楼宇低压直流配电系统的研究意义及结构设计

2020-12-27严建海王菲菲

通信电源技术 2020年16期

赵勇，严建海，王菲菲

（1.中国石油化工股份有限公司化工事业部，北京 100728；2.南京国臣直流配电科技有限公司，江苏南京 211100）

0 引言

社会经济的迅速发展导致电力需求日益增加，但是传统的集中式大规模发电带来的全球气候变化、环境污染以及化石能源的日益枯竭等问题不可忽视。因此，各国纷纷掀起能源革命。其中，风力发电和光伏发电的分布式电源凭借经济性、清洁性、灵活性以及可靠性等优势获得了快速发展[1]。直流电由于其接纳分布式发电的优异性能，越来越受到关注。而作为打通直流电最后一公里的低压直流配网，则承担着将直流电实用化的重要责任[2]。

1 楼宇低压直流配电系统的研究意义

研究表明，建筑物中的直流负载在建筑能耗中占据较高的比例[3]。随着绿色建筑概念的提出，低成本、低功耗、高可靠性以及高灵活性成为建筑电力领域的发展方向。因此，国内外学者纷纷开始研究楼宇低压直流配电系统的可行性。随着新能源和电力电子装置的大量应用，楼宇低压直流配电系统在技术与经济上逐步展示出优势。

1.1 对电网的研究意义

对于发电侧而言，楼宇低压直流配电系统将分布式发电技术与楼宇灵活地结合在一起，实现了能源的就地收集、就地消耗以及就地存储，提升了配电网接纳分布式电源的能力[4]。对于输电而言，包含低压直流配电系统的新型配电网，有交流和直流两根母线[5]。与交流母线相比，直流母线线路损耗小、传输效率高且线路造价低，无需传输无功功率和进行无功补偿，大幅降低了相应设备的投资[6]。

1.2 对用户的研究意义

在建筑物中采用直流供电，设计更加灵活简单。电脑和电视等家用电器属于直流负荷，可直接或通过DC/DC变换器连接到直流母线上，而电冰箱和电风扇等交流负荷则连接到交流母线上。这种结构设计不仅减少了变流器设备的数量，而且可以缩小家用电器的体积，降低制造成本[7]。不仅如此，在建筑中采用直流供电能源效率更高，因为直流供电无需考虑电抗的影响，在导线截面和电压等级都一样的条件下，直流供电容量更大。研究表明，在相同条件下，直流电压的安全阈值约为交流工频电压阈值的2.4倍[8]。因此，在建筑中采用直流供电的安全性更高。

2 LVDC系统的结构设计

2.1 系统结构

图1为南京某园区公司办公大楼LVDC系统的简化单线图。该系统采用放射式拓扑结构和IT接地系统。直流母线电压分为直流600 V（虚线部分）和直流220 V（实线部分），向不同电压等级的直流负载供电。

图1 LVDC系统的简化单线图

2.2 具体设计

以南京某园区公司的办公楼为例，具体阐述LVDC系统的相关设计。图2为系统原理图，包含线路连接和接线系统、变压器绕组的耦合方式、接地系统和连接方式、主要电源和负载、外部系统和自有装置的接口、具有不同标称值的装置各部分之间的内部接口电压、接地系统、交流和直流之间的转换以及电隔离的位置。系统内的电源包括光伏、交流电网以及储能单元3个部分。根据系统原理图中接口两端装置的不同，本文存在4种接口。接口的相关信息和主要功能如表1和表2所示。

整个楼宇低压直流配电系统中，直流母线电压等级分为直流600 V和直流220 V，由降压非隔离变换器连接，为不同电压等级的直流负载供电。交流总线通过隔离的交直流变换器连接到直流600 V总线。建筑内直流负荷包括空调、LED照明、办公电脑、空气净化器、冰箱、投影仪、门禁、自动感应冲水器以及电水壶等，且所有负载均具有主动灭弧功能。该系统的实际最大运行功率约为110 kW，其中空调由直流660 V供电，其余负载由直流220 V供电。有两个20 kW的光伏升压变换器连接到直流600 V总线上。系统中的光伏变流器采用精确限压电流限制和最大功率点跟踪的控制方法，通过单级DC/DC变换即可实现MPPT条件下精确的限压电流输出，降低了系统成本。储能系统采用6组电池（每组40节电池）并联，输出电压约为直流520 V，通过充放电管理单元与直流母线相连。充放电管理单元具有高频变压器升压和降压功能。建筑直流配电系统的照明支路和出口支路安装有源综合保护（ACP）。ACP将保护集成到电力电子变换器中，设备控制逻辑集成保护并对短路故障或过流故障提前动作，实现接地故障等主动隔离。它可以在数百微秒内完成自动闭锁，达到保护支路的目的。电源监控系统主要由电源监控模块和相应的监控软件组成，具有多种电流、电压以及输入输出检测功能，并配备不同的通信接口，在系统内部通过通信进行多点数据采集和上传。系统运行方式有经济运行、恒功率运行、孤岛运行以及并网发电4种。不同的模式可以随时间而变化。当前，系统已正常运行30个月，光伏系统发电量可达到直流总耗电量的60%以上，经济效益显著。