建筑直流配電及主動低壓配電網(wǎng)研究

俞 侃, 毛 闐

(1.浙江大學建筑設計研究院有限公司, 浙江 杭州 310028;2.浙江大學平衡建筑研究中心, 浙江 杭州 310028)

0 引 言

中國承諾在2030年前實現(xiàn)碳排放達峰,并力爭在2060年前實現(xiàn)碳中和,能源生產(chǎn)端高比例的可再生能源和能源消費側(cè)的電氣化是實現(xiàn)雙碳目標的重要路徑。“雙碳”目標要求風、光等可再生能源成倍增長,在廣大農(nóng)村城鎮(zhèn)大規(guī)模布局分布式可再生能源?！肮鈨χ比帷笔窃诮ㄖI域應用太陽能光伏、儲能、直流和柔性負荷技術的簡稱,即在建筑中通過直流連接分布式光伏和儲能,實現(xiàn)用電負荷的柔性控制。直流配電技術是光儲直柔建筑的中樞和核心,直流配電在有分布式電源接入和大量開關電源類負載的供配電系統(tǒng)中顯現(xiàn)出諸多優(yōu)勢:① 減少電能變換環(huán)節(jié),降低損耗。② 降低線路損耗。直流系統(tǒng)只存在電阻損耗,供電系統(tǒng)損耗大幅度降低。相比于傳統(tǒng)交流配網(wǎng)而言,直流配網(wǎng)不僅能減少設備的投資和運行的損耗,更能提供友好的分布式能源和變頻負荷的接入平臺,適應未來能源結(jié)構轉(zhuǎn)型的需要。主動配電網(wǎng)是由分布式發(fā)電、儲能、可控負荷組成的分布式能源進行主動控制和優(yōu)化運行的有機整體,能更全面地反映由具備主動響應和主動控制能力的新型“源—網(wǎng)—荷”構成的未來配電系統(tǒng)的特征[1-2],是“光儲直柔”建筑應用的核心與關鍵。

1 直流配電的技術優(yōu)勢

1.1 傳輸容量

(1)

式中:PDC——雙極直流配電所傳輸?shù)念~定功率;

PAC——現(xiàn)有交流線路傳輸?shù)念~定功率;

cosφ——功率因數(shù)。

在線路造價和走廊寬度相同時,直流線路傳輸功率是交流線路的1.05倍,還有研究指出,直流地下電纜比交流地下電纜傳輸容量大。

相同的電纜在不同的配電系統(tǒng)中傳輸電能的能力也是不同的,考慮到傳輸距離過遠時傳輸容量從線路絕緣水平和電流密度決定轉(zhuǎn)向由線路末端的電壓損耗決定。交直流配網(wǎng)最大供電能力與距離的關系如圖1所示,直流供電容量平均可以達到交流供電的10倍。

圖1 交直流配網(wǎng)最大供電能力與距離的關系

低壓配電系統(tǒng)中,配電電纜可以選擇三線制和五線制,不同標稱電壓時,三線制和五線制導線傳輸功率分別如圖2所示。當傳輸長度超過一定距離后,導線傳輸最大功率能力急劇減小。在配電電壓水平相同情況下,由于交流系統(tǒng)存在線路感抗,直流配電系統(tǒng)相同傳輸功率大于交流配電系統(tǒng)。

1.2 線路功率損耗

對于單相負載,功率損耗表達式為

(2)

對于三相負載,功率損耗表達式為

(3)

直流供電時,功率損耗表達式為

(4)

圖2 三線制和五線制供電系統(tǒng)導線傳輸功率

式中:P——負載消耗功率;

Ur——相電壓有效值;

r——線路單位阻值;

L——線路長度。

將直流供電損耗分別與交流單相負載損耗和三相負載損耗相比較,得

(5)

(6)

由式(6)可見,交流系統(tǒng)中接單相負載時,直流配電系統(tǒng)的線路損耗最大情況為交流系統(tǒng)線路功率損耗的一半,即cosφ=1(無感性負載,純阻性負載)的情況。民用建筑中,電熱器、電飯鍋、電烤箱、白熾燈、鹵鎢燈等用電設備采用直流供電系統(tǒng)線路損耗為交流供電系統(tǒng)的一半;而接三相交流負載時,只有在功率因數(shù)較低的情況下,直流供電才會比交流供電的損耗更小。

1.3 換流器損耗

在系統(tǒng)運行損耗方面,除了配電線路損耗之外,在直流配電系統(tǒng)中,不同電壓等級之間轉(zhuǎn)換和整流變換都會產(chǎn)生損耗。有不少研究指出,不同交直流負荷占比時直流配網(wǎng)和交流配網(wǎng)的損耗對比,兩者在運行損耗上的優(yōu)劣主要取決于系統(tǒng)中交直流負荷占比和換流器效率,因此可以預見在直流負荷比例日益增多的未來,直流配網(wǎng)將比交流配網(wǎng)有著更好的發(fā)展前景。如果目前工程中使用的換流器損耗可以減半,則直流配網(wǎng)的損耗將低于交流配網(wǎng)。交直流配網(wǎng)網(wǎng)損對比如表1所示。

表1 交直流配網(wǎng)網(wǎng)損對比

2 直流電壓等級選擇

民用建筑領域的直流配電電壓等級研究已有初步共識,但還未經(jīng)過實際工程的驗證,部分國家標準已經(jīng)出臺,但標準仍需統(tǒng)一。一般小功率電器設備電壓等級為12～48 V,LED照明為110 V,數(shù)據(jù)中心機房為200～400 V,電動汽車充電樁為200～750 V,光伏發(fā)電儲能為1 kV以上。隨著電力電子等技術的發(fā)展,設備電壓等級有提高的趨勢,但對于民用建筑領域而言,考慮安全性的影響直流電壓等級一般不超過1 kV。因此需要從安全性、經(jīng)濟性、電器兼容性等因素綜合考慮直流配電的電壓等級選擇。

2.1 安全性

IEC 60479-1給出了直流電與交流電對人體作用的區(qū)域范圍,直流/交流電的時間-電流效應區(qū)域如圖3所示(該圖交流適用于“從左手到雙腳”的電流通路,直流適用于縱向向上的電流通路)。

圖3 直流/交流電的時間-電流效應區(qū)域

由圖3可知,產(chǎn)生Ⅳ區(qū)域(可能發(fā)生心室纖維性顫動等致命性損害)相同生理效應的直流電比交流電大。圖3中,區(qū)域Ⅲ與區(qū)域Ⅳ的分界線為室顫曲線,即通過人體能引起心室纖維性顫動(電擊事故中最主要的致命原因) 的最小電流值。從室顫曲線的最小值可看出,直流電的室顫閾為140 mA,交流電的室顫閾僅為40 mA,交流電更容易引發(fā)心室纖維性顫動,而直流電更具安全性[3]。

根據(jù)計算,直流電室顫閾為140 mA情況下,對應電壓為-190 V(電流縱向向上,即電流從腳到手),一般情況下,縱向向下的室顫閾為縱向向上室顫閾的兩倍,即280 mA,計算對應電壓為+280 V(電流縱向向下,即電流從手到腳)。如果直流電壓超過-190 V或者+280 V,電流流過人體都會發(fā)生心室纖維性顫動。

和交流電220 V作比較,人體觸碰220 V交流電產(chǎn)生電流約200 mA,接觸時間接近300 ms的時候就會產(chǎn)生心室纖維性顫動,采用同樣的持續(xù)時間,直流電的室顫閾達到+325 V和-250 V,考慮漏電保護自動切斷電源的防護措施,以0.2 s切斷時間為標準,對應產(chǎn)生室顫閾電壓可以上升到+375 V。綜上所述,從安全性的角度出發(fā),直流電壓等級可以考慮設定在+325～+400 V。

2.2 供電能力

從供電能力的角度考慮,電壓越高,傳送同樣的負荷功率需要的電流越小,供電能力越強。負荷距Mpd和電壓等級的關系如公式(7)所示:

(7)

Mpd=P×L

式中: ΔU——線路壓降;

UDC——直流電壓;

S——導線截面積;

ρ——導線電阻率;

P——負荷功率;

L——負荷供電距離。

用電設備端子電壓降偏差允許值一般為5%～10%。從電纜的經(jīng)濟電流密度去評估直流電壓,可以根據(jù)式(8)得出直流電壓的最低要求:

(8)

從式(8)可以看出直流電壓、供電半徑和電纜經(jīng)濟電流密度的關系,以供電半徑Lmax=300 m為例,取電纜經(jīng)濟電流密度Je=2.2 A/mm2,線路壓降ΔU=5%,根據(jù)式(8)得到UDC≥326 V,利用S=150 mm2的電纜截面,根據(jù)式(6)可以得出負荷距Mpd=32 kW·km,即300 m的供電半徑內(nèi)該直流電壓可以傳輸接近100 kW的負荷,基本滿足民用建筑領域的設備要求。綜上所述,從經(jīng)濟型的角度出發(fā),直流電壓等級可以設定約326 V。

3 主動配電網(wǎng)

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)主要通過常規(guī)開關投切、無功電容器組、有載調(diào)壓變壓器等設備進行調(diào)控優(yōu)化,可調(diào)控的手段相對較少,而且大多屬于離散型變量調(diào)控,只有“0和1”的概念,不具備連續(xù)靈活調(diào)節(jié)的能力。近年來,隨著分布式電源的發(fā)展,未來分布式能源將廣泛而高密度地接入配電網(wǎng),配電網(wǎng)也會變得越來越復雜。傳統(tǒng)意義上的調(diào)控方式已經(jīng)越來越難以適應配電網(wǎng)的發(fā)展。在這樣的背景下,區(qū)別于傳統(tǒng)的被動配電網(wǎng),主動配電網(wǎng)的概念應運而生。主動配電網(wǎng)具備下列特征:① 要具備一定比例的分布式可控資源;② 要有一個網(wǎng)絡拓撲可靈活調(diào)節(jié)的、堅強的配電網(wǎng)絡;③ 要具備完善的調(diào)節(jié)、控制手段,即建有基于現(xiàn)計算機技術與通信技術的量測、控制與保護系統(tǒng),具有較高的可觀可控水平;④ 要建設一個可以實現(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化管理的管控中心。

某工程地下室設有三聯(lián)供系統(tǒng)的能源中心,燃氣內(nèi)燃機為樓內(nèi)A級數(shù)據(jù)中心提供電源。屋面設置有PVT光伏組件和風力發(fā)電系統(tǒng),側(cè)墻設置有碲化鎘光伏組件,并設置有儲能蓄電池,對可再生能源進行儲能。上述區(qū)域能源分別為本項目數(shù)據(jù)中心、水泵、照明、直流充電樁等負荷進行供電,建筑負荷側(cè)主動配電網(wǎng)系統(tǒng)架構示意圖如圖4所示。

基于制定的區(qū)域能源規(guī)劃方案,對本工程可控型區(qū)域能源(天然氣)、不可控型區(qū)域能源(太陽能、風能)、可控負載(照明、數(shù)據(jù)中心)、不可控負載(電動汽車、水泵)、儲能裝置等“源、荷、儲”的大量數(shù)據(jù)信息進行搜集、分析和統(tǒng)計,建立可再生能源出力和負荷側(cè)不同類型用電單元的模型,研究系統(tǒng)理論,提出相應算法并通過軟件仿真,讓負荷和儲能作為有效的調(diào)度資源主動追蹤電源出力變化,實現(xiàn)削峰填谷,平抑可再生能源的出力波動,緩解可再生能源出力不確定性帶來的影響,最終實現(xiàn)區(qū)域能源的高效消納,確保配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

制定針對該工程的多元區(qū)域能源規(guī)劃下的主動配電系統(tǒng)優(yōu)化解決方案,加以實施應用,從而促進可再生能源的高效利用,確保多元區(qū)域能源系統(tǒng)的節(jié)能運行,為后續(xù)多能互補、集成優(yōu)化的綜合能源一體化項目提供示范,這也是“光儲直柔”建筑的重要研究內(nèi)容。

4 結(jié) 語

本文分析了直流配電網(wǎng)的優(yōu)勢及發(fā)展趨勢,探索主動配電網(wǎng)在低碳以及零碳等建筑實踐中的應用,為光儲直柔建筑實踐提供理論依據(jù)與發(fā)展方向。