直流樓宇技術初議

謝少軍 肖華鋒 羅運虎

（南京航空航天大學自動化學院 南京 210016）

1 引言

據美國環境保護署（United States Environmental Protection Agency, US EPA）統計，美國樓宇用能占總能源的39%，電力消耗占總消耗的68%，二氧化碳排放量占總排放量的 38%[1]。我國樓宇的電力消耗和碳排放同樣占有相當的比例。因此，樓宇是節能減排的重要對象。

現代樓宇用電設備逐步趨向使用直流電或含直流環節的電能變換器。如IT設備、娛樂視聽設備、LED照明和個人電子設備等均直接使用直流電工作；而空調、洗衣機、打印機等旋轉類設備使用含直流環節的變頻器驅動已成為一種發展趨勢。

隨著常規能源的緊缺，樓宇供電源逐步朝多種類、可持續的方向發展，如光伏建筑一體化（Building Integrated PV, BIPV）、建筑用風力渦輪發電、家用燃料電池發電系統等分布式發電源均取得了長足發展，這些電源產生的電能均為直流電或可經過簡單整流后變為直流電。

從樓宇用電負荷和供電源的發展趨勢可以看出它們表現出的直流特性日趨明顯。這就迫使人們需要重新衡量樓宇供電方式和它的發展方向。

近年來，采用直流總線的直流微網開始得到關注[2-6]，特別是由于低成本和可靠的直流電能分配器件的發展[7]，直流微網技術呈現迅速發展的態勢。本文對直流微網的研究情況進行介紹，主要介紹其特點、起源、研究現狀等方面，著重介紹直流樓宇（DC-Building, DB）的定義、研究內容和關鍵技術。

2 直流供電

目前的電力供應均為交流電，圖1所示為目前廣泛應用的基于交流總線結構的電力供應系統。

圖1 基于交流總線的電力供應系統Fig.1 Power supply system based on AC bus

采用交流供電總線時，來自太陽能等新能源產生的電力，要進行直流到交流的轉換，中間存在電力損失，用戶使用時電能又需要從交流到直流轉換，電能的利用效率受到影響。如圖1所示的系統并沒有很好地實現可再生能源和電能的高效利用。

低碳經濟和人類可持續發展要求探索更高效能的新能源和電能高效利用技術。基于直流總線的分布式電力供應系統成為一種努力和嘗試。直流總線分布式供電系統（直流微網）如圖2所示，采用直流而不是交流作為供電總線，可將太陽能電池、燃料電池等產生的電能直接輸入直流母線供給直流設備，風力發電設備產生的電能也可簡單整流后接入直流總線，因此直流系統中的新能源發電設備的入網接口簡單、電能轉換損失小、能源利用率高。

圖2 基于直流總線的電力供應系統Fig.2 Power supply system based on DC bus

以數據中心供電系統為例，由California Energy Commission （CEC）-Public Interest Energy Research（PIER）和California Institute for Energy Efficiency（CIEE）聯合發布的數據說明，在當前廣泛采用的以交流配電的供電系統中，電網提供的交流電經過一次交流到直流的轉換，變成直流電供給蓄電裝置后，還要經過直流/交流轉換成交流電分配給服務器等設備，然后在設備內部再次經過交流/直流轉換，變成直流電之后使用。這樣，電網提供的電力要反復進行3次交流/直流的轉換，即使各環節的轉換效率達到90%，經過3次轉換也會造成約27%的電力損失。如果將交流配電架構改變為直流配電架構，利用轉換效率超過 90%的交流/直流轉換器在電網電力的供電口進行一次性轉換，然后供蓄電池和設備使用，數據中心的電力消耗就可削減 10%～20%左右，同時被削減的還有這些損耗的電力所產生的熱和為其付出的制冷能耗。

回顧飛機供電系統的發展歷程:初期28V低壓直流電，到獲得普及的 115V/400Hz恒頻交流電，再到 270V高壓直流和變頻交流電等新供電體制在先進飛機中應用。可以看出，直流和交流供電將互為補充，而并非互為排斥。隨著大量用電終端設備采用直流電，可以預測直流供電將逐漸在用電終端的局部區域獲得應用，具有很好的前景。

3 直流微網的研究現狀

2008年美國 ABB公司提出和推廣了基于直流總線的微電網架構[2]，圖 3為其示意圖。其實在此之前，日本學者已經提出了直流微網（DC Microgrid）的構想[3-4]。相比交流總線的微電網，直流微網可以為用戶提供高可靠性和高質量的電力供應[5-6]。關于直流微網技術的研究，目前國外各研究機構均處于起步階段。

圖3 直流微電網架構Fig.3 DC Micro-grid proposed by ABB

美國弗吉尼亞理工大學CPES（Center for Power Electronics Systems）中心2007年提出了“Sustainable Building Initiative（SBI）”研究計劃[8]，為未來家庭和其他樓宇提供電力。CPES的SBI系統構架如圖4所示，實驗平臺計劃包括一臺 3.5kW 風力發電機、一個 5kW光伏陣列、鋰電池儲能單元和混合動力汽車充電接口等；系統包含兩種電壓等級直流母線:DC300V和 DC48V；最后整個直流供電系統通過一臺雙向 DC-AC變換器接入大電網。隨著研究的深入，CPES于2010年將SBI發展為SBN（Sustainable building and nanogrids），并將直流母線電壓由DC300V提升至DC380V。

圖4 CPES發展的可持續直流供電系統Fig.4 SBI project proposed by CPES

由Alex Q.Huang教授領銜的以北卡羅來納州立大學（NC State University）等5所核心大學和31家工業合作伙伴組成的FREEDM（Future Renewable Electric Energy Delivery and Management）系統中心，獲得了美國NSF的資助，著力發展“電力互聯網”，采用固態變壓器取代常規的工頻變壓器等。在FREEDM系統中將未來家庭作為一個能量單元，采用DC400V BUS供電[9]。

韓國政府專門成立了智能微電網研究中心（Research Center for Intelligent Micro-Grid），投資約272萬美元計劃于2011年3月前建立起直流微網供電系統，研究的重點集中在直流電分配、功率變換器和控制及通信系統三方面，系統結構如圖5所示。項目由韓國明知大學（Myongji University）Byung Moon Han教授負責實施[10]。

圖5 韓國智能微電網研究中心計劃發展的直流微電網架構Fig.5 DC microgrid developed by Korea research center for intelligent micro-grid

電力以直流形式提供給用戶和負載使用的演示系統和技術開發在日本受到學術界和工業界的熱捧[3-4,13-14]，發展最為迅速，特別是在家庭供電和數據中心供電等場合。日本的東北大學研究生院環境科學研究系于2008年12月17日宣布，與NEC東金、住友商事和積水建房共同實施了將太陽能電池產生的直流電直接儲存于鋰離子電池，并以直流形式直接供給家用電器的試驗。據東北大學研究生院環境科學研究系推測，如果使用1kW左右的太陽能電池板，并使家電支持直流供電，可使用4個小時，來自家庭的CO2排放量大約能夠減少40%。為了普及直流供電的應用，NTT FACILITIES和富士通元件（Fujitsu Component）宣布，開發出了可支持400V左右高壓直流供電系統的電源分配器和電源插頭，解決了直流供電實用化所面臨的技術問題——直流電源電路斷路和閉合時的電弧以及危及人體安全的問題。此次開發的產品在插座中內置了機械式觸點，由于沒有使用半導體及復雜的機械裝置，因此插座內部的耗電量基本為零。另外，使用的部件數量也很少，因此價格低廉并具有較高的可靠性。

日本大阪大學（Osaka University）Toshifumi Ise教授課題組研究的直流微網結構如圖6所示[11-12]，PCC端的230V交流電由降壓變壓器從6.6kV配電網直接獲得，然后通過雙向整流器變換為±170V直流電壓。一個燃氣輪機通過背靠背變換器直接連接到 230V交流電，蓄電池和超級電容等儲能設備通過雙向斬波器連接到直流母線，光伏電池同樣通過DC-DC變換器直接連到直流母線。基于直流母線，可以通過電力電子變換器得到多種電力供應，如單向AC100V、三相AC200V和DC100V等。

圖6 大阪大學發展的直流供電結構Fig.6 DC micro-grid proposed by Osaka university

此外，在新加坡、中國臺灣等國家和地區均有關于直流微網的研究。

美國和日本目前在直流微網的研究方面處在領先的地位。2009年12月7～8日在日本東京召開了第一屆GBPF（Green Building Power Forum）會議，會議中提出了以DC380V作為數據中心直流供電標準，討論了電源和用電設備的規格、電源品質測量和供電系統結構等問題，舉行了“EPRI DC Power Partners”和“Japan DC Power Industrial Partners”聯合會議。2010年1月25～27日在美國加尼弗尼亞召開了第二屆GBPF會議，除討論直流供電系統的結構、標準和加速推進直流供電應用外，廣泛涉及到樓宇供電的各方面技術，包括可再生能源發電、高效照明、無線樓宇自動化、樓宇能源需求側管理等問題。2010年4月Darnell Group發布了第一版的“樓宇直流供電:經濟因素、應用驅動、架構/技術、標準和規劃制訂”研究報告[15]。2011年元月24～26日在美國硅谷召開第三屆GBPF會議，會議的主題圍繞“直流供電的挑戰、成就和機遇”和“創造柔性、動態的電力架構”等方面進行。

4 直流樓宇

相對交流供電而言，直流供電有很多好處，如:對線路的絕緣性能要求比同等級交流低、同等有效電流下線路損耗小、用于照明時不會出現頻閃的現象、容易實現不間斷供電、可簡化電源和現代化用電設備的設計而降低其成本等。但采用直流供電也存在需附加電能供應設備、用電設備需適應性改造、直流配電器件成本高且可靠性還較低等問題。目前較大規模應用直流供電系統還存在技術性與經濟性難題，但在數據中心、教學科研中心、高端物業等場合構建直流微網有很好的綜合特性，符合低碳發展方向。

針對樓宇的供電問題，本文特別給出“直流樓宇”的定義如下:直流樓宇（DB）是一種由負荷和微電源（即樓宇中的分布式電源，如光伏發電、風力發電、燃料電池和微型渦輪機等）共同組成的直流供電體系，它可同時為樓宇提供電能、熱能和冷能，樓宇內部的電源主要由電力電子設備負責能量的轉換，并提供必須的控制。圖7為直流樓宇接入常規輸配網中，一般來講，DB位于低壓配網的末端，緊靠用電負荷。

圖7 直流樓宇接入電網Fig.7 Grid-connection for DC-buildings

直流樓宇技術包括直流分配系統、分布式發電源、高效照明系統、樓宇自動化、需求側管理、系統能量管理等。

5 直流樓宇的關鍵技術

直流樓宇的推廣應用還需要基于一系列基礎問題的研究。直流樓宇的關鍵性基礎技術主要包括以下幾個方面:

5.1 直流樓宇的能源供應和使用架構、體系及技術標準

隨著分布式發電源技術的逐步成熟，直流樓宇的供電源種類非常豐富，既可以包括可再生能源，如光伏、風力發電；還可包括不可再生能源，如燃料電池、燃氣渦輪機；以及主要基于化石燃料的大電網和各類儲能裝置。它們的不同組合方式可以滿足樓宇的不同需求。直流供電架構和電壓等級涉及到安全、經濟性和供電質量等方面[11-12]，對直流樓宇標準形成有重要意義[15]。

5.2 直流樓宇的可再生能源、不可再生能源、儲能設備和交流電網接口等容量的優化配置

直流樓宇實施面臨的首要問題是如何為目標樓宇設計優化的安全供電容量和應對事故的備用容量[16]，包括可再生能源、不可再生能源、儲能設備和交流電接口單元。它對直流樓宇的經濟可行性評估有重要作用。

可再生發電源的配置不同于常規的發電單元，其規劃問題面臨很多不確定因素的影響，如可再生發電源的出力不確定性。另外，除了考慮經濟收益外還要計及環境收益，增加了優化工作的復雜性。因此，原有的電網規劃方法不再適應新環境下的系統規劃要求，必須對原有規劃思路和方法進行擴展和創新，為直流樓宇的系統規劃工作建立理論基礎。

5.3 直流樓宇的多源協調控制和需求側管理

直流樓宇中供電源種類繁多、可控程度不同，同時供電系統存在與大電網并網運行、孤島運行、并網孤島過渡過程和直流樓宇黑啟動過程等多種運行狀態，從而要求實現直流樓宇內各供電源協調控制。現有的交流微網運行控制模式有主從控制模式、對等控制模式（如Droop控制）和分層控制模式（如Agent技術）等[17-19]，直流微網也應結合自身特點尋求適合的運行控制技術才能應付上述復雜的運行狀態[20-21]。

直流樓宇中的供電源和負載均通過電力電子設備連至直流母線，分布式能量源可以實現電、熱、冷聯產，這些技術優勢為直流樓宇的需求側管理提供了有利條件。

5.4 直流樓宇的穩定性、保護理論、配電與保護器件基礎和技術

直流供電系統的穩定性分析相比交流系統復雜性大幅降低，使得關注焦點集中在直流母線電壓的穩定，需要深入研究儲能設備對直流樓宇穩定運行的作用機理。

直流樓宇中潮流雙向流通，且隨著系統結構和分布式發電源數量的不同，短路電流計算困難，常規的保護算法失效[22]。需研究新型的保護理論，以保證直流樓宇正常并網運行時，內部電氣設備發生故障和故障切除后直流樓宇系統繼續安全穩定地并網運行；在直流樓宇外部的配電系統部分發生故障時，應在可靠定位與切除故障的前提下確保直流樓宇與主網解列后繼續可靠運行，并且解列后的直流樓宇再次故障時仍能夠可靠切除故障設備。

另外，針對直流樓宇有一個特殊的研究內容是高壓大容量直流配電技術的發展，開發出低成本、低功耗、高可靠性的直流配電和用電接口是推動直流樓宇內直流設備普及應用的基礎性工作[23]。

5.5 高滲透率下直流樓宇與交流電網、電動汽車的相互作用

當大量的直流樓宇接入大電網后，直流樓宇與大電網作用將十分復雜，需研究高滲透率下直流樓宇對大電網的運行特性的影響，如對大電網穩定性的影響。

同樣地，電動汽車接入直流樓宇，與直流樓宇之間可以存在雙向能量交換，電動汽車與直流樓宇相互作用對直流樓宇的容量優化、能源管理和系統穩定性有重要影響。

高滲透率下直流樓宇與交流電網、電動汽車的相互作用機理研究就是要揭示它們相互作用的本質，發展相關的理論和方法，為低壓交流配電網和直流樓宇配電網的穩定分析與控制奠定理論基礎。

5.6 直流微網中的高效高可靠電力變換器技術

直流樓宇中基于電力電子技術的源和負載變換器的輸入輸出特性不同于交流供電架構，變換器的拓撲、控制和遙控技術為電力電子技術的應用開辟了新的應用領域[24]。

樓宇的照明電力消耗比重大，LED照明有望取代普通照明器件，實現節能、環保、壽命長和體積小。開展基于直流供電的LED光源成組、封裝和驅動技術研究有很好的市場前景。

5.7 直流樓宇設備柔性互聯、能源自優化、健康監測的網絡基礎

正如在常規的電力系統中可以通過對發電機的節能調度實現節能降損一樣，通過樓宇設備柔性互聯和能源自優化可實現直流樓宇高效經濟運行。同常規的電力系統相比，直流樓宇中的因素更多，如樓宇電熱冷需求情況、氣候狀況、電價、燃料消耗、電壓質量、零售服務需求、需求側管理要求和擁塞水平等，可以在滿足系統運行約束的條件下，實現直流樓宇的優化運行與能量的合理分配，最大限度地利用可再生能源，保證整個直流樓宇運行的經濟性。研究直流樓宇的優化控制與調度理論和方法，正是這一研究領域重點關注的問題。

基于物聯網技術的直流樓宇網絡為智能樓宇實現提供基礎，實現直流樓宇設備、電能質量、環境的健康監測。

6 結論

（1）直流微網是一種新興的供電結構，符合低碳發展方向，近年來發展很快，美、日、歐等發達國家正大力推進“直流樓宇”的研究和應用工作。

（2）直流樓宇適合新一代驅動設備、辦公設備和數字家電的供電，更利于光伏發電、燃料電池和風力發電等分布式能源的接入，在用電終端的局部區域將獲得應用。

（3）直流樓宇的關鍵技術包括供電架構、系統規劃、運行控制、能量管理、保護策略、儲能技術、照明系統、高效電力變換器和樓宇自動化等，為電力電子技術開拓了新的應用場合。

（4）我國應重視和加快直流樓宇技術研究，期望有更多的機構、企業參與直流樓宇這一新興的綠色電力技術的研究與發展。

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