建筑低压直流配电的关键技术研究

2021-03-18杨将铎张改景

现代建筑电气 2021年1期

杨将铎, 张改景

(上海市建筑科学研究院有限公司, 上海 201108)

0 引言

随着新能源技术的发展和直流负载占比的逐渐提高,直流电应用从高中压输配电逐渐拓展到低压微电网。直流配电在发电厂控制保护系统、各类交通工具配电系统、数据中心和通信系统等方面应用较早,建筑内低压直流配电的应用是近年来各国在能源领域的研究热点。建筑低压直流配电具有高效率、方便接入储能装置和分布式电源(可再生能源)、更易兼容直流负载等特点,具有广泛的应用前景[1]。直流系统的柔性能力也可以大幅缓解未来的电网与城镇用电需求、土地、分布式能源的种种矛盾[2]。另外,低压直流配电具有不同于交流配电的复杂性,分布式能源和负载的间歇性和可调整性使得系统控制很难形成固定逻辑,这不仅影响了标准的制订,也延缓了实践。

1 低压直流建筑配电的关键点

本文在充分调研国外内低压直流配电的研究及工程实践情况,重点开展了直流配电系统的实现方案研究,提出了电压等级和电能质量、综合保护、系统控制、系统鲁棒性等方面的建议。

1.1 电压等级和电能质量

电压等级的选择应满足安全性、经济性和适用性的要求,同时受负荷需求、供电能力、技术水平、电网现状、建筑空间等因素的制约[3],且要参考标准的规定。如果是改造工程,交直流线路的电线电缆在结构上差别很小,当电缆能耐受相应的直流电压时,交流线缆是能够作为直流线缆继续使用的。文献[4-7]从多个角度分析,认为375～400 V等级的电压适用于楼宇母线,另外也推荐220 V(±110 V)和48 V的电压等级。文献[8]从电击防护、供电能力、改造成本等方面详细列出了不同负荷下的电压和导体选择逻辑。文献[9]进一步将工程实践中的直流母线电压推荐为375 V,可以兼顾电压波动带范围、标识、电器通用性等问题;将特低电压推荐为48 V,可以满足50 W/m2配电功率密度下40～60 m2面积内的小功率电器用电需求。最新申请的直流系统专利也较多明确采用375 V直流电压,这已经逐渐成为行业内的共识。

相比于母线电压的确定,更重要的是保证高质量和连续的供电以及实现分布式能源和储能之间的高效配合[10]。文献[11]介绍了美国海军应用的直流电压接口标准和多层模糊评价模型等电能质量评估方法。美国海军375 V直流电能质量标准如表1所示。南京国臣绿色楼宇直流配电系统中,光伏变换器采用具有精确限压、限流及最大功率跟踪点控制的方法,只通过一级DC/DC变换实现最大功率跟踪控制(MPPT)条件下输出的精确限压及限流,在降低系统成本的同时,提高了系统的效率和可靠性[12]。母线结构本身对母线电压和电能质量也有影响,多源、电压等级单一的母线电能质量较高,对于普遍采用的分层母线结构[12-13],通常低压端负荷占比不高,没有进行特别处理。另外,滤波器、无功源(直流电容器)等辅助设备可以有效提升母线电能质量,维持稳定电压。

表1 美国海军375 V直流电能质量标准

1.2 综合保护

直流电路特征如下:直流电路的潮流变化具有双向性;微电网内阻抗小,设备保护动作阈值的整定较为困难,保护速度受限;大量分布式电源和负载多点接入,同一故障表现形式多样,监测和定位困难;短路电流较交流电路小;电流不过零点,灭弧困难;大量储能元件,短路故障时储能电容放电产生瞬时冲击电流,断路器承受较为陡峭的暂态恢复电压。因此,直流故障保护成为阻碍低压直流大规模应用“最后一千米”的突出挑战[14]。低压直流电路通常选择被动保护和主动保护结合的方式进行综合保护。

在被动保护方面,使用直流断路器进行过电流保护,也要结合变换器和开关设备的自我保护能力,但是具有故障自清除能力的直流断路器通常需要大范围闭锁换流器,甚至导致系统出现短时中断供电。文献[15]指出,过电流包括过负荷和短路,过负荷保护主要关注电流切断的难点;短路故障需要考虑系统接地类型,不同接地系统下的短路故障影响不同,减小短路电流也很重要。文献[16]对750 V(±375 V)电压下3种接地形式(IT系统、TT系统、TN系统[17])的特点和适用性进行了说明。其中IT(高阻)接地方式的应用难度和风险最小,配合绝缘监测手段,能够更好地满足低压直流配电系统安全性方面的要求。对于仅需要进行过流、人身电击与接地故障、暂态过压、用电设备的操作与隔离等防护的简单直流电路,被动保护可以保障基本安全[18],但是要保证做好防雷措施。另外,文献[19]基于工程实践基础,按照被保护对象对低压直流保护装置进行了总结和分类。

对于较为复杂的直流系统,主动保护必不可少,旨在定位和中断低压直流网络上的轻微故障,以避免整个系统的停摆。文献[20]提出了一种故障检测的方案,能够实现亚毫秒级的定位和保护。由于当前对物联网远程断路器的研发能力不足,也可以采用集中柜(多个)的方式对每一路馈线进行集中控制[21]。

1.3 系统控制

系统控制要在电路保护的基础上关注可再生能源的经济价值和社会效益。低压直流微电网系统的控制分为三级,不仅要照顾微电网内各项参数的稳定,还要考虑与上游交流电网的衔接以及运行模式的经济性。低压直流微电网系统分级控制如图1所示。

图1 低压直流微电网系统分级控制

文献[22]根据上海市电价标准和用电特征,分析了建立直流微电网的可行性。在投入和运维过程中,硬件消耗是系统成本的关键影响因素,而良好的系统控制有助于减少硬件消耗。从整体考虑,低压直流微电网控制可以从4个方面体现优势。低压直流微电网系统级控制关注点如表2所示。

表2 低压直流微电网系统级控制关注点

1.4 系统鲁棒性

目前,低压直流微电网普遍处于探索阶段,系统鲁棒性(系统健壮性)的重要程度还是大于经济性。在微电网控制模块中,应赋予低电势监测控制模块和图1所示的直流微电网物理层监测控制模块(即控制末端)更高的处理权限,先处理,后汇报,特别是针对危险性高或高频发生的事件。在控制末端,还要尽量保证末端职责的明确性和单一性,逻辑简单,超出阈值便完成规定动作,且不允许从软件层面更改。在电路系统中,电源和负载适当增加并行设备,能提高系统的稳定性,特别是在母线增加无功微源(电容等),能提升电能质量,降低控制分析复杂度。在电路关键环节增加冗余,可以提高可靠性,冗余部件可以替代失效部件并且帮助检测错误。另外,模块化设计可以降低系统的更新难度,这包括分类电路和分区域电路的自成体系。

2 问题分析

通过对近年来国内外学者的低压直流配电研究成果分析,可以看到我国在电压等级、综合保护、系统控制等方面有了初步研究成果,但直流建筑还存在以下待研究问题。

(1)缺乏实践经验和总结。低压直流配电目前仍处于起步阶段,缺乏历史数据和实践经验,在标准和设计规范方面不完善。例如,IEC对低压直流配电的研究处于第二阶段,仍未完成系统层面的标准化工作;我国《民用建筑低压直流配电设计导则》等规范尚未完成。

(2)针对系统的研究还需深入。来自系统层面的影响较多,等效网络模型和分析工具仍待深化。例如,如何针对楼宇各种特性选择合适的电压等级;直流电路有多种类型,负载、电力电子设备和电源各有特殊阻抗;电能质量必须纳入考量;电路与上下游直流或交流系统的兼容性不可忽视等。

(3)电路保护、安全问题以及电磁兼容问题需要深入探讨。例如,直流电对人体生理的影响要考虑在内,直流电弧不能自动熄灭,会增加火灾风险,过电压现象必须加以量化,导体和绝缘层对直流电及瞬态的耐受力非常重要。而且,市场上几乎没有现成的直流负载设备,因此用电设备需要改造,当涉及到验证、维护、生命周期和可持续性时,这就带来高度的复杂性,要考虑系统寿命问题。

(4)375 V是目前针对直流的较好电压,但与当前常用的220 V有一定差别,而行业目前的重要攻关方向之一就是“探索交直流220 V通用设备研究”。