Research on the Architecture of Building Power Supply and Distribution System at the Demand Side Perspective

李戰贈 / 張永明

(1. 中國建筑設計院有限公司, 北京 100044； 2. 同濟大學, 上海 200092)

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Research on the Architecture of Building Power Supply and Distribution System at the Demand Side Perspective

需求側視角下的建筑供配電系統架構研究*

李戰贈1/ 張永明2

(1. 中國建筑設計院有限公司, 北京 100044； 2. 同濟大學, 上海 200092)

As the demand side DC load is increasing in building power distribution system, and wireless power transmission is developing trend, considering the characteristics of distributed generation and demand side thinking, a new building power distribution system architecture at the demand side perspective is put forward from the point of view of application driven. With this building power distribution system architecture, technical support can be provided for efficient use of renewable energy and more convenient access to power by users.

building power supply and distribution, demand side, DC distribution, micro grid, wireless power transmission

0 引言

如今，能源與環境已成為全球化問題，基于因能源利用引起的氣候變化，可再生能源/清潔能源等分布式發電(Distributed Generation，DG)得到了長足發展[1]。分布式發電與建筑結合，一方面具有先天優勢，如光伏建筑一體化(Building Integrated Photovoltaic，BIPV)，便于能量的“就地收集、就地存儲、就地使用”[2]；另一方面，建筑內直流負荷的比重越來越高[2]，如何構建節能高效、安全可靠、使用便捷的建筑配電系統，成為該領域研究的重要熱點問題，而分布式發電為建筑配電系統帶來了新的機遇和挑戰。

自1880年起，特斯拉就與愛迪生就交流供電還是直流供電的問題進行過殊死論戰，100多年以后，這個問題又重新得到了建筑供配電研究領域的廣泛關注[3-7]。1997年，荷蘭能源研究中心(ECN)給出了一套“建筑直流配電技術”實施方案，隨后歐美和日本等地陸續進行了相關驗證研究和示范工程。按日本有關機構測算，若在住宅中全面實施直流供電，在電能轉換過程節省的能耗大約為現有住宅電力消耗量的10%～20%[8]。

此外，電能的普遍利用使人類生產、生活發生了革命性的變化，但錯綜復雜的配電線路分布也給人們的生活帶來了極大的不便，因此，人類一直有擺脫電線束縛實現電能無線傳輸的夢想。早在1890年，尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)就開始研究無線電能傳輸[9-12](Wireless Power Transmission, WPT)，直到MIT在2007年6月宣布，利用電磁共振成功地點亮了一個離電源約2 m遠的60W電燈泡，傳輸效率達到40%左右，至此，無線電能傳輸的新方向正式開辟。

近年來，隨著消費類電子設備(智能手機、平板電腦等)對無線充電的實際需求(儲能不足、充電不便等)以及智能家居、智能家電、電動車充電的發展，人們愈發希望去掉電氣設備的“最后”一根電纜，即使供電效率可能會因此降低也可以接受。

綜上所述，在這種需求電氣設備“無尾”的趨勢下，傳統的建筑交流配電系統需要重新審視，如何重構現代智能建筑供配電系統架構也更需要仔細考慮，以更好地適應需求側和供應側的發展變化。本文從需求側應用驅動、技術發展角度出發，同時考慮供應側的分布式發電特性，提出了一種包含直流配電/直流微網、無線電能傳輸的建筑供配電體系架構，以期推動建筑供配電技術的發展和完善。

1 供應側分布式能源發電特性

常用的分布式發電主要有光伏發電、風力發電、水力發電、燃氣發電、燃料電池等。其中，光伏發電和燃料電池發電直接以直流形式產生電能，均為直接直流電源，需要經過DC/AC變換才能并入交流配電網；而風力和燃氣輪機發出的電力是不固定頻率的交流電，無法直接并入工頻交流電網，因此需要經過AC/DC和DC/AC兩次變換才能并入交流配電網，可被視為間接的直流電源。

因此，若配電網包含直流配電系統，不僅可以大量減少配電環節中DC/AC變換器的使用，降低構建成本，還能降低電能變換的損耗。可見，從供應側來看[2]，需要發展直流配電/直流微電網以適應分布式用能發展需求。

2 需求側直流負載的比重日益增加

近年來，電能終端用戶的用電形式發生了很大變化，研究結果表明，某些類型建筑中直流負荷所占比重高達90%以上[4]，這些變化主要表現在以下兩個方面。

1)直接使用直流的電器/電子產品增多[2]。越來越多的電氣設備本質上都是直流驅動電器，其需要將現有建筑交流配電網中的交流電變換為直流電才能使用，如電動車、LED照明、電腦等便攜式設備及手機等移動通信設備等。

2)含直流環節的變頻電氣設備、家電增多[2]。近年來，大量“交-直-交”變頻技術被應用，如電梯、空調、冰箱、洗衣機等變頻電氣設備、家電的普及，特別是電動車的家電屬性越來越突出，依托于建筑物建立直流充電樁必要且可行。

可見，從用戶終端直流負載的與日俱增的情況來看，迫切需要發展建筑直流配電/直流微電網。

3 需求側電能傳輸方式有線-無線的發展

3.1 無線電能傳輸方式

近年來，無線電能傳輸發展迅速，WPT 技術按傳輸機理的不同，主要有電磁感應方式、電磁波輻射方式、電磁共振方式等[11]。

1)電磁感應方式無線電能傳輸

傳統電網工頻交流電，在整流濾波獲得直流電之后，通過高頻逆變器進行逆變，逆變所產生的高頻交變電流經一次側原邊線圈，感應到二次側副邊線圈，產生感應電動勢，然后通過高頻整流等調節電路，即可向負載提供直流電，其原理如圖1所示[10]。

圖1 電磁感應方式原理

2)電磁波輻射方式無線電能傳輸

該方式通過電波的形式在遠場范圍內采用定向天線實現遠距離供電，該方式的發射部分利用高頻逆變電路將直流電變換為電磁波，以微波的方式輻射出去，接收裝置將收到的微波能量通過整流濾波變換為直流電供負載使用，其原理如圖2所示[10]。

圖2 電磁波輻射方式原理

3)電磁共振方式無線電能傳輸

電磁共振式無線電能傳輸系統主要由能量發射端和接收端組成。其中，能量發射端主要由源線圈和發射線圈組成，發射端將直流電逆變成高頻激勵源，使源線圈產生諧振，在源線圈周圍形成交變磁場，發射線圈感應源線圈的交變磁場形成共振，電能由源線圈輸送到發射線圈，再由發射線圈輸送出去；能量接收端包含接收線圈和負載線圈，接收線圈接收到發射線圈傳遞的能量后，再傳送給負載線圈，負載線圈接整流濾波等變換電路，變成直流電供負載使用，其原理如圖3所示[11]。

圖3 電磁共振方式原理

3.2 在智能建筑中應用前景

通過對上述三類主要無線電能傳輸技術的介紹，分析了以下3種適用于智能建筑中無線供電的技術路線/方案。

1)微波式無線電能傳輸技術，通常采用S、C波段，傳輸距離為幾百米到幾千米，適于高精度定向能量傳輸和傳輸距離遠的應用場合，如為低軌道和同步軌道衛星、航空航天器供電等[11]。

2)基于電磁感應原理的無線電能傳輸技術，其原理簡單、容易實現，技術相對比較成熟，工作頻率從幾百萬赫茲至幾十萬赫茲，傳輸距離從幾毫米到幾米，傳輸功率大，近距離傳輸效率高，可高達99%，但傳輸效率隨傳輸距離的增大迅速減小[10]。其應用范圍較廣，大到電動汽車，小到醫用的微型機器人[11]。

3)基于電磁共振原理的無線電能傳輸技術目前尚在實驗階段，該技術工作頻率從幾兆赫茲至幾十兆赫茲，傳輸距離從幾厘米到幾米，效率高，中等距離傳輸，非輻射能量傳輸，電磁輻射小，諧振頻率外的電磁干擾小[10]。

可見，電磁共振方式比電磁感應方式的可傳輸距離更遠，所以如果能夠進一步提高傳輸效率，日后在很多領域電磁共振式將很有可能取代電磁感應式進行無線能量傳輸。可以預見，未來無線供電技術將衍生出無線家電、無線電器、無線供電設備，特別是在手機、MP3等移動通信領域，手提電腦、移動電源等便攜式設備領域，在智能家電、智能家居、智能辦公等場合電磁共振式無線電能傳輸將具有廣闊的需求空間。

3.3 無線電能傳輸在建筑交流供配電中應用架構

需要指出的是，上述幾種電能無線傳輸方式均需要將工頻交流電變換為高頻交流電，在現有技術條件下，均需要先將工頻交流電轉化成直流電，再逆變成所需的高頻交流電。

因此，在傳統的建筑交流供配電系統中，應用無線電能傳輸技術，其系統架構中不可避免地要增加整流環節(AC/DC)，無線電能傳輸在建筑交流供配電中應用架構如圖4所示。

圖4 無線電能傳輸在建筑交流供配電中應用架構

可見，從無線電能傳輸技術在建筑交流供配電中的應用角度看，若建筑中擁有直流母線，則可以省去一層整流環節(AC/DC)，提高電能的利用效率。

4 基于需求側的建筑供配電體系架構

通過對目前分布式發電(特別是建筑光伏)的特性及直流電器(特別是電動車充電)的發展趨勢進行分析，基于發展日趨成熟的無線電能傳輸技術，在未來智能建筑中供配電系統將在以下方面發生重要變化。

1)源-網-荷-儲關系上：由于引入分布式發電，用戶配電端由單純的負載增加了電源，還可能增加蓄電/儲能裝置，用戶端更加復雜，可形成建筑微電網以及冷熱電聯供的能源微網。

2)供配電制式上：由傳統的單一交流系統轉變為交流系統為主直流系統為輔的混合供電系統，某些應用場合(如數據中心)可能會以直流系統為主或為純直流系統。

3)電能傳輸方式上：由傳統單一的有線供配電方式轉變為以有線供配電方式為主，終端無線傳輸方式增多，形成有線無線并存的方式，移動式、便攜式設備將越來越多地采用無線方式。

因此，為適應和滿足需求側用戶需求，考慮供應側分布式發電的變化，本文提出了一種需求側視角下的建筑供配電的體系架構，如圖5所示。

圖5 基于需求側的建筑供配電體系架構

5 結論與展望

本文分析了建筑供配電系統需求側的兩大變化：直流負載日趨增多和無線供電需求趨勢明顯，并在兼顧供應側分布式發電特性的基礎上，提出基于需求側的建筑供配電體系架構是未來建筑供配電的發展趨勢。本文主要結論如下：

1)基于“需求側”、“以人為本”提出的建筑供配電體系架構系交流-直流混合配電系統/混合微電網、有線-無線電能傳輸并存系統，系統的多元性、多樣性既保證了電能的高效利用，又可以較好地滿足不同用戶的需求。

2)在本文提出的建筑供配電體系架構中，直流母線/直流微網是系統的核心和紐帶，其向上連接建筑交流配電網和分布式發電，向下連接無線電能傳輸系統。

3)本文提出在直流母線/直流微網之上構建無線電能傳輸系統，在建筑交流配電網上對比表明直接構建無線電能傳輸優勢明顯。

此外，在建筑中推廣應用無線電能傳輸上，需要注意設備的電磁兼容問題以及建筑電磁環境安全問題。

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張永明

博士，同濟大學副教授，研究方向為微電網與電氣節能技術。

江蘇省科技支撐計劃項目(BE2014830)和中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助(1850219022,1850219026)。

Li Zhanzeng / Zhang Yongming

隨著建筑供配電系統需求側直流負載日趨增多及無線供電需求趨勢的日趨明顯，在兼顧供應測分布式發電特性和基于需求側思維的基礎上，從應用驅動角度出發，提出了一種需求側視角下的建筑供配電體系架構，為可再生能源分布式發電在建筑中高效利用及用戶更方便地實時獲取電能提供了技術支撐。

建筑供配電 需求側 直流配電 微電網 無線電能傳輸