建筑低壓直流配電的關(guān)鍵技術(shù)研究

楊將鐸, 張改景

(上海市建筑科學(xué)研究院有限公司, 上海 201108)

0 引 言

隨著新能源技術(shù)的發(fā)展和直流負(fù)載占比的逐漸提高,直流電應(yīng)用從高中壓輸配電逐漸拓展到低壓微電網(wǎng)。直流配電在發(fā)電廠控制保護系統(tǒng)、各類交通工具配電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心和通信系統(tǒng)等方面應(yīng)用較早,建筑內(nèi)低壓直流配電的應(yīng)用是近年來各國在能源領(lǐng)域的研究熱點。建筑低壓直流配電具有高效率、方便接入儲能裝置和分布式電源(可再生能源)、更易兼容直流負(fù)載等特點,具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。直流系統(tǒng)的柔性能力也可以大幅緩解未來的電網(wǎng)與城鎮(zhèn)用電需求、土地、分布式能源的種種矛盾[2]。另外,低壓直流配電具有不同于交流配電的復(fù)雜性,分布式能源和負(fù)載的間歇性和可調(diào)整性使得系統(tǒng)控制很難形成固定邏輯,這不僅影響了標(biāo)準(zhǔn)的制訂,也延緩了實踐。

1 低壓直流建筑配電的關(guān)鍵點

本文在充分調(diào)研國外內(nèi)低壓直流配電的研究及工程實踐情況,重點開展了直流配電系統(tǒng)的實現(xiàn)方案研究,提出了電壓等級和電能質(zhì)量、綜合保護、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)魯棒性等方面的建議。

1.1 電壓等級和電能質(zhì)量

電壓等級的選擇應(yīng)滿足安全性、經(jīng)濟性和適用性的要求,同時受負(fù)荷需求、供電能力、技術(shù)水平、電網(wǎng)現(xiàn)狀、建筑空間等因素的制約[3],且要參考標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。如果是改造工程,交直流線路的電線電纜在結(jié)構(gòu)上差別很小,當(dāng)電纜能耐受相應(yīng)的直流電壓時,交流線纜是能夠作為直流線纜繼續(xù)使用的。文獻[4-7]從多個角度分析,認(rèn)為375～400 V等級的電壓適用于樓宇母線,另外也推薦220 V(±110 V)和48 V的電壓等級。文獻[8]從電擊防護、供電能力、改造成本等方面詳細(xì)列出了不同負(fù)荷下的電壓和導(dǎo)體選擇邏輯。文獻[9]進一步將工程實踐中的直流母線電壓推薦為375 V,可以兼顧電壓波動帶范圍、標(biāo)識、電器通用性等問題;將特低電壓推薦為48 V,可以滿足50 W/m2配電功率密度下40～60 m2面積內(nèi)的小功率電器用電需求。最新申請的直流系統(tǒng)專利也較多明確采用375 V直流電壓,這已經(jīng)逐漸成為行業(yè)內(nèi)的共識。

相比于母線電壓的確定,更重要的是保證高質(zhì)量和連續(xù)的供電以及實現(xiàn)分布式能源和儲能之間的高效配合[10]。文獻[11]介紹了美國海軍應(yīng)用的直流電壓接口標(biāo)準(zhǔn)和多層模糊評價模型等電能質(zhì)量評估方法。美國海軍375 V直流電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。南京國臣綠色樓宇直流配電系統(tǒng)中,光伏變換器采用具有精確限壓、限流及最大功率跟蹤點控制的方法,只通過一級DC/DC變換實現(xiàn)最大功率跟蹤控制(MPPT)條件下輸出的精確限壓及限流,在降低系統(tǒng)成本的同時,提高了系統(tǒng)的效率和可靠性[12]。母線結(jié)構(gòu)本身對母線電壓和電能質(zhì)量也有影響,多源、電壓等級單一的母線電能質(zhì)量較高,對于普遍采用的分層母線結(jié)構(gòu)[12-13],通常低壓端負(fù)荷占比不高,沒有進行特別處理。另外,濾波器、無功源(直流電容器)等輔助設(shè)備可以有效提升母線電能質(zhì)量,維持穩(wěn)定電壓。

表1 美國海軍375 V直流電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

1.2 綜合保護

直流電路特征如下:直流電路的潮流變化具有雙向性;微電網(wǎng)內(nèi)阻抗小,設(shè)備保護動作閾值的整定較為困難,保護速度受限;大量分布式電源和負(fù)載多點接入,同一故障表現(xiàn)形式多樣,監(jiān)測和定位困難;短路電流較交流電路小;電流不過零點,滅弧困難;大量儲能元件,短路故障時儲能電容放電產(chǎn)生瞬時沖擊電流,斷路器承受較為陡峭的暫態(tài)恢復(fù)電壓。因此,直流故障保護成為阻礙低壓直流大規(guī)模應(yīng)用“最后一千米”的突出挑戰(zhàn)[14]。低壓直流電路通常選擇被動保護和主動保護結(jié)合的方式進行綜合保護。

在被動保護方面,使用直流斷路器進行過電流保護,也要結(jié)合變換器和開關(guān)設(shè)備的自我保護能力,但是具有故障自清除能力的直流斷路器通常需要大范圍閉鎖換流器,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)短時中斷供電。文獻[15]指出,過電流包括過負(fù)荷和短路,過負(fù)荷保護主要關(guān)注電流切斷的難點;短路故障需要考慮系統(tǒng)接地類型,不同接地系統(tǒng)下的短路故障影響不同,減小短路電流也很重要。文獻[16]對750 V(±375 V)電壓下3種接地形式(IT系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、TN系統(tǒng)[17])的特點和適用性進行了說明。其中IT(高阻)接地方式的應(yīng)用難度和風(fēng)險最小,配合絕緣監(jiān)測手段,能夠更好地滿足低壓直流配電系統(tǒng)安全性方面的要求。對于僅需要進行過流、人身電擊與接地故障、暫態(tài)過壓、用電設(shè)備的操作與隔離等防護的簡單直流電路,被動保護可以保障基本安全[18],但是要保證做好防雷措施。另外,文獻[19]基于工程實踐基礎(chǔ),按照被保護對象對低壓直流保護裝置進行了總結(jié)和分類。

對于較為復(fù)雜的直流系統(tǒng),主動保護必不可少,旨在定位和中斷低壓直流網(wǎng)絡(luò)上的輕微故障,以避免整個系統(tǒng)的停擺。文獻[20]提出了一種故障檢測的方案,能夠?qū)崿F(xiàn)亞毫秒級的定位和保護。由于當(dāng)前對物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程斷路器的研發(fā)能力不足,也可以采用集中柜(多個)的方式對每一路饋線進行集中控制[21]。

1.3 系統(tǒng)控制

系統(tǒng)控制要在電路保護的基礎(chǔ)上關(guān)注可再生能源的經(jīng)濟價值和社會效益。低壓直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制分為三級,不僅要照顧微電網(wǎng)內(nèi)各項參數(shù)的穩(wěn)定,還要考慮與上游交流電網(wǎng)的銜接以及運行模式的經(jīng)濟性。低壓直流微電網(wǎng)系統(tǒng)分級控制如圖1所示。

圖1 低壓直流微電網(wǎng)系統(tǒng)分級控制

文獻[22]根據(jù)上海市電價標(biāo)準(zhǔn)和用電特征,分析了建立直流微電網(wǎng)的可行性。在投入和運維過程中,硬件消耗是系統(tǒng)成本的關(guān)鍵影響因素,而良好的系統(tǒng)控制有助于減少硬件消耗。從整體考慮,低壓直流微電網(wǎng)控制可以從4個方面體現(xiàn)優(yōu)勢。低壓直流微電網(wǎng)系統(tǒng)級控制關(guān)注點如表2所示。

表2 低壓直流微電網(wǎng)系統(tǒng)級控制關(guān)注點

1.4 系統(tǒng)魯棒性

目前,低壓直流微電網(wǎng)普遍處于探索階段,系統(tǒng)魯棒性(系統(tǒng)健壯性)的重要程度還是大于經(jīng)濟性。在微電網(wǎng)控制模塊中,應(yīng)賦予低電勢監(jiān)測控制模塊和圖1所示的直流微電網(wǎng)物理層監(jiān)測控制模塊(即控制末端)更高的處理權(quán)限,先處理,后匯報,特別是針對危險性高或高頻發(fā)生的事件。在控制末端,還要盡量保證末端職責(zé)的明確性和單一性,邏輯簡單,超出閾值便完成規(guī)定動作,且不允許從軟件層面更改。在電路系統(tǒng)中,電源和負(fù)載適當(dāng)增加并行設(shè)備,能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,特別是在母線增加無功微源(電容等),能提升電能質(zhì)量,降低控制分析復(fù)雜度。在電路關(guān)鍵環(huán)節(jié)增加冗余,可以提高可靠性,冗余部件可以替代失效部件并且?guī)椭鷻z測錯誤。另外,模塊化設(shè)計可以降低系統(tǒng)的更新難度,這包括分類電路和分區(qū)域電路的自成體系。

2 問題分析

通過對近年來國內(nèi)外學(xué)者的低壓直流配電研究成果分析,可以看到我國在電壓等級、綜合保護、系統(tǒng)控制等方面有了初步研究成果,但直流建筑還存在以下待研究問題。

(1)缺乏實踐經(jīng)驗和總結(jié)。低壓直流配電目前仍處于起步階段,缺乏歷史數(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗,在標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范方面不完善。例如,IEC對低壓直流配電的研究處于第二階段,仍未完成系統(tǒng)層面的標(biāo)準(zhǔn)化工作;我國《民用建筑低壓直流配電設(shè)計導(dǎo)則》等規(guī)范尚未完成。

(2)針對系統(tǒng)的研究還需深入。來自系統(tǒng)層面的影響較多,等效網(wǎng)絡(luò)模型和分析工具仍待深化。例如,如何針對樓宇各種特性選擇合適的電壓等級;直流電路有多種類型,負(fù)載、電力電子設(shè)備和電源各有特殊阻抗;電能質(zhì)量必須納入考量;電路與上下游直流或交流系統(tǒng)的兼容性不可忽視等。

(3)電路保護、安全問題以及電磁兼容問題需要深入探討。例如,直流電對人體生理的影響要考慮在內(nèi),直流電弧不能自動熄滅,會增加火災(zāi)風(fēng)險,過電壓現(xiàn)象必須加以量化,導(dǎo)體和絕緣層對直流電及瞬態(tài)的耐受力非常重要。而且,市場上幾乎沒有現(xiàn)成的直流負(fù)載設(shè)備,因此用電設(shè)備需要改造,當(dāng)涉及到驗證、維護、生命周期和可持續(xù)性時,這就帶來高度的復(fù)雜性,要考慮系統(tǒng)壽命問題。

(4)375 V是目前針對直流的較好電壓,但與當(dāng)前常用的220 V有一定差別,而行業(yè)目前的重要攻關(guān)方向之一就是“探索交直流220 V通用設(shè)備研究”。

3 結(jié) 語

低壓直流配電是一種比交流配電更高效的系統(tǒng),為我國的建筑業(yè)發(fā)展注入新技術(shù),將引領(lǐng)我國建筑領(lǐng)域技術(shù)一次新的革新浪潮。本文對我國直流建筑研究成果的梳理、分析,將為低壓直流配電技術(shù)在我國建筑業(yè)的研究、發(fā)展和應(yīng)用提供支撐。隨著各類標(biāo)準(zhǔn)的更新和工程實踐經(jīng)驗的不斷積累,直流建筑會在未來占據(jù)一席之地。