建筑直流配電系統(tǒng)研究

丁 寶 / 張 進 / 趙 亮 / 付賓朋

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

目前向建筑提供電能的是交流供電系統(tǒng)，而長距離輸電使用直流供電系統(tǒng)。自1880年起特斯拉就與愛迪生就交流供電還是直流供電進行殊死論戰(zhàn)，最后以特斯拉的交流系統(tǒng)獲勝。100年來，人們更清楚地認識到了交流供電和直流供電各有優(yōu)缺點。

1 建筑直流配電的需求與實踐

1.1 建筑與電能

對建筑內(nèi)用電負荷性質(zhì)進行分類研究，發(fā)現(xiàn)有很多負荷需要直流電源。如計算機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、手機充電器、LED照明設(shè)備、電梯、電視機、微波爐、變頻電冰箱、變頻洗衣機、變頻空調(diào)機及將來被廣泛使用的電動汽車電池等。目前只能通過AC/DC轉(zhuǎn)換獲取直流電源。建筑內(nèi)需要直流配電系統(tǒng)，減少電源轉(zhuǎn)換,提高電能的使用效率。

建筑內(nèi)新能源的使用有著巨大的生命力。電梯再生發(fā)電、光伏發(fā)電、微型燃氣輪機、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池等均可向建筑提供直流電源。尤其是電梯再生發(fā)電和光伏建筑一體化(building integrated photovoltaic，BIPV)發(fā)出的是直流電力，如果在發(fā)電的瞬間不能全部使用完畢，可能導(dǎo)致向電網(wǎng)饋電，這往往不能得到電網(wǎng)的允許。使用交流電早已成為消費者的習(xí)慣。建筑內(nèi)使用交流電為主配電系統(tǒng)，考慮到目前DC/DC(直流變直流)轉(zhuǎn)換器越來越便宜，在建筑內(nèi)構(gòu)造直流配電微電網(wǎng)越來越容易實現(xiàn)，從而實現(xiàn)節(jié)約電能指日可待。

1.2 直流配電微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀

為利用可再生能源進行分布式發(fā)電，學(xué)者們提出了微電網(wǎng)(MicroGrid,MG)[1-3]的概念。直流微電網(wǎng)是廣義微電網(wǎng)的一個分支，是結(jié)合了微型電源、負荷和控制裝置的一種電網(wǎng)形式。其中微型電源包括電梯再生發(fā)電、微型燃氣輪機、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池等分布式電源和儲能裝置。通過一條公共的直流母線將所有微電源連接起來成為獨立可控系統(tǒng)。

各國學(xué)者對廣義微電網(wǎng)已經(jīng)有大量研究，但對直流微電網(wǎng)或配電系統(tǒng)研究還較少。美國在微電網(wǎng)方面的研究[4]由三部分組成:① 由美國能源部輸電與能源可靠性辦公室和加利福尼亞能源委員會(CEC)資助的微電網(wǎng)研究計劃；② 由美國能源部與GE公司合作，將微電網(wǎng)的控制、保護與能量管理集成于一體；③ CEC 資助的DUIT項目。歐盟的微電網(wǎng)研究[5-6]主要分為兩個階段:第一階段是歐盟第五框架計劃(FP5)，取得了一些具有啟發(fā)意義的研究成果；第二階段為歐盟第六框架計劃(FP6)，研究內(nèi)容包括控制器、更好的控制策略、控制與通信的集成、標(biāo)準(zhǔn)、微電網(wǎng)的影響及很多的試驗。目前，歐洲的微電網(wǎng)示范項目主要有希臘斯諾斯島微電網(wǎng)、德國曼海姆Wallstadt居民區(qū)示范工程、西班牙LABEIN項目、葡萄牙EDP項目、意大利CESI項目和丹麥ELTRA項目等。日本的微電網(wǎng)研究[7-8]定位于能源供給多樣化、減少污染、滿足用戶的個性化電力需求，強調(diào)微電網(wǎng)的控制與電儲能。目前，日本在微電網(wǎng)示范工程的建設(shè)方面處于世界領(lǐng)先地位。

國內(nèi)直流微電網(wǎng)的研究還剛剛起步。2012年9月14日國家能源局發(fā)布的“關(guān)于申報分布式光伏發(fā)電規(guī)?；瘧?yīng)用示范區(qū)的通知”中，對分布式的光伏發(fā)電項目(含建筑光伏BIPV)實行單位電量定額補貼政策，對自發(fā)自用電量和多余上網(wǎng)電量實行統(tǒng)一補貼標(biāo)準(zhǔn)。

2 建筑直流配電系統(tǒng)的構(gòu)成

目前國內(nèi)建筑中有實際意義的分布式電源包括建筑光伏BIPV和電梯再生發(fā)電。未來會有更多的分布式電源(如微型燃氣輪機、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池等)在建筑內(nèi)使用，不同的分布式電源的控制策略會有差別。

圖1 建筑直流配電系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成及相應(yīng)技術(shù)問題

建筑直流配電系統(tǒng)構(gòu)成由圖1所示。由交流/直流變換器(AC/DC)、直流母線、分布式電源、直流負荷、蓄能器、開關(guān)及保護裝置(圖中未畫出)6部分組成。

[11]對直流配電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)作了綜述。日本人認為直流母線的電壓取380V較為合適并得到了美國人的認可[9]，也可以通過DC/DC變換得到一個45V低電壓構(gòu)成雙母線系統(tǒng)[10-11]，高電壓向功率較大的直流負荷提供電能，低電壓為小功率家用電器服務(wù)。直流配電的保護系統(tǒng)應(yīng)特別引起注意，快速型斷路設(shè)備的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的可靠性，已有較為成熟的經(jīng)驗(見參考文獻[12])可以借鑒。

AC/DC變換器可以由6個IGBT構(gòu)成雙向的變流電路，其作用是當(dāng)建筑內(nèi)分布式電源不能滿足直流負荷用電時，向直流母線提供可控整流。該整流器克服了傳統(tǒng)的二極管橋式整流電路存在的功率因數(shù)低及諧波問題，可以做到PF=1，并且使EMC諧波最小化。當(dāng)分布式電源發(fā)電過剩時，該AC/DC變換器可以將直流側(cè)電能向電網(wǎng)逆變。當(dāng)分布式電源容量較小時，電網(wǎng)可能不允許電能的回饋，此時AC/DC變換器可以采用結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的橋式整流電路，此時電能只能向直流負荷單向傳輸。AC/DC變換器輸出的電壓應(yīng)該低于直流母線電壓，當(dāng)母線電壓低于設(shè)定的閥值時投入工作。

2.2 直流母線電壓控制過程

分布式電源輸出通過設(shè)在DC/DC變換器內(nèi)部的冗余阻抗，防止各個電源之間產(chǎn)生的靜態(tài)及動態(tài)環(huán)流。蓄能器也應(yīng)看做是一個分布式電源，起到吞吐能量的作用。各個電源輸出采用同一電壓構(gòu)成電壓源，其出力大小以輸出電流來衡量。直流母線電壓向上波動時，蓄能器的DC/DC變換器通過調(diào)大充電電流來蓄能，從而使直流母線電壓降低，維持母線電壓恒定。如果當(dāng)蓄能器蓄滿時，母線電壓仍繼續(xù)升高，則應(yīng)啟動AC/DC向電網(wǎng)饋電或關(guān)閉部分分布式電源。當(dāng)直流母線電壓向下波動時，蓄能器通過DC/DC變換器向母線放電維持母線電壓恒定。蓄能器放電達極限值而母線電壓繼續(xù)下降達母線電壓最低閥值時，AC/DC投入整流工作。直流母線電壓的波動應(yīng)該在毫伏級，否則冗余電阻損耗過大。

3 分布式電源及負載的特性

本節(jié)著重討論建筑光伏BIPV、電梯再生發(fā)電、AC/DC及蓄能器的特性。

3.1 BIPV的特性及控制策略

1991年，德國旭格公司首次提出了“光伏發(fā)電與建筑集成化(Building Integrated Photovoltaic，簡稱BIPV)”的概念。BIPV技術(shù)利用光伏電池與建筑物的墻面、遮陽裝置及屋頂相結(jié)合，直接利用建筑物

的受光面，使建筑本身成為一個可以產(chǎn)能的設(shè)施。其特點是功率比光伏電站小得多，一般控制器不大于4kW，而光伏電站多采用100kW～500kW的逆變器。由于BIPV的功率小，故效率低于光伏電站。如果建筑物含有直流配電系統(tǒng)，BIPV就不再需要向電網(wǎng)饋電，同時光伏電池最大功率點(MPPT, Maximum Power Point Tracking)跟蹤控制必須在DC/DC模塊中實現(xiàn)，使每一個光伏組件都工作在最大功率點[19-20]，提高光伏建筑的發(fā)電效率。

3.2 電梯負荷特性

電梯的節(jié)能方案[14-16,18]從不同角度取得了進展。電梯的四象限運行[13]如圖2所示。向上運行含3個工作狀態(tài)：電動、發(fā)電減速及正向回饋制動。向下運行也含3個工作狀態(tài)：電動、發(fā)電減速及正向回饋制動。

(1)正向運行電動狀態(tài)特征：工作在第一象限。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩與參考正方向一致。能量從電網(wǎng)傳向電動機，電動機做正功。

(2)正向減速發(fā)電制動狀態(tài)特征：工作在第二象限。轉(zhuǎn)速和參考正方向一致,電磁轉(zhuǎn)矩可能為負(發(fā)電)。

圖2 電梯的四象限運行

(3)正向運行回饋發(fā)電狀態(tài)特征：工作在第二象限。轉(zhuǎn)速與參考正方向一致,電磁轉(zhuǎn)矩恒為負，為穩(wěn)定發(fā)電狀態(tài)。三、四象限與一、二象限類似。電梯的四個象限運行中，二、四象限各有一個穩(wěn)態(tài)發(fā)電狀態(tài)。

變頻調(diào)速電梯的逆變主電路如圖3所示。該逆變器由三相全橋整流、電容濾波及逆變?nèi)糠纸M成。當(dāng)電梯處于發(fā)電狀態(tài)時，發(fā)出的三相交流電通過逆變器中的反向二極管橋式整流向電容C充電。電梯檢測到Uc升高時開啟開關(guān)管V0,使電流通過R0、V0流向負極。這一過程中電能在R0上消耗掉，否則電容C將被泵升壓擊穿。

如果將能耗電阻R0去掉，在電容C兩端接入雙向可逆DC/DC變換器，然后將該DC/DC變換器輸出端接入直流母線，那么電梯成為建筑內(nèi)的一個分布式電源。同時又是直流母線的一個直流負載。電梯運行過程如果忽略摩擦阻力和電阻，實際上并不消耗電能，只存在與電網(wǎng)的能量交換。我國建筑中電梯已經(jīng)大量應(yīng)用，占全球電梯銷售市場的80%，如果建筑中有直流配電系統(tǒng)，可以節(jié)約巨大的電能。

3.3 AC/DC環(huán)節(jié)的接地問題

直流配電系統(tǒng)采用TN接地方式較為適宜[11]。需要討論的是電源側(cè)的接地點，一定是在AC整流后接地，而不是在交流側(cè)。如果在交流側(cè)接地，那么直流母線正極對地仍然是交流，會對直流系統(tǒng)的抗干擾不利。在電熱地膜采暖工程實踐中，采用交流供電的地?zé)崮は到y(tǒng)漏電嚴(yán)重，甚至不能正常工作。原因是電熱膜對地形成平板電容器，一個20m2的房間工頻漏電流達60mA，使漏電保護器動作。采用橋式整流得到直流電源向地?zé)崮す╇?，工頻漏電流仍然是60mA，原因是橋式整流輸出的直流電與交流部分沒有絕對隔離，橋式整流后的直流電只是在輸出的正負電源之間存在，正極對于第三根地線來說，仍然是交流電。

圖3 電梯逆變主電路

3.4 蓄能器的選擇

蓄能器可以使用蓄電池、超級電容器(super capacitor)及飛輪蓄能。超級電容響應(yīng)速度快，壽命長，是較好的選擇。它是介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲能元件。其容量最大可達上萬法拉，具有無污染、零排放等特點。在建筑直流蓄能系統(tǒng)中，由于電梯具有短時、頻繁運行等特性，導(dǎo)致蓄能裝置充放電頻率非常高，且在絕大多數(shù)情況下并不能完全放電和完全充電，對于蓄電池這種化學(xué)儲能裝置來說，頻繁且不完全地充放電會使得蓄電池表層迅速消耗，將會大大縮短他們的壽命。而超級電容在充放電過程中老化影響非常小，而且超級電容充電儲能沒有記憶性，理論上可以無限次充放電。電池適用于長時間低電流的供電需要，而超級電容器適用于短時間大電流的放電。由此可知，超級電容器功率密度高，其儲能系統(tǒng)可以在短時間內(nèi)將能量迅速釋放出來，而且使用壽命長，效率高，非常適合[17]在建筑儲能系統(tǒng)中使用。

4 結(jié)束語

本文對建筑直流配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及相應(yīng)重要環(huán)節(jié)的特性進行了研究。對當(dāng)前建筑電氣節(jié)能有現(xiàn)實意義的建筑光伏及電梯再生發(fā)電進行了探討，結(jié)論如下:

(1)提出一種建筑直流配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并對直流母線電壓穩(wěn)定方法進行了論述。指出AC/DC及蓄能器的配合控制，是實現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定的根本途徑。

(2)對電梯的四象限運行進行了分析，電梯有兩個象限具有節(jié)能運行的潛力。如果建筑直流配電系統(tǒng)存在，電梯節(jié)能運行更為方便可行。電梯在當(dāng)前建筑中應(yīng)用非常普及，構(gòu)建直流配電系統(tǒng)最先受益的是電梯節(jié)能運行。

(3)結(jié)合一個地?zé)崮ぶ绷髋潆娤到y(tǒng)的案例，指出TN接地點應(yīng)該在AC/DC的直流側(cè)進行。

(4)建議設(shè)計院、大學(xué)等相關(guān)部門聯(lián)合申報建筑直流配電系統(tǒng)示范項目，取得運行經(jīng)驗后與發(fā)達國家同步制定建筑直流配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范。

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