民用建筑中低壓直流配電技術(shù)的合理應(yīng)用

秦 凱

（國(guó)防工程研究院，北京 100036）

0 引 言

隨著新科技、新能源以及節(jié)能技術(shù)的不斷發(fā)展，直流配電技術(shù)日新月異，促使分布式電源的應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛。在此情況下，供應(yīng)和需求推動(dòng)了直流技術(shù)的發(fā)展。尤其是在民用建筑領(lǐng)域，直流配電設(shè)施已經(jīng)成為必備的設(shè)施。

1 民用建筑中直流配電技術(shù)的應(yīng)用

1.1 蓄電池組構(gòu)成的直流控制電源

圖1是一種蓄電池組常見(jiàn)的構(gòu)成形式，其中包含直流屏、蓄電池組以及充電裝置。這種蓄電池組在各類(lèi)變電站中有著廣泛應(yīng)用，不僅能夠在正常工作狀態(tài)下為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電能，還能有效抵御突發(fā)事故對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響。某種程度上，這種蓄電池組可以看作是直流不停電電源系統(tǒng)，又被稱(chēng)為直流屏系統(tǒng)或直流控制電源系統(tǒng)[1]。

1.2 通信系統(tǒng)-48 V供電系統(tǒng)

市電經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電源是通信系統(tǒng)-48 V供電系統(tǒng)變換至直流的主要方式，也可以對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充，完成設(shè)備供電。該系統(tǒng)采用正極接地的模式。由于空氣有一定濕度，因此在正極接地時(shí)能夠使直流電電解空氣中的水分，從而起到保護(hù)系統(tǒng)的作用。這種情況能夠保護(hù)繼電器線(xiàn)徑較細(xì)的線(xiàn)圈部分，受腐蝕的則是具有較大體積的鐵芯部分，這是采取正極接地設(shè)計(jì)的主要原因[2]。

1.3 數(shù)據(jù)中心中直流配電技術(shù)的應(yīng)用

在數(shù)據(jù)中心，直流配電技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛。例如，336 V直流供電技術(shù)在中國(guó)移動(dòng)常規(guī)業(yè)務(wù)中有廣泛的應(yīng)用，240 V直流供電技術(shù)在中國(guó)電信中有著廣泛應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)，直流系統(tǒng)能夠減少DC/AC變換環(huán)節(jié)，也能直接實(shí)現(xiàn)直流電的輸出。同時(shí)，由于系統(tǒng)中沒(méi)有AC/DC環(huán)節(jié)，因此整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)能夠得到有效簡(jiǎn)化。圖2為常規(guī)36 V直流供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

1.4 照明調(diào)光

直流集中柜是照明調(diào)光的關(guān)鍵部件，主要由配電電源、檢測(cè)控制單元以及整流模塊等部分組成。在配電整流裝置內(nèi)，交流電通過(guò)整流模塊變成200～300 V的直流電。電流經(jīng)出線(xiàn)開(kāi)關(guān)給燈具供電，而燈具內(nèi)部會(huì)布設(shè)DC-DC電源模塊，負(fù)責(zé)對(duì)LED燈具直流電進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到照明調(diào)光等功能。該技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)直流供電電壓完成調(diào)光控制，同時(shí)能夠有效控制成本，不需鋪設(shè)調(diào)光線(xiàn)。相比其他方式，它對(duì)電壓的控制范圍更寬，能夠適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境，因此在大型公共場(chǎng)所照明、軌道交通照明以及舞臺(tái)照明等方面有著十分廣泛的應(yīng)用。

1.5 消防應(yīng)急照明方面的應(yīng)用

A型燈具在疏散指示系統(tǒng)和消防應(yīng)急照明系統(tǒng)中有著十分廣泛的應(yīng)用。這類(lèi)燈具中普遍使用DC 36 V電壓進(jìn)行供電。消防照明系統(tǒng)中除了包括A型集中電源外，還包括疏散燈具、集中控制系統(tǒng)以及相應(yīng)的應(yīng)急照明燈具等。

圖2 36 V直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.6 結(jié)合分布式電源和用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能的低壓直流配電微網(wǎng)

近年來(lái)，結(jié)合分布式電源和用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能的低壓直流配電微網(wǎng)得了迅速發(fā)展。這種系統(tǒng)應(yīng)用分布式電源和用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能技術(shù)，在直流空調(diào)、直流照明、新能源直流汽車(chē)充電樁以及一體化智能微電網(wǎng)系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)交流市電轉(zhuǎn)換為直流電主要依靠主變換器。另外，系統(tǒng)中還包括直流母線(xiàn)、電池以及儲(chǔ)能變換器等設(shè)備[3]。

2 電費(fèi)計(jì)費(fèi)模式與直流微網(wǎng)的運(yùn)行模式

圖3為目前工程內(nèi)普遍采用的直流微網(wǎng)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，需解決分布式電源輸出的電能儲(chǔ)存方式和使用方式、微網(wǎng)對(duì)市電網(wǎng)并網(wǎng)以及買(mǎi)賣(mài)電能等操作問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇直流微網(wǎng)運(yùn)行模式的同時(shí)，需要技術(shù)人員分析項(xiàng)目與市政電網(wǎng)之間的接入關(guān)系。一方面，系統(tǒng)并入市政電網(wǎng)有并入上網(wǎng)、并入但不上網(wǎng)以及孤島運(yùn)行3種形式，因此并入電網(wǎng)時(shí)需要提前與市政電力部門(mén)溝通確定。如果接入形式為并網(wǎng)且上網(wǎng)，則需要聯(lián)系供電部門(mén)，由電力設(shè)計(jì)部門(mén)結(jié)合實(shí)際情況出具接入并網(wǎng)系統(tǒng)報(bào)告，進(jìn)而明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)先決條件。另一方面，技術(shù)人員需要重點(diǎn)管制電費(fèi)計(jì)費(fèi)機(jī)制，這對(duì)直流微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益控制影響很大。分布式電源輸出的電能和儲(chǔ)能系統(tǒng)中存儲(chǔ)的電能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與電費(fèi)計(jì)價(jià)機(jī)制有著密切關(guān)系。單一制電價(jià)是指以純電量作為計(jì)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，目前多用于居民用戶(hù)用電計(jì)費(fèi)[4]。在工商業(yè)用戶(hù)用電計(jì)價(jià)中，單一制電價(jià)機(jī)制和兩部制電價(jià)機(jī)制同時(shí)存在。

圖3 低壓直流配電系統(tǒng)示意圖

兩部制電價(jià)由基本電價(jià)和電度電價(jià)組成?；倦妰r(jià)根據(jù)用戶(hù)負(fù)荷準(zhǔn)備的容量確定，是一筆固定費(fèi)用，電度電價(jià)則由用戶(hù)的用電量乘以單位電價(jià)確定。權(quán)重疊加是計(jì)算兩部制電價(jià)的主要方式，其中包括基本電價(jià)和計(jì)費(fèi)電價(jià)，因此兩部制電價(jià)模式涉及基本電價(jià)和電度電價(jià)兩部分費(fèi)用。一個(gè)月中每15 min平均負(fù)荷的最大值稱(chēng)為用戶(hù)最大需用量，是確定基本電價(jià)的計(jì)算依據(jù)。在開(kāi)始計(jì)價(jià)前，用電部門(mén)會(huì)先和用戶(hù)簽訂合同，從而確定限額。限額一般為每個(gè)月用戶(hù)申報(bào)的一個(gè)最大需量，隨后將這一數(shù)字乘以37.8元/kW·h。值得注意的是，基本電價(jià)不受實(shí)際用電量的影響，且不論企業(yè)用電量處于何種狀態(tài)，都需要繳納基本電費(fèi)。按照用電單位的實(shí)際用電量計(jì)算可以得到電度電費(fèi)，一般會(huì)根據(jù)不同時(shí)間段對(duì)消耗的電量數(shù)進(jìn)行累計(jì)計(jì)算，隨后乘以峰谷時(shí)段對(duì)應(yīng)的電價(jià)進(jìn)行累計(jì)計(jì)算。某個(gè)月用戶(hù)的電費(fèi)是基本電費(fèi)與電度電費(fèi)的和。

為了能夠進(jìn)一步明確不同收費(fèi)方式之間的差異，當(dāng)?shù)仉姌I(yè)部門(mén)統(tǒng)計(jì)當(dāng)?shù)胤骞葧r(shí)段的電度單價(jià)，發(fā)現(xiàn)在非夏季，相比單一制來(lái)說(shuō)，兩部制曲線(xiàn)峰谷差距更大。從峰谷電度電價(jià)差距來(lái)看，兩部制電價(jià)差距更大。大部分時(shí)段下，單一制的數(shù)值要高于兩部制，在谷段和平段，兩部制電價(jià)低于單一制。分析峰值時(shí)段可以發(fā)現(xiàn)，單一制電度電價(jià)低于兩部制，且這種情況較為特殊，這是因?yàn)椴扇刹恐剖召M(fèi)的用戶(hù)每月需要根據(jù)最大需量完成基本電費(fèi)的繳納?？偟膩?lái)說(shuō)，兩部制電價(jià)低于單一制電價(jià)是正常的情況。

3 用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能

在用戶(hù)側(cè)安裝儲(chǔ)能設(shè)備，被稱(chēng)為用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能，通常應(yīng)用于某些建筑領(lǐng)域。在這種情況下，用戶(hù)可以根據(jù)自身電能消耗情況、相關(guān)設(shè)施以及電路布置情況控制儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，也能根據(jù)分時(shí)電價(jià)完成削峰填谷控制電費(fèi)的功能。

電池管理系統(tǒng)、變換器以及電池堆是儲(chǔ)能電源的主要模塊，電能雙向轉(zhuǎn)換主要依靠?jī)?chǔ)能變換器實(shí)現(xiàn)。具體來(lái)說(shuō)，電能會(huì)在充電狀態(tài)時(shí)儲(chǔ)存在儲(chǔ)能設(shè)備中，當(dāng)系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時(shí)，儲(chǔ)能裝置存儲(chǔ)的電能會(huì)輸送到微網(wǎng)中。電能的存儲(chǔ)和釋放主要依靠電池堆完成，有富余的電量存在于電網(wǎng)，需要電池堆完成電能吸收并將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。反之，在電網(wǎng)需要能量的時(shí)候，電池堆則能將之前蓄積的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能并輸送到電網(wǎng)中。電池管理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電池電壓、溫度以及電流等參數(shù)，進(jìn)而有效控制欠壓和過(guò)壓等問(wèn)題。另外，設(shè)備能管理充放電均衡，避免出現(xiàn)電池間的一致性差異，從而有效提升電池組的能量利用率[5]。

隨著各類(lèi)科研活動(dòng)的開(kāi)展，電池儲(chǔ)能技術(shù)飛速發(fā)展，但同時(shí)面臨巨大挑戰(zhàn)。第一，電池循環(huán)壽命仍然達(dá)不到理想標(biāo)準(zhǔn)。電池經(jīng)過(guò)一次充電和放電的過(guò)程叫做一次循環(huán)，在一定條件下，電池在工作到某一容量規(guī)定值前，能夠承受的循環(huán)次數(shù)為循環(huán)壽命。不同的蓄電池的循環(huán)壽命有一定的區(qū)別。研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品性能和維護(hù)質(zhì)量都會(huì)影響蓄電池循環(huán)壽命，在某些場(chǎng)景下，蓄電池主要追求可靠性，并作為市電備用存在，因此不需要有較高的循環(huán)壽命，但是需要對(duì)浮充壽命進(jìn)行更深層次的研究。正常用的儲(chǔ)能電池，需要具有較高的循環(huán)壽命，才能保證電池能夠平穩(wěn)完成每天的谷充峰放，保證一天多次充放的平穩(wěn)運(yùn)行。第二，消防安全對(duì)實(shí)際應(yīng)用有著重要的意義。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，很多蓄電池室都設(shè)計(jì)了滿(mǎn)足閥控式密封鉛酸電池的設(shè)施，但是很少能夠設(shè)計(jì)滿(mǎn)足鋰電池工作需求的設(shè)施，同時(shí)缺少相關(guān)的技術(shù)規(guī)范。因此，如果設(shè)計(jì)人員需要將鋰電池布設(shè)在地下室內(nèi)，則應(yīng)該深入思考和設(shè)計(jì)火災(zāi)的防范措施，尤其需要結(jié)合目前鋰電池的應(yīng)用形式，思考引發(fā)火災(zāi)的技術(shù)點(diǎn)。一般建議將鋰電池布設(shè)在室外環(huán)境中，并要求其與建筑和人員活動(dòng)區(qū)域保持一定的距離。第三，在每千瓦時(shí)的系統(tǒng)初始投資成本上看，鉛酸電池的成本最小，全釩液流電池的成本最高，磷碳鐵鋰電池的成本相對(duì)居中。

4 項(xiàng)目所在地的客觀情況

項(xiàng)目所在地的自然環(huán)境對(duì)分布式電源的種類(lèi)會(huì)產(chǎn)生一定影響。具體來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)往往會(huì)優(yōu)先選擇光伏發(fā)電系統(tǒng)，而具有豐富風(fēng)能資源的地區(qū)則會(huì)優(yōu)先選用風(fēng)力發(fā)電。在偏遠(yuǎn)地區(qū)，市政電網(wǎng)很難布設(shè)在相應(yīng)地點(diǎn)，但是這類(lèi)地區(qū)往往擁有豐富的土地資源，因此會(huì)優(yōu)先選擇風(fēng)力發(fā)電和露天式儲(chǔ)能裝置等。對(duì)于城市中心，則會(huì)采用以交流配電系統(tǒng)為主直流配電系統(tǒng)為輔的形式，實(shí)現(xiàn)值班照明等需求[6]。

5 結(jié) 論

綜上所述，想要真正通曉民用建筑中低壓直流配電技術(shù)的合理應(yīng)用，需要技術(shù)人員深入了解民用建筑的功能需求，同時(shí)需要掌握目前常用的集中布設(shè)方式和系統(tǒng)特點(diǎn)，結(jié)合項(xiàng)目所在地的實(shí)際情況選擇適合的設(shè)備及系統(tǒng)，深入系統(tǒng)本身研究系統(tǒng)現(xiàn)存的問(wèn)題，從而為開(kāi)拓技術(shù)發(fā)展方向提供參考和借鑒。另外，要深入具體的案例分析技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)和目前技術(shù)應(yīng)用中容易忽略的問(wèn)題，進(jìn)而從多個(gè)角度促進(jìn)低壓直流配電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。