚至以下［5］；4）所采用的電力電子裝置具備的一、二次高度融合特性和天然的物聯(lián)網(wǎng)特性，對可控設備進行簡單改造即可創(chuàng)造出物聯(lián)節(jié)點［6］。直流技術在配用電方面的應用能夠方便接入各類新型直流負荷與變頻負荷，可根據(jù)用戶需求提供更高效、靈活、安全的供電服務，適應未來用戶側的發(fā)展需求。因此，直流用電系統(tǒng)的優(yōu)勢不僅僅是直流用電設備的能效提升，在國家所推進的“雙碳目標”和可再生能源大規(guī)模發(fā)展的背景下［7］，其應用價值在于提高分布式發(fā)電和儲能的利用效率和控制性能。直流技術在建筑行業(yè)里的應用推進“發(fā)-儲-用”一體化的自主性全直流模式，為用戶提供更靈活、更加經(jīng)濟、更可靠和更安全的用電環(huán)境［8］。

隨著國內外直流建筑試點項目的推進，不少直流供電建筑已開展實施應用，如哥德堡Akademiska Hus 直流供電辦公樓、NZEB 的AGU 總部、松下電工與興和公司合作的建筑全直流供電系統(tǒng)，深圳未來立方、深圳中美中心和南京國臣直流配電公司辦公樓等［9-14］。國內外直流配電建筑的電力系統(tǒng)架構有所區(qū)別，但結構本質仍大同小異［15］。學者們分別從運行可行性與經(jīng)濟性分析［8，16］、系統(tǒng)架構與規(guī)劃［17-18］、設備建模［19］、電能質量評估和故障分析等［20-23］方面對建筑直流配用電系統(tǒng)領域開展了研究。然而，低壓建筑直流配用電系統(tǒng)（DC building distribution and utilization system， DCBDUS）的控制策略和運行管理與“中壓-高壓”直流系統(tǒng)也有所區(qū)別［8］，其特點如下：1）低壓建筑直流配用電系統(tǒng)的組網(wǎng)架構逐漸由集中化向分散化發(fā)展；2）新增直流負荷和電源設備與傳統(tǒng)建筑配用電系統(tǒng)中用能負荷有顯著的區(qū)別，電力設備接入系統(tǒng)的控制與配合方式不同；3）直流建筑終端用戶負荷接入無序化、隨機性強，控制方案需要傾向“友好、靈活接入”的需求。目前綜合考慮建筑直流配用電系統(tǒng)特點，且與之相匹配的運行控制的系統(tǒng)性分析與需求匹配方面研究較少。

為了推動建筑直流配用電系統(tǒng)在新型基礎設施建設生態(tài)鏈中的高質量發(fā)展，本文對適用于未來建筑直流配用電系統(tǒng)的運行控制策略與核心控制設備的發(fā)展路徑開展了系統(tǒng)性研究。文中第一部分梳理并總結了建筑直流系統(tǒng)的典型應用場景、組網(wǎng)架構，以及相匹配的運行控制方案。第二部分圍繞“扁平化、分布式”供電特點和未來“弱中心化”控制應用的需求，探討了適用于分布式和集中式建筑直流系統(tǒng)的運行控制策略。在確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行的情況下，新型建筑直流配用電系統(tǒng)以適應未來“扁平化”組網(wǎng)的系統(tǒng)架構，“去中心化”應用需求，以及“差異化”多類型設備的靈活接入。以建設中的深圳“低碳城未來大廈”示范工程應用為例，開展了相匹配的運行控制策略與運行結果的分析研究，并提出了核心控制變換裝備的未來發(fā)展路徑。

1 低壓建筑直流配用電系統(tǒng)的特點與典型架構分析

1.1 低壓建筑直流配用電系統(tǒng)基本電壓控制

直流電壓的穩(wěn)定不僅將直接體現(xiàn)系統(tǒng)功率的平衡情況，同時可反映系統(tǒng)面臨下一次故障時所具備抗擾動能力的強弱，是評價整個直流系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行的關鍵指標。

目前，低壓建筑直流配用電系統(tǒng)采用的電壓控制方案仍可參考直流輸電領域的控制方案，主要分為3 類［24］：主從控制（master/slave control）、下垂控制（droop control）和電壓裕度控制（voltage margin control）。

1.2 低壓建筑直流配用電系統(tǒng)特點

包含分布式電源和多種類型直流用電設備的民用低壓直流建筑在供用電安全性、電能變換效率方面相較于傳統(tǒng)交流供電具有明顯的優(yōu)勢［5-8］。新型低壓直流建筑的主要負荷包括直流變頻空調、電梯、照明、人員安防系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)以及家用電器等多類型用電設備。供電側包含市政電網(wǎng)、光伏、風電、電池儲能系統(tǒng)等，提供差異化電力供應。因此，相較于中壓直流配用電系統(tǒng)，低壓建筑直流配用電系統(tǒng)具備以下特征。

1）系統(tǒng)連接方式簡單，易于構建，供電半徑和容量更小，系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定性要求相對不突出。

2）對象以終端負荷應用為主，需求差異化，接入設備較多樣化。除傳統(tǒng)交流負荷外，系統(tǒng)還含有分布式可再生能源系統(tǒng)以及直流變頻空調等新型可控直流負荷設備。

3）直流建筑系統(tǒng)控制、監(jiān)測與可控設備的管理仍以建筑管理系統(tǒng)（building management system，BMS）的控制為主，電力能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS）通過“補全測點、復用網(wǎng)絡，增加應用”的方式輔助配合BMS 完成系統(tǒng)的全局預測、能量優(yōu)化與精細化調控［10］。

4）直流建筑配用電系統(tǒng)運行方式簡單；系統(tǒng)架構“弱中心化、扁平化”特點強。運行管理更趨向于分布自治與免運行維護的方向設計，減少需要用戶干預的控制管理與操作，專業(yè)化程度低。

1.3 低壓建筑直流配用電系統(tǒng)典型應用場景與控制架構

1.3.1 分布式電源和多種類型直流用電設備集中式接入直流建筑場景與典型控制架構

當終端設備采用放射狀布置在建筑范圍內時，光伏、風電、儲能等設備可以集中布置，以減少運行控制的難度。全局電力直流EMS 的工作站布置到集中式BMS 內，完善原有BMS 的部分控制管理的基礎功能。最大程度地利用原有系統(tǒng)網(wǎng)絡，低成本地實現(xiàn)了空間組網(wǎng)，并參與電網(wǎng)服務。

如圖1 所示，系統(tǒng)采用集中式控制架構，配合主從控制策略。正常運行時以市政電網(wǎng)的并網(wǎng)AC/CD 變換器作為主站，控制直流電壓，其余光伏、風電、儲能等作為從站，控制輸出功率。其中，直流建筑中的BMS 與電力EMS 協(xié)調配合，BMS 收集照明、水泵、電梯等用電設備的工作狀態(tài)，同時也具備對部分設備下發(fā)控制指令的能力。電力EMS則根據(jù)日前負荷預測、光伏出力預測、電費等信息對建筑內可控電氣設備做能量優(yōu)化計算，得出對光伏、儲能、可控負荷等設備的調控指令，完善原有的能量管理基礎功能，完成對建筑系統(tǒng)的熱、冷、電等能源的全面優(yōu)化和精細化管控。

圖1 基于分布式電源和多種類型直流用電設備的直流建筑的集中式結構圖Fig.1 Centralized structure of DC building based on distributed power sources and various types of DC equipment

1.3.2 分布式電源和多種類型直流用電設備分散式接入直流建筑場景與控制架構

相較于分布式電源和多種類型直流用電設備集中式接入建筑范圍內方案，各類型設備分散式接入一棟或若干棟建筑內的架構則更契合未來新型直流建筑領域的發(fā)展方向。

用電設備分散式安裝在建筑內不同區(qū)域時，可以采用分布式架構配合分散式下垂控制策略，如圖2所示，各分散式區(qū)域負載通過各直流母線接入市政電網(wǎng)。各代理電力EMS 采用半融合的方式接入到BMS 組網(wǎng)結構中，調節(jié)光伏、風電、儲能等連接設備的工作狀態(tài)，實現(xiàn)自識別、自組織、自配置和協(xié)調配合，形成“扁平化、分布式”空間組網(wǎng)。

圖2 基于分布式電源和多種類型直流用電設備的直流建筑的集中-分散式結構圖Fig.2 Central-distributed structure of DC building based on distributed power sources and various types of DC equipment

正常運行模式下，BMS 系統(tǒng)完成對建筑傳統(tǒng)負荷工作狀態(tài)和能耗的監(jiān)測。雙向可控變換器根據(jù)EMS所計算下發(fā)的下垂斜率開展調節(jié)，實現(xiàn)實時能量平衡［21］。直流建筑內用電或供電側設備出力變化時，光儲聯(lián)合系統(tǒng)中相對應的控制器根據(jù)電力EMS提供的分鐘級最優(yōu)的目標進行計算，并自適應調整輸出功率值，各自完成熱、冷、電控制調節(jié)。當光儲聯(lián)合系統(tǒng)無法滿足網(wǎng)絡能量需求，可切除部分優(yōu)先級較低的負荷，盡可能保證用戶側用電環(huán)境穩(wěn)定。

2 未來低壓建筑直流配用電系統(tǒng)的運行控制策略討論

如上文所述，低壓直流建筑配用電系統(tǒng)的運行和控制功能主要依靠控制變換器來實現(xiàn)。核心控制變換設備間的協(xié)調又可歸類為集中式和分散式兩種運行協(xié)調控制策略，具體對比如表1所示。

表1 建筑直流配用電系統(tǒng)運行控制策略Tab.1 Operation control strategy for DCBDUS

2.1 集中式運行控制策略在低壓建筑直流配用電系統(tǒng)中的應用分析

集中式運行控制技術采用垂直式架構（如1.1節(jié)中涉及的主從式與電壓裕度式控制技術），研究較為成熟，但其本身固有的特點與建筑直流配用電系統(tǒng)需求產(chǎn)生矛盾，主要表現(xiàn)為以下幾方面。

1）實時通信依賴要求高，系統(tǒng)可靠性較弱。上層中央控制器的整定值設定，各換流站的約束條件、運行狀態(tài)切換，指令傳輸以及各系統(tǒng)各電氣量的交互均需通過實時通信方式實現(xiàn)。

對于直流建筑范圍內各設備分散接入后供電范圍較大的應用場景甚至可能要采用光纖通信，增加了系統(tǒng)成本。一旦通信發(fā)生故障，各個電力變換器與中央控制器之間無法進行雙向信息交互，失去全局協(xié)調能力，導致整個系統(tǒng)失穩(wěn)，可靠性弱。

2）控制協(xié)調切換要求。集中式控制架構設定唯一主控制器作為定直流電壓控制方式，其余變換器則根據(jù)實際要求實現(xiàn)定功率或定交流電壓控制。

以圖1 低壓建筑直流系統(tǒng)為例，當大擾動（如外部電網(wǎng)停電、線路斷線故障、關鍵組網(wǎng)設備離網(wǎng)、保護動作等）導致市政AC/DC 退出造成停供電時，系統(tǒng)運行方式將會發(fā)生改變，主站需要及時向臨近的從站（光伏或儲能變換器）發(fā)出控制模式切換指令，迅速將從站啟動為后備主站，以重新維持系統(tǒng)直流電壓，運行控制特性如圖3所示。

圖3 集中式控制特性圖Fig.3 Centralized control characteristics diagram

然而，在光伏控制變換器等備用主站控制模式切換過程中，系統(tǒng)所連接剩余變換器將脫離同步信號控制而短暫失效。同時，復雜的組網(wǎng)架構切換對系統(tǒng)性能大打折扣，造成協(xié)調運行方案設計困難。進一步而言，如果系統(tǒng)故障嚴重時（如主站與備用主站均失去直流電壓控制能力）會導致系統(tǒng)崩潰，給實際應用帶來更多困難。

3）控制設備適配性要求。系統(tǒng)設計選型和組網(wǎng)調試階段需要對不同廠家各類設備進行對接調試工作，以適配建筑直流配用電系統(tǒng)。

面向低壓建筑直流配用電技術應用場景中系統(tǒng)結構、設備類型和接入等條件可能隨時發(fā)生變化的特點，新增接入設備需要適應現(xiàn)有系統(tǒng)運行策略，或原有系統(tǒng)需配合新增設備進行運行策略的二次調整，系統(tǒng)靈活性和擴展能力大大受限。

2.2 分散式運行控制策略在低壓建筑直流配用電系統(tǒng)中的應用分析

分散式運行控制技術以多點控制為基礎，系統(tǒng)內各控制器不相互依賴，可大量復制是此類控制方案的主要特色。由于該方案具有極高的自由度與建筑直流配用電系統(tǒng)需求十分匹配，具體表現(xiàn)如下。

1）弱通信依賴性。分散控制無需中央控制器，建筑系統(tǒng)聯(lián)接的市政電網(wǎng)、光伏、儲能與可控負荷聯(lián)接的變換器均可根據(jù)本地信息做出控制決策。

2）獨立且對等控制。直流建筑內可控負荷或供電側直流設備出力變化時，變換器可自適應調整功率值，完成協(xié)調。對等控制器中任何一臺出現(xiàn)故障也不會影響整個系統(tǒng)持續(xù)運行，系統(tǒng)可靠性較高。

3）電壓穩(wěn)定性要求不突出?？刂破鞲鶕?jù)直流電壓偏差將有功功率調節(jié)到參考水平。然而，該動作的發(fā)生是以另一變量的穩(wěn)態(tài)偏差為代價的，兩種行為相互矛盾。因此，分散控制方案系統(tǒng)直流電壓的精確控制能力較差，控制變換器電壓下垂運行控制特性和電壓偏差計算如式（1）—（2）所示。

式中：Prefdc和Urefdc分別為單變換器有功功率與直流電壓設定參考值；P和Udc分別為單變換器有功功率和直流電壓實測值；kdc為變換器下垂控制系數(shù)的設定值；σ為電壓偏差的極限，通常選擇直流電壓基準的5%。

隨著直流系統(tǒng)組網(wǎng)規(guī)模的增加，控制器穩(wěn)定運行區(qū)間也逐漸變窄［21］。然而，對于直流建筑系統(tǒng)供電半徑小，電壓降落較小，綜合交直流用電設備的通用性角度與民用建筑終端用戶需求為依據(jù)［22］，單極標稱電壓選擇DC 375 V 時，直流電壓運行范圍最大可達到DC 350 ～ 400 V，兩者十分契合。

4）設備接入高度友好且靈活，可滿足多種目標需求?？紤]用戶側終端設備種類復雜，無序化、隨機性強的特點，結合分布式設備接入架構的建筑直流配電系統(tǒng)電路改造或擴張供電能力等因素，采用分散式方案的系統(tǒng)，新接入設備與原設備變換器在系統(tǒng)中承擔角色一致，易實現(xiàn)“即插即用”。

分散式運行控制方案如圖4 所示。整個直流建筑控制管理系統(tǒng)沒有固定的集控中心站，降低了網(wǎng)絡樞紐故障或者集控中心站故障導致系統(tǒng)功能缺失的風險和調試維護難度，提高了系統(tǒng)可靠性。

圖4 分散式控制特性圖Fig.4 Decentralized control characteristics diagram

2.3 未來低壓建筑直流配用電系統(tǒng)運行控制策略

表2 給出了集中式控制策略和分散控制策略與未來建筑直流配用電系統(tǒng)綜合需求匹配度對比結果。據(jù)此可得出較明確的結論，對于現(xiàn)有建筑系統(tǒng)向直流模式的改造以及并網(wǎng)端數(shù)較少的新建直流建筑系統(tǒng)，集中式控制方案顯然可以通過復用原有系統(tǒng)網(wǎng)絡結構，以最低成本完成直流系統(tǒng)組網(wǎng)，參與電網(wǎng)服務，實現(xiàn)可再生能源消納。

表2 控制方案與低壓直流建筑需求匹配度對比Tab.2 Matching degree comparison of requirements among control strategies in low voltage DCBDUS

面向未來直流建筑配用電系統(tǒng)的分散式架構趨勢和全局化調控需求，結合應用形態(tài)的物聯(lián)整合和引入的“去中心化”理念，分散式控制則更為契合未來低壓直流建筑的“可觀、可控”的“扁平化”組網(wǎng)架構發(fā)展特征，實現(xiàn)可控設備的精細化調控及系統(tǒng)的全局能量優(yōu)化和節(jié)能降耗。

3 “低碳城未來大廈”示范工程應用

3.1 “低碳未來大廈”系統(tǒng)拓撲結構

以深圳“低碳城未來大廈”低壓直流建筑配用電系統(tǒng)示范工程為應用案例展開研究。LVDCBUDS采用雙極主接線架構，通過并網(wǎng)AC/DC 變換器與外部電網(wǎng)部分連接，在直流側構成DC±375 V 直流母線系統(tǒng)［25］。目前，低壓配用電系統(tǒng)通過直流母線連接光伏、分布式與集中式儲能、直流空調、新風機以及一體化配電單元，可同時實現(xiàn)多個樓層供電，形成直流配電系統(tǒng)，系統(tǒng)一次拓撲如圖5所示。

圖5 深圳低碳城未來大廈系統(tǒng)拓撲圖Fig.5 Configuration of Shenzhen IBR Future Complex

3.2 雙層式運行控制架構

根據(jù)未來大廈系統(tǒng)拓撲，結合文中第1 節(jié)中分布式電源和多種類型直流用電設備集中式接入直流建筑應用場景，現(xiàn)階段工程應用了集中式設備組網(wǎng)與單端并網(wǎng)方案，采用了“雙層式、扁平化”的集中式控制架構和主從控制策略。據(jù)此，與外部交流電網(wǎng)聯(lián)接的并網(wǎng)變換器AC/DC 1和AC/DC 2工作于電壓源方式，其他聯(lián)接換流器或直流可控設備，如儲能變換器（energy storage converter， ESC）、光伏變換器（photovoltaic converter， PVC）等分別采用相對應MPPT和定功率等工作方式。

另外，按照控制功能的時間尺度控制分為了長期能量優(yōu)化管理（最優(yōu)控制層）和短期功率平衡（分布自治層）如圖6 所示。整個系統(tǒng)協(xié)調運行方式如圖7 所示，主要分為4 種：1）日常運行方式；2）單極運行方式；3）離網(wǎng)運行方式；4）檢修運行方式。

圖6 低碳城未來大廈兩層式控制架構Fig.6 Two-layer control structure of low-carbon city-based future building

圖7 低碳城未來大廈系統(tǒng)運行方式Fig.7 Operation modes of low-carbon city-based future building

3.2.1 日常運行方式（雙極運行模式）

AC/DC 變換器正常運行，與交流電網(wǎng)聯(lián)接正常，變換器承擔系統(tǒng)交流/直流變換功能。系統(tǒng)采用直流電壓控制模式，把直流電壓分為3 個電壓帶，首先光伏PVC DC/DC 穩(wěn)定直流母線電壓、單極穩(wěn)定電壓范圍為393 ～ 382 V。當系統(tǒng)電壓低于382 V 時，儲能系統(tǒng)ESC DC/DC 開始投入運行，輸出功率穩(wěn)定直流母線電壓。當直流母線電壓低于375 V 時候，并網(wǎng)變換器AC/DC 投入運行，輸出功率穩(wěn)定直流母線電壓。整個運行過程中，電力EMS結合建筑BMS 實現(xiàn)整個直流建筑系統(tǒng)能量平衡計算與參數(shù)整定。

日常并網(wǎng)運行方式下，兩臺AC/DC變換器交替運行，以減少空載損耗。日常運行方式1 時，AC/DC1 變換器正常工作，與交流電網(wǎng)聯(lián)接，AC/DC2處于待機備用狀態(tài)；日常并網(wǎng)運行方式2 時，AC/DC2 變換器正常工作，與交流電網(wǎng)聯(lián)接，AC/DC1處于待機狀態(tài)，等待工作模式切換。交替運行方式由AC/DC 變換器自行控制，且交替運行時應不影響直流配電系統(tǒng)可用性。

3.2.2 單極運行方式

當一極的光伏PVC、儲能系統(tǒng)ESC 以及并網(wǎng)AC/DC變換器故障導致正極或負極閉鎖后，系統(tǒng)進入單極運行方式。單極系統(tǒng)運行主要目標是AC/DC變換器所連閉鎖極盡可能維持原有負荷持續(xù)運行，EMS聯(lián)合BMS與“光-儲”系統(tǒng)實現(xiàn)能量協(xié)調。

該運行方式下，并網(wǎng)AC/DC 變換器仍在運行的一極維持原有運行方式，與閉鎖換流器相連的一極運行于光儲孤島模式，由光伏系統(tǒng)控制該極直流電壓（單極DC 390 V）。當負荷容量較小時，儲能ESC可以實現(xiàn)“光-儲”聯(lián)合優(yōu)化的功能。當“光-儲”聯(lián)合系統(tǒng)供電容量有限而無法完全滿足該極供能需求時，應該切除該閉鎖極部分優(yōu)先級較低的負荷。充電樁退出運行，空調由自配儲能維持運行，新風機組停運，健全極維持正常運行，故障極實現(xiàn)最小功率運行。此時，系統(tǒng)解列為3 個獨立子系統(tǒng)，健全極、故障極和空調外機。

3.2.3 離網(wǎng)運行方式

由于外部電網(wǎng)停電等原因，并網(wǎng)AC/DC 變換器將退出運行導致停供電。光伏PVC穩(wěn)定直流母線電壓，單極穩(wěn)定電壓范圍393～382 V，當系統(tǒng)電壓低于382 V 時，儲能系統(tǒng)開始投入運行，輸出功率穩(wěn)定直流母線電壓。離網(wǎng)運行方式下，正極和負極設備均為獨立控制。當一極由于設備故障無法維持離網(wǎng)運行時，不影響另一極的運行狀態(tài)。充電樁退出運行，空調由自配儲能維持運行，新風機組停運，正極和負極維持最小功率運行。當單極電壓低于DC 375 V 時，系統(tǒng)切直流空調。此時，系統(tǒng)解列為3 個獨立子系統(tǒng)，正極、負極和空調外機（含自配儲能）。

3.2.4 檢修運行方式

在全系統(tǒng)檢修和維護期間，要求具有電擊事故風險的電源（儲能、光伏等）在電氣上與系統(tǒng)可靠隔離，以確保操作人員的安全。子系統(tǒng)檢修或維護時，應確保子系統(tǒng)與電網(wǎng)連接的開關可靠斷開。在該期間應不影響其余系統(tǒng)正常運行的前提下進行，如無法滿足則應選擇全系統(tǒng)檢修。檢修運行方式下，各個子系統(tǒng)之間的連接開關提供狀態(tài)量，供運行人員判斷是否滿足檢修條件。

3.3 示范運行結果

由于試運行期間的負荷功率水平較低，本文對該直流建筑系統(tǒng)低負荷需求下的雙極運行模式進行了數(shù)據(jù)采集與研究，選擇2021 年9 月29 日上午08：40至下午17：20運行結果開展分析。

直流建筑內有功功率曲線如圖8 所示，根據(jù)當日負荷曲線，在滿足供電系統(tǒng)安全及負荷需求前提下，BMES 與光伏發(fā)電系統(tǒng)通過協(xié)作配合實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，維持整個系統(tǒng)的全負荷支撐，實現(xiàn)系統(tǒng)內的凈功率平衡。儲能作為實現(xiàn)削峰填谷設備，在最大化消納光伏發(fā)電的前提下，盡可能地平抑網(wǎng)絡功率。如圖9 所示，在該運行模式下，系統(tǒng)單極母線電壓穩(wěn)定在DC 390 V 左右，根據(jù)式（2）計算所得σ在允許范圍內，并網(wǎng)AC/DC 無需參與母線電壓控制。

圖8 低碳城未來大廈功率曲線Fig.8 Power curves of low-carbon city-based future building

圖9 低碳城未來大廈直流電壓曲線Fig.9 DC voltage curves of low-carbon city-based future building

總結系統(tǒng)的運行結果分析可知，低碳城未來大廈示范工程滿足預期效果，驗證了所采用的集中式運行控制架構的有效性與正確性。

4 低壓建筑直流配用電系統(tǒng)核心控制變換設備市場化發(fā)展需求

如前文所述，基于電力電子技術的控制變換器不僅可以改變系統(tǒng)結構，構成靈活多變的網(wǎng)絡組成架構以適應用戶側多目標接入需求，也作為直流建筑配用電系統(tǒng)運行控制方案執(zhí)行的核心，實現(xiàn)各種控制策略的調整，有著不可或缺的作用。大量可控直流設備以及分布式可再生能源的接入，直流建筑配用電系統(tǒng)終端設備多樣化，控制變換裝備的控制需求和裝設數(shù)量也逐步增加。為了有效推進控制變換設備的市場化應用與新型直流建筑產(chǎn)業(yè)鏈的高質量發(fā)展，針對核心換流裝備的控制技術研發(fā)和推廣，兩方面問題需重點關注。

1）從技術角度而言，系統(tǒng)運行控制功能完全依賴變換器來實現(xiàn)，而系統(tǒng)結構和調控目標、設備類型和接入等條件可能隨時發(fā)生變化，變換器必須基于系統(tǒng)實時狀態(tài)對控制功能和參數(shù)快速調整才能滿足系統(tǒng)運行要求。同時，結合第1 節(jié)中新型低壓直流建筑配用電系統(tǒng)應用場景的特點，控制變換器即要在滿足建筑范圍內實現(xiàn)相對薄弱集中化和專業(yè)化管理的同時，又要考慮多樣化、個性化用電設備和功能設備的靈活配合，給控制變換器的技術功能帶來巨大的挑戰(zhàn)。

2）從設備市場化應用的方面出發(fā)，采用分散對等式的控制變換器通過提前規(guī)約不同設備的協(xié)調工作，比較適合控制變換器的集成廠商，但卻對于通用變換器的選型范圍帶來了門檻。如果不能解決通用變換器的“即插即用”問題，將會對控制變換器的現(xiàn)場調試帶來較高的難度，提升了成本，不利于低壓建筑直流配用電技術的推廣。

現(xiàn)階段，應對不同廠家通用變換器“即插即用”的接入已有組網(wǎng)系統(tǒng)問題，可通過組網(wǎng)系統(tǒng)對控制器接入的要求，對各類型通用變換器的外特性統(tǒng)一采用Pref/Urefdc的下垂控制特性描述，形成具備多種控制能力的技術，應用在對系統(tǒng)運行控制特性影響較大、功率調節(jié)能力較強的設備上，如直流供電電源并網(wǎng)變換器AC/DC、儲能變換器ESC DC/DC、光伏PVC DC/DC 和直流變頻空調等，核心控制結構可表述為圖10 所示。據(jù)此，根據(jù)帶直流電壓下垂特性控制式（2），所提復合節(jié)點控制器的控制特性可簡化表達式如（3）所示。

圖10 復合節(jié)點控制結構示意圖Fig.10 Composite control node structure diagram

式中：N為直流建筑系統(tǒng)內DC/DC 或AC/DC 并網(wǎng)變換器的數(shù)量；Udc，i為第i個變換器端口的直流電壓；Urefdc為直流建筑系統(tǒng)電壓參考指令值；kdc，i為第i個變換器所附加的復合節(jié)點控制器設定的下垂參數(shù)；Pcontdc，i為第i個原有控制變換器實測功率值；Prefi為BEMS 通過系統(tǒng)運行工況所計算得出的第i個換流器的有功功率參考指令值。

復合節(jié)點控制器可根據(jù)系統(tǒng)結構的情況，預先植入模型，運行過程中只需簡單的信息就可以對變換器運行控制功能和參數(shù)進行調節(jié)，靈活適應系統(tǒng)運行模式的變化。同時，該變換器的功能和控制參數(shù)采用通用標準化設計，并通過復合節(jié)點控制器與監(jiān)控系統(tǒng)接口，有利于系統(tǒng)監(jiān)控功能的簡統(tǒng)，可擺脫現(xiàn)階段對某一類型、具體變換器產(chǎn)品的依賴?，F(xiàn)階段，復合節(jié)點控制器控制變換器已在深圳直流配電系統(tǒng)動模實驗室通過了測試，在實際工程中的應用正在進一步驗證。

低壓建筑直流配用電系統(tǒng)中控制變換器的發(fā)展與完善是一個復雜的工程。面向未來新型直流建筑配用電系統(tǒng)所需數(shù)量較大的核心控制變換器，不僅需要在變換器控制策略及調控技術方面采取措施，還要弱化其硬件本身與直流建筑系統(tǒng)的耦合限制，更快捷地接入系統(tǒng)，以滿足系統(tǒng)多種復雜工況的運行需求，實現(xiàn)控制變換設備市場化的應用與推廣。

5 結語

新型低壓建筑直流配用電系統(tǒng)正處于發(fā)展階段，運行控制技術與相關核心設備的研發(fā)經(jīng)驗仍有待于積累。本文針對現(xiàn)有建筑系統(tǒng)向直流模式的改造和新建低壓直流建筑配用電系統(tǒng)的運行方案進行了探討，并給出了明確建議。同時，面對未來低壓建筑直流配用電系統(tǒng)架構扁平化、通信需求低和穩(wěn)定性問題不突出等特點，結合各類型設備在建筑內小范圍內接入時扁平弱中心化、管理分散和專業(yè)化程度相對較低等特殊要求，分散式策略由于各控制變換器間的對等獨立和調節(jié)靈活等特點而十分契合新型直流建筑的需求。結合深圳“低碳城未來大廈”低壓直流建筑配用電系統(tǒng)示范工程，對現(xiàn)階段工程采用的控制策略與運行實測結果完成了分析研究。

面對未來低壓建筑直流系統(tǒng)核心控制變換裝備的研發(fā)、應用與推廣，需盡快對以下兩方面開展研究：1）對未來開放式、具備自主協(xié)調控制能力的控制變換器開展技術方面的研發(fā)，以擺脫對特定種類控制變換設備的強依賴性，實現(xiàn)“軟硬件解耦”，打破應用門檻以推進直流建筑配用電技術的應用和推廣；2）對已有多類型控制變換器組網(wǎng)系統(tǒng)，開展上層控制架構標準的規(guī)劃、制定研究，實現(xiàn)差異化、定制化的控制變換設備簡單統(tǒng)一管理，推進控制變換設備的友好并網(wǎng)。

據(jù)此，本文研究內容與核心變換裝備發(fā)展路徑討論可為未來建筑直流配用電系統(tǒng)的應用提供有力的技術支撐，可推進其成為“可及、可感、可用、可控”的全新生態(tài)基礎設備建設產(chǎn)業(yè)模式鏈。