民用建筑低压直流配电系统的项目应用

魏山力,马 聪,张 曦,张浙波,金大算,华 炜

1.华东建筑设计研究总院,上海 200002;2.浙江浙能技术研究院有限公司,浙江 杭州 311121;3.浙江浙能嘉华发电有限公司,浙江 嘉兴 314201

0 引 言

相对于交流配电,直流配电网具有线路成本低、控制简单、供电质量高、可靠性高及接入灵活等优点,随着近年来光伏发电、风力发电等分布式直流电源发展,电动汽车、数据中心、储能设备、LED照明等直流负荷的应用推广,以及用户对电能质量、供电可靠性的要求日益增高,发展直流配电技术成为当前的趋势[1]。

本文以某研发办公大楼的项目设计为例,介绍适合民用建筑低压直流配电系统的设计思路与方案,将光伏发电、高压直流数据中心、直流充电桩、储能、直流照明相结合,探讨民用建筑低压直流配电系统的电压等级、系统架构、故障保护、多能协调、运行模式等关键技术。

1 项目概况

某研发办公大楼项目位于浙江省杭州市,主要功能为研发中心、企业办公、数据机房、商务酒店,总建筑面积约13.7万m2,其中地下3层,地下面积约5.7万m2,地上10层,地上面积约8万m2,建筑高度45.3 m,地下车库停车位900个,充电桩车位186个。

2 电压等级

该项目直流电源和直流负荷类型较多,主要包括屋顶光伏发电、储能蓄电池、直流充电桩、直流照明、高压直流数据中心。直流电源与直流负荷参数如表1所示。

表1 直流电源与直流负荷参数

该项目直流配电电压等级主要从经济性、供电半径、灵活性等方面考虑[2]。

(1)经济性。项目直流负荷类型较多且分散,其中屋顶光伏、3F数据中心、直流充电桩等大容量负荷供电半径较远,而直流照明与储能装置的供电半径适中,直流电压等级需综合考虑供电半径、线缆截面大小及线路压降来确定。根据回路负荷容量、供电半径,可计算出直流低压回路线路压降ΔU压降为

其中,ρ=0.018 4 Ω·mm2/m;L为导线长度;P为回路容量;S为导线计算截面;UDC为回路供电电压。

经计算142 kW屋顶光伏,若采用DC±375 V供电,根据载流量计算可选用WDZA-YJY-2×95 mm2,压降约1.2%,满足要求;若采用DC 375 V单极供电,根据载流量计算可选用WDZA-YJY-2×240 mm2,压降约1.8%,同样满足要求,但提高线缆成本。而该项目直流照明仅用于直流配电室及临近机房,供电半径距离适中,根据计算供电电压DC 48 V下,选用4 mm2导线供电半径约50 m,可满足项目直流照明供电半径。因此从经济性及供电半径角度考虑,项目直流电压等级初步选择为DC±375 V和DC 48 V。

(2)灵活性。直流负荷以直流充电桩、储能电池为主,直流电压等级优先考虑,便于直流充电桩及储能电池的灵活接入,目前直流充电桩接入电压以DC 450 V和DC 500 V为主,但发展趋势为DC 750 V[2],而储能电池可通过不同电池组串联满足不同电压等级接入,考虑到DC/DC变换器降压模块成本低于升压模块,因此该项目直流母线电压等级确定选择DC±375 V,单向DC/DC变换器降压接入直流负荷,双向DC/DC变换器接入储能装置,储能装置输出电压尽量与直流母线电压接近。另外DC±375 V可引出极间750 V和单极375 V两种电压等级,灵活性更高。

3 双极母线架构

伪双极和双极直流母线类似,具有对称的直流电压,在相同极间电压下线路耐受电压为单极母线的1/2。双极母线优点是可靠性高、灵活性大、电压等级多:在一极出现故障时仍可单极运行、可靠性高,但需采用多个换流器,且交流侧设备需考虑直流电压的直流偏置电压,且直流侧需增加电流均衡控制策略,因此双极架构设备成本更高、控制保护系统更复杂[3-4];但双极母线架构灵活性更大,可按负荷重要性进行分组供电,将高可靠性负荷与蓄电池集中在一极母线供电,也可将蓄电池及高可靠性负荷分两组,各由一极母线供电,任一极故障时仍可单极运行。另外,双极母线可提供更多电压等级选择,较高功率或电压负荷可连接在正、负两极之间,低功率或低电压负荷可连接在单极与中性线之间。

该项目直流配电系统规模大、负荷类型及电压等级多、控制要求高,为便于不同电压等级负荷接入,选用DC±375 V双极直流母线架构。直流配电系统示意图如图1所示。

图1 直流配电系统示意图

4 数据中心

市电+240 V高压直流双路供电与传统2N交流UPS相比:供电可靠性均为10个9数量级,为同一数量级[5],但市电240 V高压直流双路供电只有高压直流回路接入蓄电池,投资及运维成本更低,且由于市电回路不用经UPS设备的AC/DC、DC/AC两级变换后输出,系统供电效率很高。因此,该项目数据中心部分服务器采用市电240 V光伏高压直流双路供电方案,服务器机柜内提供交直流2路电源,其中市电A通过HVDC输出DC 270 V,屋顶光伏通过DC/DC接入DC 270 V母线,市电A+光伏2路直流输出合为1路,为服务器机柜提供直流供电;市电B经交流列头柜直接为服务器机柜提供交流电源。另外,通过监控模块控制,使光伏DC/DC的电压高于市电A的AC/DC电压,即市电A经HVDC的AC/DC处于热备份状态,白天优先使用光伏供电、市电A作为补充,夜晚市电A经HVDC与市电B各提供50%供电。高压直流数据中心供电示意图(一)如图2所示。高压直流数据中心供电示意图(二)如图3所示。

图2 高压直流数据中心供电示意图(一)

图3 高压直流数据中心供电示意图(二)

该项目仍以交流供电为主,数据中心负荷未直接接入直流配电网。若能将数据中心与直流微电网相结合,可实现高压直流双电源系统双路供电[5],该供电形式除双路供电外,还可提供双电源,可靠性更高,但投资成本也更高,即其中一路为HVDC(市电A)+直流微电网,虽然不单设蓄电池,但可利用直流微电网的储能装置;第二路为HVDC(市电B)+蓄电池,第二路HVDC休眠后备。采用该方案,第一路可靠性为1-(1-0.999 8)×(1-0.999)=99.999 9%,第二路可靠性为99.999 99%,总可靠性约13个9数量级,远高于交流2NUPS和市电+240 V高压直流双路供电(10个9数量级)的供电可靠性,同时供电效率更高。

5 储能及光伏系统

项目BIPV光伏方案效果如图4所示。

图4 项目BIPV光伏方案效果

利用屋面及侧立面的空间设置光伏发电,在屋顶设置不透光的碲化镉薄膜太阳能电池,另外在屋顶构架侧立面东、西、南面采用40%透光率的碲化镉薄膜太阳能电池,不同规格光伏电池共计1 451块,总并网装机容量322 kWp,约占建筑总负荷比例的2.6%。光伏发电采用组串式结构、并网不上网的方案,通过一级DC/DC变换器实现MPPT条件下精准限压限流,其中180 kW光伏发电经直流汇流箱、DC/DC变换器以DC 400 V接入数据中心,用于数据中心高压直流供电;另外142 kW光伏发电经直流汇流箱、DC/DC变换器以DC±375 V接入直流双极母线,用于直流充电桩、直流照明等负荷。

该项目储能结合新型水系锌离子电池试验平台搭建,水系锌离子电池具有安全性高、绿色环保、成本低、循环性好、使用寿命长、运维简单等优点。相对于铅酸蓄电池的重金属铅和电解质溶液对环境的污染,水系锌离子电池所用原材料及充放电的反应产物均无毒无害。相对于锂离子电池散热、过充、过放等防护要求及安全性能隐患,水系锌离子电池在过充、充放、短路情况下无爆炸、起火的风险,具备类似铅酸电池的高安全性,适合用于建筑物内大规模静置型电力储能使用。能量密度低于锂离子电池但优于铅酸电池,循环寿命大于3 000次,高于阀控式密封铅酸蓄电池循环寿命1 000～1 200次[6]。

项目储能系统分两期设置,一期和二期各安装250 kW/500 kWh 储能电池(5组50 kW/100 kWh电池簇),每组50 kW/100 kWh电池簇构成方案。电池簇构成示意图如图5所示。

图5 电池簇构成示意图

(1)储能系统最小单元的单体电池为1.4 V,30 Ah(电压1.2～1.85 V),4个单体电池并联组成1个1.4 V、120 Ah、168 Wh的电池模组。

(2)600个电池模组串联组成1个840 V、120 Ah、100 kWh的电池簇。该电池簇额定充放电电流为60 A,功率为50 kW。

(3)5组50 kW/100 kWh电池簇,直流端电压720～1 110 V,通过DC/DC变换器以DC±375 V接入直流双极母线。一期500 kWh储能并网示意图如图6所示。

图6 一期500 kWh储能并网示意图

相对于数据中心UPS系统、消防疏散照明集中电源系统,主要追求电池可靠性及浮充寿命,储能系统选择电池更重视循环寿命,以便实现每天的谷充峰放,甚至一天多次充放的使用要求[6]。另外用于建筑物内的储能系统应关注电池的消防安全问题,除考虑锂离子电池等因过充、过放、短路等引发爆炸、起火的风险外,还应考虑水系电池(如阀控式密封铅酸蓄电池、水系锌离子电池)充电过程中少量析氢现象,需结合氢气排放量、通排风条件,划分储能机房的爆炸性气体环境危险性区域等级。由于储能机房的电源重要性不如数据中心的UPS机房,可能存在1天以上房间密闭、风机故障、电池异常及无人检查等情况,因此应对储能机房的通排风机运行状态、可燃气体浓度(氢气)等进行实时监测,并接入消防报警系统,如有故障及时响应、排除。

6 充电桩

该项目采用DC±375 V直流母线电压等级,极间750 V满足直流充电桩发展需要。根据每日储能电池储存电量、光伏发电量与消纳平衡计算直流充电桩配置数量,日均发电量与用电量如表2所示。

表2 日均发电量与用电量

大楼完全投入运营,停车位满负荷使用正常下,典型工作日直流充电桩数量配置计算如下:

(1)直流充电桩充电功率按60 kW/台配置,电动车电池满载容量取60 kWh,充电需求30%电量充至80%电量,因此每车/次充电容量为30 kWh。

(2)每车/次充电时间为0.5 h。

(3)每天峰、平电价时段由直流微电网供电时间为11 h。

(4)需要系数Kx:根据18D705-2 《电动汽车充电基础设施设计与安装》,60 kW直流快充的需要系数为0.2～0.7;考虑直流快充模式下,多为临时停车、使用车位的时间不长,按充满即走考虑,车位充电时间0.5 h,空闲时间取0.5 h,则每停车位每桩的使用系数为0.5,即需要系数取值0.5。

(5)直流充电桩数量初算13个。考虑大楼业态为自用办公,对直流快充的需求较低,该项目考虑安装10台直流快充桩,储能及光伏日发电余电逆变至380 V交流配电网,供交流慢充桩等负荷使用。

7 接地形式及故障保护

IT接地形式在单点故障时由于故障回路阻抗很大,因此故障电流小,仍具有较高安全性,但两点故障危险性较高,对断路器开断电压要求较高,需采用绝缘监测装置、直流断路器及故障定位和分区选线等安全保障措施,但应用难度最小;兼顾安全性和技术成熟度,现有技术和产品能够满足IT(高阻)接地形式安全保障所必须的绝缘监测的基本要求。相较TT和TN系统,IT系统应用难度和技术风险最小,配合加强绝缘和安全接地等常规手段,能够更好地满足低压直流配电系统安全性方面的要求,因此该项目选择IT(高阻)接地方式。

8 运行策略

直流配电系统常见运行模式包括如下[7]:

(1)经济模式。结合电网分时电价,保证整个系统的经济性能最佳,实现发电、用电、储能利益最大化。

(2)需求侧响应模式。通过对储能、负荷的控制,响应电网的短时需求。

(3)限功率取电模式。通过对发电、负荷、储能的调控实现对电网的恒功率取电,避免随机间歇性的大功率波动。

(4)应急模式。当电网或分布式发电短期内无法满足用电需求时,提前最大化存储电能,在应急情况下释放,满足重要负荷的应急使用。

(5)孤岛模式。脱离电网,实现发、储、用的自平衡状态。

该项目运营初期以经济性为主,主要运行为经济模式,即结合杭州当地的分时电价,低谷电价时段为储能电池充电,高峰及尖峰电价时段储能电池放电,实现直流配电系统的经济利益最大化。储能电池每天充放电2次,保障储能电池的循环寿命。

杭州一般工商业及其他用电六时段分时电价时段划分,峰谷平电价曲线如图7所示。图7中,尖峰时段:19∶00～21∶00;高峰时段:8∶00～11∶00,13∶00～19∶00,21∶00～22∶00;低谷时段:11∶00～13∶00,22∶00～次日8∶00。

图7 峰谷平电价曲线

典型日电力负荷发电、用电波动图如图8所示。

图8 典型日电力负荷发电、用电波动图

直流配电网经济模式下的运行策略如下:

(1)夜间低谷电价时段22∶00～次日8∶00,电网为储能蓄电池充电,白天高峰电价时段8∶00～11∶00,光伏发电及储能蓄电池放电为直流配电网供电,余电逆变至交流配电网。

(2)白天低谷电价时段11∶00～13∶00,光伏及电网为储能蓄电池充电,白天高峰电价时段13∶00～19∶00、夜间尖峰时段19∶00～21∶00,储能蓄电池放电为直流配电网供电,余电逆变至交流配电网。

9 结 语

该项目低压直流供电的电压等级选择,主要从经济性、供电半径及灵活性的角度考虑,大容量直流负荷为降低线路电流、减小线缆截面,优先考虑高电压等级供电,另外直流电压等级也要考虑不同电压等级负荷接入的灵活性,由于降压DC/DC变换器成本低于升压DC/DC变换器,直流负荷电压等级尽量与直流电压等级相近、或以降压DC/DC变换器接入。数据中心采用高压直流供电具有高效率、高可靠性的优势,未来有望替代传统交流UPS系统,与光伏、储能、直流配电网相结合,未来应用潜力巨大。民用建筑内的储能电池的选择与UPS电池要求不同,更应该关注循环寿命、电池消防安全性能,加入储能的直流配电网,更能发挥直流供电的可靠性、灵活性。