建筑直流配電系統(tǒng)研究

丁 寶 / 張 進(jìn) / 趙 亮 / 付賓朋

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)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(zhǎng)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(jìn)行殊死論戰(zhàn)，最后以特斯拉的交流系統(tǒng)獲勝。100年來(lái)，人們更清楚地認(rèn)識(shí)到了交流供電和直流供電各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1 建筑直流配電的需求與實(shí)踐

1.1 建筑與電能

對(duì)建筑內(nèi)用電負(fù)荷性質(zhì)進(jìn)行分類研究，發(fā)現(xiàn)有很多負(fù)荷需要直流電源。如計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、手機(jī)充電器、LED照明設(shè)備、電梯、電視機(jī)、微波爐、變頻電冰箱、變頻洗衣機(jī)、變頻空調(diào)機(jī)及將來(lái)被廣泛使用的電動(dòng)汽車電池等。目前只能通過(guò)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?xì)廨啓C(jī)、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(fèi)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(lái)越便宜，在建筑內(nèi)構(gòu)造直流配電微電網(wǎng)越來(lái)越容易實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)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(jìn)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(gè)分支，是結(jié)合了微型電源、負(fù)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?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池等分布式電源和儲(chǔ)能裝置。通過(guò)一條公共的直流母線將所有微電源連接起來(lái)成為獨(dú)立可控系統(tǒng)。

各國(guó)學(xué)者對(duì)廣義微電網(wǎng)已經(jīng)有大量研究，但對(duì)直流微電網(wǎng)或配電系統(tǒng)研究還較少。美國(guó)在微電網(wǎng)方面的研究[4]由三部分組成:① 由美國(guó)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(huì)(CEC)資助的微電網(wǎng)研究計(jì)劃；② 由美國(guó)能源部與GE公司合作，將微電網(wǎng)的控制、保護(hù)與能量管理集成于一體；③ CEC 資助的DUIT項(xiàng)目。歐盟的微電網(wǎng)研究[5-6]主要分為兩個(gè)階段:第一階段是歐盟第五框架計(jì)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(jì)劃(FP6)，研究?jī)?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(yàn)。目前，歐洲的微電網(wǎng)示范項(xiàng)目主要有希臘斯諾斯島微電網(wǎng)、德國(guó)曼海姆Wallstadt居民區(qū)示范工程、西班牙LABEIN項(xiàng)目、葡萄牙EDP項(xiàng)目、意大利CESI項(xiàng)目和丹麥ELTRA項(xiàng)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(gè)性化電力需求，強(qiáng)調(diào)微電網(wǎng)的控制與電儲(chǔ)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(guó)內(nèi)直流微電網(wǎng)的研究還剛剛起步。2012年9月14日國(guó)家能源局發(fā)布的“關(guān)于申報(bào)分布式光伏發(fā)電規(guī)模化應(yīng)用示范區(qū)的通知”中，對(duì)分布式的光伏發(fā)電項(xiàng)目(含建筑光伏BIPV)實(shí)行單位電量定額補(bǔ)貼政策，對(duì)自發(fā)自用電量和多余上網(wǎng)電量實(shí)行統(tǒng)一補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)。

2 建筑直流配電系統(tǒng)的構(gòu)成

目前國(guó)內(nèi)建筑中有實(shí)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(lái)會(huì)有更多的分布式電源(如微型燃?xì)廨啓C(jī)、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(huì)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(wèn)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(fù)荷、蓄能器、開關(guān)及保護(hù)裝置(圖中未畫出)6部分組成。

[11]對(duì)直流配電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)作了綜述。日本人認(rèn)為直流母線的電壓取380V較為合適并得到了美國(guó)人的認(rèn)可[9]，也可以通過(guò)DC/DC變換得到一個(gè)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(fù)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(hù)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(yàn)(見參考文獻(xiàn)[12])可以借鑒。

AC/DC變換器可以由6個(gè)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(fù)荷用電時(shí)，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(wèn)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(guò)剩時(shí)，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(shí)，電網(wǎng)可能不允許電能的回饋，此時(shí)AC/DC變換器可以采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的橋式整流電路，此時(shí)電能只能向直流負(fù)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(shí)投入工作。

2.2 直流母線電壓控制過(guò)程

分布式電源輸出通過(guò)設(shè)在DC/DC變換器內(nèi)部的冗余阻抗，防止各個(gè)電源之間產(chǎn)生的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)環(huán)流。蓄能器也應(yīng)看做是一個(gè)分布式電源，起到吞吐能量的作用。各個(gè)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(lái)衡量。直流母線電壓向上波動(dòng)時(shí)，蓄能器的DC/DC變換器通過(guò)調(diào)大充電電流來(lái)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(shí)，母線電壓仍繼續(xù)升高，則應(yīng)啟動(dòng)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(dòng)時(shí)，蓄能器通過(guò)DC/DC變換器向母線放電維持母線電壓恒定。蓄能器放電達(dá)極限值而母線電壓繼續(xù)下降達(dá)母線電壓最低閥值時(shí)，AC/DC投入整流工作。直流母線電壓的波動(dòng)應(yīng)該在毫伏級(jí)，否則冗余電阻損耗過(guò)大。

3 分布式電源及負(fù)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(guó)旭格公司首次提出了“光伏發(fā)電與建筑集成化(Building Integrated Photovoltaic，簡(jiǎn)稱BIPV)”的概念。BIPV技術(shù)利用光伏電池與建筑物的墻面、遮陽(yáng)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(gè)可以產(chǎn)能的設(shè)施。其特點(diǎn)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(shí)光伏電池最大功率點(diǎn)(MPPT, Maximum Power Point Tracking)跟蹤控制必須在DC/DC模塊中實(shí)現(xiàn)，使每一個(gè)光伏組件都工作在最大功率點(diǎn)[19-20]，提高光伏建筑的發(fā)電效率。

3.2 電梯負(fù)荷特性

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

(1)正向運(yùn)行電動(dòng)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(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)做正功。

(2)正向減速發(fā)電制動(dòng)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(fù)(發(fā)電)。

圖2 電梯的四象限運(yùn)行

(3)正向運(yùn)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(fù)，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(gè)象限運(yùn)行中，二、四象限各有一個(gè)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(shí)，發(fā)出的三相交流電通過(guò)逆變器中的反向二極管橋式整流向電容C充電。電梯檢測(cè)到Uc升高時(shí)開啟開關(guān)管V0,使電流通過(guò)R0、V0流向負(fù)極。這一過(guò)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(gè)分布式電源。同時(shí)又是直流母線的一個(gè)直流負(fù)載。電梯運(yùn)行過(guò)程如果忽略摩擦阻力和電阻，實(shí)際上并不消耗電能，只存在與電網(wǎng)的能量交換。我國(guó)建筑中電梯已經(jīng)大量應(yīng)用，占全球電梯銷售市場(chǎng)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(wèn)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(diǎn)，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(duì)地仍然是交流，會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)的抗干擾不利。在電熱地膜采暖工程實(shí)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(duì)地形成平板電容器，一個(gè)20m2的房間工頻漏電流達(dá)60mA，使漏電保護(hù)器動(dòng)作。采用橋式整流得到直流電源向地?zé)崮す╇姡ゎl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(duì)隔離，橋式整流后的直流電只是在輸出的正負(fù)電源之間存在，正極對(duì)于第三根地線來(lái)說(shuō)，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(jí)電容器(super capacitor)及飛輪蓄能。超級(jí)電容響應(yīng)速度快，壽命長(zhǎng)，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(chǔ)能元件。其容量最大可達(dá)上萬(wàn)法拉，具有無(wú)污染、零排放等特點(diǎn)。在建筑直流蓄能系統(tǒng)中，由于電梯具有短時(shí)、頻繁運(yùn)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(duì)于蓄電池這種化學(xué)儲(chǔ)能裝置來(lái)說(shuō)，頻繁且不完全地充放電會(huì)使得蓄電池表層迅速消耗，將會(huì)大大縮短他們的壽命。而超級(jí)電容在充放電過(guò)程中老化影響非常小，而且超級(jí)電容充電儲(chǔ)能沒有記憶性，理論上可以無(wú)限次充放電。電池適用于長(zhǎng)時(shí)間低電流的供電需要，而超級(jí)電容器適用于短時(shí)間大電流的放電。由此可知，超級(jí)電容器功率密度高，其儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)將能量迅速釋放出來(lái)，而且使用壽命長(zhǎng)，效率高，非常適合[17]在建筑儲(chǔ)能系統(tǒng)中使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)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(jìn)行了研究。對(duì)當(dāng)前建筑電氣節(jié)能有現(xiàn)實(shí)意義的建筑光伏及電梯再生發(fā)電進(jìn)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(duì)直流母線電壓穩(wěn)定方法進(jìn)行了論述。指出AC/DC及蓄能器的配合控制，是實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定的根本途徑。

(2)對(duì)電梯的四象限運(yùn)行進(jìn)行了分析，電梯有兩個(gè)象限具有節(jié)能運(yùn)行的潛力。如果建筑直流配電系統(tǒng)存在，電梯節(jié)能運(yùn)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(yùn)行。

(3)結(jié)合一個(gè)地?zé)崮ぶ绷髋潆娤到y(tǒng)的案例，指出TN接地點(diǎn)應(yīng)該在AC/DC的直流側(cè)進(jìn)行。

(4)建議設(shè)計(jì)院、大學(xué)等相關(guān)部門聯(lián)合申報(bào)建筑直流配電系統(tǒng)示范項(xiàng)目，取得運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)后與發(fā)達(dá)國(guó)家同步制定建筑直流配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范。

參考文獻(xiàn)

[1]LASSETER R H, PAIGI P.M icrogrid: A Conceptual Solution[C]∥IEEE Power Electronic Specialists Conference, Aachen:2004.

[2]LASSETER R H.MicroGrids[C]∥Power Engineering Society Winter Meeting, New York:2002.

[3]施婕，艾芊.直流微電網(wǎng)在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代建筑電氣 ： 2010, 1(6): 47-51.

[4]MARNAY C，ROBIO F J，SIDDIQUI A S.Shape of the microgrid［C］∥Power Engineering Society Winter Meeting，Columbus: IEEE，2001: 150-153.

[5]TSUJI K.FRIENDS in the context of microgird research［EB/OL］.http:∥der.lbl.gov /new _ site /2005microgirds_files /presentation_pdfs /CERTS-tsuji.pdf，2006-10-17.

[6]王曉虹,艾芊.直流微電網(wǎng)在配電系統(tǒng)中的研究現(xiàn)狀與前景.低壓電器：2012,5:1-7.

[7]MOROZUMIS.Microgrid demonstration projects in Japan［C］ ∥Power Conversion Conference，Nagoya，2007 ：635-642.

[8]IRAVANIR.Impact of power management strategies on microgrid dynamic performance［EB/OL］.[2007-04-17］.http:∥der.lbl.gov /new_site /2005microgirds_files /presentation_pdfs /CERTS-Iravani.pdf.

[9]fsfaGuy AlLee.DC-an idea whose time has come and gone?[EB/OL].http://blogs.intel.http://blogs.intel.com/research/2010/05/dc_-_an_idea_whose_time_has_co.php, 2010.

[10]Kakigano H, Miura Y, Ise T, et al.DC voltage control of the DC micro-grid for super high quality distribution[C].The 4th Power Conversion Conference,Nagoya, Japan,2007: 518-525.

[11]吳衛(wèi)民等.直流微網(wǎng)研究中的關(guān)鍵技術(shù).電工技術(shù)學(xué)報(bào)[J]：2012,27(1)：98-105.

[12]Lianxiang Tang, Boon-Teck Ooi.Locating and isolating DC faults in multi-terminal DC systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22(3):1877-1884.

[13]丁寶, 喬久鵬.基于能量回饋與最小勵(lì)磁電流的電梯節(jié)能研究[J].建筑電氣.2007, 26(5): 3～6

[14]唐海燕, 丁寶, 齊維貴.電梯群多控制策略切換的優(yōu)化調(diào)度研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào).2007, 22(S2):179-183

[15]Bao Ding, Hai-Yan Tang and Yan-Hong Ding.Research on Zero Speed Parking Model of Elevator Based Upon RBF Neural Network.Elevator world.2008, VI (12):64-68

[16]TANG Hai-yan, DING Bao, QI Wei-gui.Research on traffic mode of elevator applied fuzzy C-mean clustering algorithm based on PSO.International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation.2009: 1020-1024

[17]袁鵬，丁寶，王慶宇.光伏建筑蓄能系統(tǒng)中光伏DC/DC變換器設(shè)計(jì).2010，北京：中國(guó)可再生能源科技發(fā)展大會(huì)論文集。

[18]王慶宇，丁寶，宋鎮(zhèn)江.超高層建筑電梯群節(jié)能控制方案設(shè)計(jì)[J].建筑電氣，2011，30(5)：45-49

[19]常立強(qiáng), 丁寶.一種基于BIPV系統(tǒng)最大功率跟蹤控制算法研究.科技論文在線.

[20]邵翠, 丁寶, 宋鎮(zhèn)江, 宋麗芳.光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制算法的研究[J].建筑電氣.2010, 6:34～38.