住宅直流供电的可行性探讨

邓志辉，陈伟英

（广州广日电气设备有限公司，广东广州 511447）

住宅直流供电的可行性探讨

邓志辉，陈伟英

（广州广日电气设备有限公司，广东广州 511447）

为了提高光伏发电等直流新能源的利用效率，结合现有直流供配电技术及家用电器的发展现状及趋势，提出了在住宅中采用直流供配电的方案、微电网系统架构及可能的供电电压等级，并通过与现有交流220 V供配电系统的综合对比及试验验证，证明了直流供配电在住宅中的可行性。

光伏发电；直流配电；智能电网；系统架构；供电电压等级；保护

1 直流住宅概念

直流住宅是指在住宅中采用以太阳能为代表的清洁能源为家庭直接供电，通过电能管理系统以及配置的蓄电池，用直流电力直接驱动直流负载和家用电器。与常见的光伏发电系统相比，直流住宅供电不需要通过逆变器与电网进行连接，不仅减少交直流转换过程中的效率损失，节约设备成本，同时也可以减少电能在输电线上的损耗，降低了散热设计要求。

图1 直流住宅供电系统示意图

2 住宅中直流供配电的优势

（1）线路成本低

直流微电网多采取就近发电、就近消费的理念。发配电均在本地完成，只有很少的能源需要与附件的远端交换，仅需要较小的电线就可以实现，所需的建设费用少。

当交直流电有效值相同时，交流电压的峰值比直流电压峰值大，因此对电缆的绝缘强度要求也更严格，所以直流电缆的成本也要低。

（2）供电可靠性高

直流线路不存在频率稳定和无功功率等问题，且直流微电网系统中，本地均有蓄电池设备，当主电网故障时，本地供配电线路基本不受影响[2]，且可以有效解决电网调峰填谷等问题，当处于用电高峰时还可以向电网逆流馈电，从而为供电可靠性和供电质量保驾护航。

（3）具有环保优势

直流微电网来源多是绿色可再生能源，采集过程中没有噪音污染，传输过程没有电磁干扰，直流微电网可以大量减少变电设备（如变压器、整流器等）的使用，减少原材料（铜、橡胶等）的消耗[2]。

（4）节能减排

直流微电网采用清洁能源，通过绿色可再生能源的利用来替代能源类资源的消耗。如：火力发电厂对煤矿等资源的消耗降低约22%，从而减少了二氧化碳等污染物的排放。直流微电网给直流设备（电脑、打印机、直流变频空调、LED照明、平板电视等）供电时，减少了交流到直流的转换（AC-DC）次数，将转换过程中的能量损失从32%降至10%左右，减少电能的运输与分配。

3 直流住宅供配电现状及发展趋势

目前，直流住宅供配电技术主要处于实验室验证阶段，已知报道的直流住宅示范样板主要为日本夏普公司，但是对于供电电压等级均没有详细讨论。参考其他应用领域中已经成熟的直流供配电技术，如在电力系统自动化调度系统中，采用了220 VDC系统用作后备控制电源，在飞机直流供配电中，采用了270 VDC和28 VDC供电，在部分IDC数据中心中，采用了240 VDC或者380 VDC用作供电电源。

在上述的直流配电方案中，IDC与电厂的供电电源，因负载类型较单一，不如飞机的直流供配电方案更有借鉴作用。

随着国家对新能源产业的政策鼓励及资金支持，直流发电占比将迅速上升，随着家用电器直流化趋势越来越明显，直流微电网将是解决新能源发电输配电及用电的最佳方案，且将带动整个产业链的革命，有着非常巨大的经济效益。

4 直流住宅项目面临的挑战

（1）缺乏统一的直流住宅供配电网络架构；（2）缺乏直流住宅供配电标准规范；

（3）缺乏统一的供配电电压标准；

（4）缺乏直流插座插头标准及产品；

（5）缺乏相应的专用直流家用电器产品。

5 直流住宅的供电电压选择标准

供电电压等级选择的原则要根据技术经济和建设发展综合论证选择确定，要满足供电需要，技术先进可行，运行灵活可靠，投资经济合理。具体考虑以下几个方面:

（1）满足供电区域内对电力供应的需求，并能适应一定时期内负荷密度的增长;

（2）与未来的直流配电网的改造工作相结合，便于整个配电网的发展，保证运行灵活、安全可靠、质量合格、经济合理；

（3）设备供应与制造技术上的可能性、可靠性和经济性;

（4）尽量简化同一配电网内的电压等级，减少变压层次;

（5）建设与改造的投资最经济合理;

（6）使用人员的安全，电压越低，使用越安全。

根据DL/T5044-2004《电力工程直流系统设计技术规程》，直流系统标称电压控制负荷和动力负荷合并供电的直流系统采用220 V或110 V，在正常运行情况下，直流母线电压应为直流系统标称电压的105%（115.5 V/231 V）。在均衡充电运行情况下，直流母线电压应满足如下要求：对控制负荷和动力负荷合并供电的直流系统，应不高于直流系统标称电压的110%，直流断路器的额定电压应大于或等于回路的最高工作电压。

参考飞机直流配电系统中采用270 VDC的参考电压值，以及现有民用断路器分断电压等级，一般为125 VDC/1P，如果选择2P作为一个回路的分断，则可以设定供电回路电压为220 VDC。其好处是，经济性非常好，与110 V比的电线用料，相同功率下的发热量，电压损失等，与270 VDC相比的直流分断开关，光伏控制器，电池串联数量，储电安全性等。

图2 单极性双电压供配电网络

6 直流供配电网架构

在直流微电网研究中，其供电网架构主要有两种：单极性双电压供配电网络；对称型双极性双电压供配电网络[1]。

图3 双极性双电压供配电网络

考虑以后系统的承载能力及扩展性，有必要考虑双极性双电压供配电网络架构，在现有住宅铺设的L、N、PE三条线路不改变的情况下，既可以满足现有电器设备使用，又有一定的容量扩展性。

7 DC220 V电压供电的可能性探讨

从表1可以看出，将交流220 V系统改成直流220 V系统的改动要求小，部分负载可以直接使用，经济性最高。

表1 交直流220 V部分特性对比表

8 220 VDC供配电技术可行性

（1）光伏电池

光伏电池的技术已经相当成熟，可以大规模的串并联使用，所以对于220 VDC系统，典型的250 W多晶硅电池板需要串联的数量为9～10块，占地面积约为16 m2，相当容易实现。

（2）光伏控制器

现有的离网光伏控制器成熟产品中，其输出电压等级按照功率等级区分，适用于住宅家庭供电的基本有48 V，96 V，110 V，192 V，220 V，348 V等，显然可以满足220 VDC系统使用。

（3）电气设备及电气元件

电气分段设备中，直流断路器基本以125 V为基准倍增，250 V需要使用2P的断路器[5]，采用正负极同步分段即可实现，与交流断路器差别不大，且直流分断器件中，其过载保护电流与现行交流过载保护电流等级相同，规格齐全，适合家用。在熔断器的选择中，250 V也是一个常用规格。电路保护器件上可以满足220 VDC使用。

（4）蓄电池

光伏离网蓄电池分为磷酸铁锂电池和铅酸胶体电池，在铅酸电池中，单电芯的电压为2 V/ 12 V，220光伏系统中，通常采用内部12 V电池做最小单元，采用18节电池串联，其额定电压216 V，有效电压范围为189 V～243 V，可以同时满足电气分断保护设备及光伏控制器的电压要求。

在磷酸铁锂蓄电池中，单体电压约3.3 V，相比铅酸电池而言串联数量更少，稳定性更强。

（5）电线电缆

采用220 V作为住宅直流供电额定电压，则其峰值小于250 V，按照现行的300 V/450 V绝缘要求，可以直接使用。

（6）插座插头

严格按照直流规定接线，且配有过流保护设备，插座的问题不大，主要是需要与现有交流插座区分开，以免烧坏电器设备。同理，插头需与插座配合使用，此外，直流插座应为有严格的正负区分，在插座插头的设计中，需考虑防反插设计。

随着智能电网的发展，未来的直流插座或者插头均可能带能源监测及管理功能，将更方便直流供配电系统的系统能源管理[3]。

在低压直流配电网中，常用的交流型多功能接线板和插头应用于直流电时，接合与断开的瞬间会产生较大的电弧，给用户带来了安全隐患。因此，直流开关、直流插头和插座的研发，是推动直流配电网普及应用的基础性工作。这是目前推广DC220 V供电系统最大的难点，也是最大的商机。

（7）家用电器

现有的很多电器设备其输入电压范围为85 V～260 Vac，此类设备可以直接接入220 VDC系统[4]，对设备的长期使用也没有问题，对于输入电压为220 Vac的电器设备，需要区别对待，有些设备可以直接使用，有些设备需要DC/AC逆变才能够使用。

（8）用电安全

现有交流供配电系统中，用电安全主要通过接地保护来实现，在直流配电系统中，可以采用不接地、高阻接地和低阻接地等方式；在220 VDC系统中，暂时采用的方式是不接地方式[5]，其安全性可以留到后续验证。

9 结束语

低压输配电标准是一个庞大的系统工程，牵涉到社会的各个层面。从电能输送容量上看，供电电压越高越好，从经济、安全及使用成熟度上分析，220 V～250 V是一个比较合适的电压等级，且使用该电压等级的样板住宅已经于2012年在笔者所在公司建成并实际应用，经过长时间的测试，其可靠性与经济性均有一定的可推广性。当然，笔者学识有限，考虑问题有欠全面。但从长远来看，建立一个节能型社会将是一个永恒的话题。对于直流供电标准这样一个复杂问题，越早考虑，所需的成本将越小。因此，笔者希望能在此抛砖引玉，以引起更广泛的社会参与并最终推动标准的建立。

［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.未来智能配电网新的组织形式［J］.电力自动化，2009，33（17）：42-47.

［4］蔡明雄.家庭住宅采用直流供电的分析报告［J］.广东水利电力职业技术学院学报，2007，5（4）：59-61.

［5］施耐德公司.直流系统和直流小型断路器［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

邓志辉，男，1975年生，湖南人，大学本科，研究领域：电气系统设计工作及新能源发电高效率应用研究。 (编辑：向飞)

2014－07－17