住宅直流供電的可行性探討

鄧志輝，陳偉英

（廣州廣日電氣設備有限公司，廣東廣州 511447）

住宅直流供電的可行性探討

鄧志輝，陳偉英

（廣州廣日電氣設備有限公司，廣東廣州 511447）

為了提高光伏發(fā)電等直流新能源的利用效率，結合現(xiàn)有直流供配電技術及家用電器的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，提出了在住宅中采用直流供配電的方案、微電網(wǎng)系統(tǒng)架構及可能的供電電壓等級，并通過與現(xiàn)有交流220 V供配電系統(tǒng)的綜合對比及試驗驗證，證明了直流供配電在住宅中的可行性。

光伏發(fā)電；直流配電；智能電網(wǎng)；系統(tǒng)架構；供電電壓等級；保護

1 直流住宅概念

直流住宅是指在住宅中采用以太陽能為代表的清潔能源為家庭直接供電，通過電能管理系統(tǒng)以及配置的蓄電池，用直流電力直接驅動直流負載和家用電器。與常見的光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，直流住宅供電不需要通過逆變器與電網(wǎng)進行連接，不僅減少交直流轉換過程中的效率損失，節(jié)約設備成本，同時也可以減少電能在輸電線上的損耗，降低了散熱設計要求。

圖1 直流住宅供電系統(tǒng)示意圖

2 住宅中直流供配電的優(yōu)勢

（1）線路成本低

直流微電網(wǎng)多采取就近發(fā)電、就近消費的理念。發(fā)配電均在本地完成，只有很少的能源需要與附件的遠端交換，僅需要較小的電線就可以實現(xiàn)，所需的建設費用少。

當交直流電有效值相同時，交流電壓的峰值比直流電壓峰值大，因此對電纜的絕緣強度要求也更嚴格，所以直流電纜的成本也要低。

（2）供電可靠性高

直流線路不存在頻率穩(wěn)定和無功功率等問題，且直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，本地均有蓄電池設備，當主電網(wǎng)故障時，本地供配電線路基本不受影響[2]，且可以有效解決電網(wǎng)調峰填谷等問題，當處于用電高峰時還可以向電網(wǎng)逆流饋電，從而為供電可靠性和供電質量保駕護航。

（3）具有環(huán)保優(yōu)勢

直流微電網(wǎng)來源多是綠色可再生能源，采集過程中沒有噪音污染，傳輸過程沒有電磁干擾，直流微電網(wǎng)可以大量減少變電設備（如變壓器、整流器等）的使用，減少原材料（銅、橡膠等）的消耗[2]。

（4）節(jié)能減排

直流微電網(wǎng)采用清潔能源，通過綠色可再生能源的利用來替代能源類資源的消耗。如：火力發(fā)電廠對煤礦等資源的消耗降低約22%，從而減少了二氧化碳等污染物的排放。直流微電網(wǎng)給直流設備（電腦、打印機、直流變頻空調、LED照明、平板電視等）供電時，減少了交流到直流的轉換（AC-DC）次數(shù)，將轉換過程中的能量損失從32%降至10%左右，減少電能的運輸與分配。

3 直流住宅供配電現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

目前，直流住宅供配電技術主要處于實驗室驗證階段，已知報道的直流住宅示范樣板主要為日本夏普公司，但是對于供電電壓等級均沒有詳細討論。參考其他應用領域中已經(jīng)成熟的直流供配電技術，如在電力系統(tǒng)自動化調度系統(tǒng)中，采用了220 VDC系統(tǒng)用作后備控制電源，在飛機直流供配電中，采用了270 VDC和28 VDC供電，在部分IDC數(shù)據(jù)中心中，采用了240 VDC或者380 VDC用作供電電源。

在上述的直流配電方案中，IDC與電廠的供電電源，因負載類型較單一，不如飛機的直流供配電方案更有借鑒作用。

隨著國家對新能源產業(yè)的政策鼓勵及資金支持，直流發(fā)電占比將迅速上升，隨著家用電器直流化趨勢越來越明顯，直流微電網(wǎng)將是解決新能源發(fā)電輸配電及用電的最佳方案，且將帶動整個產業(yè)鏈的革命，有著非常巨大的經(jīng)濟效益。

4 直流住宅項目面臨的挑戰(zhàn)

（1）缺乏統(tǒng)一的直流住宅供配電網(wǎng)絡架構；（2）缺乏直流住宅供配電標準規(guī)范；

（3）缺乏統(tǒng)一的供配電電壓標準；

（4）缺乏直流插座插頭標準及產品；

（5）缺乏相應的專用直流家用電器產品。

5 直流住宅的供電電壓選擇標準

供電電壓等級選擇的原則要根據(jù)技術經(jīng)濟和建設發(fā)展綜合論證選擇確定，要滿足供電需要，技術先進可行，運行靈活可靠，投資經(jīng)濟合理。具體考慮以下幾個方面:

（1）滿足供電區(qū)域內對電力供應的需求，并能適應一定時期內負荷密度的增長;

（2）與未來的直流配電網(wǎng)的改造工作相結合，便于整個配電網(wǎng)的發(fā)展，保證運行靈活、安全可靠、質量合格、經(jīng)濟合理；

（3）設備供應與制造技術上的可能性、可靠性和經(jīng)濟性;

（4）盡量簡化同一配電網(wǎng)內的電壓等級，減少變壓層次;

（5）建設與改造的投資最經(jīng)濟合理;

（6）使用人員的安全，電壓越低，使用越安全。

根據(jù)DL/T5044-2004《電力工程直流系統(tǒng)設計技術規(guī)程》，直流系統(tǒng)標稱電壓控制負荷和動力負荷合并供電的直流系統(tǒng)采用220 V或110 V，在正常運行情況下，直流母線電壓應為直流系統(tǒng)標稱電壓的105%（115.5 V/231 V）。在均衡充電運行情況下，直流母線電壓應滿足如下要求：對控制負荷和動力負荷合并供電的直流系統(tǒng)，應不高于直流系統(tǒng)標稱電壓的110%，直流斷路器的額定電壓應大于或等于回路的最高工作電壓。

參考飛機直流配電系統(tǒng)中采用270 VDC的參考電壓值，以及現(xiàn)有民用斷路器分斷電壓等級，一般為125 VDC/1P，如果選擇2P作為一個回路的分斷，則可以設定供電回路電壓為220 VDC。其好處是，經(jīng)濟性非常好，與110 V比的電線用料，相同功率下的發(fā)熱量，電壓損失等，與270 VDC相比的直流分斷開關，光伏控制器，電池串聯(lián)數(shù)量，儲電安全性等。

圖2 單極性雙電壓供配電網(wǎng)絡

6 直流供配電網(wǎng)架構

在直流微電網(wǎng)研究中，其供電網(wǎng)架構主要有兩種：單極性雙電壓供配電網(wǎng)絡；對稱型雙極性雙電壓供配電網(wǎng)絡[1]。

圖3 雙極性雙電壓供配電網(wǎng)絡

考慮以后系統(tǒng)的承載能力及擴展性，有必要考慮雙極性雙電壓供配電網(wǎng)絡架構，在現(xiàn)有住宅鋪設的L、N、PE三條線路不改變的情況下，既可以滿足現(xiàn)有電器設備使用，又有一定的容量擴展性。

7 DC220 V電壓供電的可能性探討

從表1可以看出，將交流220 V系統(tǒng)改成直流220 V系統(tǒng)的改動要求小，部分負載可以直接使用，經(jīng)濟性最高。

表1 交直流220 V部分特性對比表

8 220 VDC供配電技術可行性

（1）光伏電池

光伏電池的技術已經(jīng)相當成熟，可以大規(guī)模的串并聯(lián)使用，所以對于220 VDC系統(tǒng)，典型的250 W多晶硅電池板需要串聯(lián)的數(shù)量為9～10塊，占地面積約為16 m2，相當容易實現(xiàn)。

（2）光伏控制器

現(xiàn)有的離網(wǎng)光伏控制器成熟產品中，其輸出電壓等級按照功率等級區(qū)分，適用于住宅家庭供電的基本有48 V，96 V，110 V，192 V，220 V，348 V等，顯然可以滿足220 VDC系統(tǒng)使用。

（3）電氣設備及電氣元件

電氣分段設備中，直流斷路器基本以125 V為基準倍增，250 V需要使用2P的斷路器[5]，采用正負極同步分段即可實現(xiàn)，與交流斷路器差別不大，且直流分斷器件中，其過載保護電流與現(xiàn)行交流過載保護電流等級相同，規(guī)格齊全，適合家用。在熔斷器的選擇中，250 V也是一個常用規(guī)格。電路保護器件上可以滿足220 VDC使用。

（4）蓄電池

光伏離網(wǎng)蓄電池分為磷酸鐵鋰電池和鉛酸膠體電池，在鉛酸電池中，單電芯的電壓為2 V/ 12 V，220光伏系統(tǒng)中，通常采用內部12 V電池做最小單元，采用18節(jié)電池串聯(lián)，其額定電壓216 V，有效電壓范圍為189 V～243 V，可以同時滿足電氣分斷保護設備及光伏控制器的電壓要求。

在磷酸鐵鋰蓄電池中，單體電壓約3.3 V，相比鉛酸電池而言串聯(lián)數(shù)量更少，穩(wěn)定性更強。

（5）電線電纜

采用220 V作為住宅直流供電額定電壓，則其峰值小于250 V，按照現(xiàn)行的300 V/450 V絕緣要求，可以直接使用。

（6）插座插頭

嚴格按照直流規(guī)定接線，且配有過流保護設備，插座的問題不大，主要是需要與現(xiàn)有交流插座區(qū)分開，以免燒壞電器設備。同理，插頭需與插座配合使用，此外，直流插座應為有嚴格的正負區(qū)分，在插座插頭的設計中，需考慮防反插設計。

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，未來的直流插座或者插頭均可能帶能源監(jiān)測及管理功能，將更方便直流供配電系統(tǒng)的系統(tǒng)能源管理[3]。

在低壓直流配電網(wǎng)中，常用的交流型多功能接線板和插頭應用于直流電時，接合與斷開的瞬間會產生較大的電弧，給用戶帶來了安全隱患。因此，直流開關、直流插頭和插座的研發(fā)，是推動直流配電網(wǎng)普及應用的基礎性工作。這是目前推廣DC220 V供電系統(tǒng)最大的難點，也是最大的商機。

（7）家用電器

現(xiàn)有的很多電器設備其輸入電壓范圍為85 V～260 Vac，此類設備可以直接接入220 VDC系統(tǒng)[4]，對設備的長期使用也沒有問題，對于輸入電壓為220 Vac的電器設備，需要區(qū)別對待，有些設備可以直接使用，有些設備需要DC/AC逆變才能夠使用。

（8）用電安全

現(xiàn)有交流供配電系統(tǒng)中，用電安全主要通過接地保護來實現(xiàn)，在直流配電系統(tǒng)中，可以采用不接地、高阻接地和低阻接地等方式；在220 VDC系統(tǒng)中，暫時采用的方式是不接地方式[5]，其安全性可以留到后續(xù)驗證。

9 結束語

低壓輸配電標準是一個龐大的系統(tǒng)工程，牽涉到社會的各個層面。從電能輸送容量上看，供電電壓越高越好，從經(jīng)濟、安全及使用成熟度上分析，220 V～250 V是一個比較合適的電壓等級，且使用該電壓等級的樣板住宅已經(jīng)于2012年在筆者所在公司建成并實際應用，經(jīng)過長時間的測試，其可靠性與經(jīng)濟性均有一定的可推廣性。當然，筆者學識有限，考慮問題有欠全面。但從長遠來看，建立一個節(jié)能型社會將是一個永恒的話題。對于直流供電標準這樣一個復雜問題，越早考慮，所需的成本將越小。因此，筆者希望能在此拋磚引玉，以引起更廣泛的社會參與并最終推動標準的建立。

［1］Chunhua Liu.A New DC Micro-grid System Using Re?newable Energy and Electric Vehicles for Smart Energy Delivery［A］.2010 IEEE VPPC［C］.2010：1-6.

［2］Paul Savage，Robert R.Nordhaus，and Sean P.Jamie?son，DC Micro-grids： Benefits and Barriers［R］. YALE School of Forestry&Environmental Studies.

［3］李振杰，袁越.未來智能配電網(wǎng)新的組織形式［J］.電力自動化，2009，33（17）：42-47.

［4］蔡明雄.家庭住宅采用直流供電的分析報告［J］.廣東水利電力職業(yè)技術學院學報，2007，5（4）：59-61.

［5］施耐德公司.直流系統(tǒng)和直流小型斷路器［Z］.2007.

The DC-HOME Micro-Grid Voltage Value Research

DENG Zhi-hui，CHEN Wei-ying
（Electricity Facilities Guangri Ghuangzhou Co.，Ltd.，Guangzhou511447，China）

In order to improve the efficiency of current photovoltaic and other new energy sources，combined with the current status and trends for the development of DC power distribution technology and household appliances，made by using a DC power supply and distribution in residential programs，micro-grid power system architecture and possible voltage level，and with the existing AC220V for a comprehensive comparison and experimental verification of the power distribution system，proved the feasibility of the DC power supply and distribution in residential buildings.

PV solar system；DC distribution；smart micro-grid；system architecture；supply voltage

TM91

A

1009－9492(2014)08－0070－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.020

鄧志輝，男，1975年生，湖南人，大學本科，研究領域：電氣系統(tǒng)設計工作及新能源發(fā)電高效率應用研究。 (編輯：向飛)

2014－07－17