直流配电系统在建筑物中的应用及案例分析

谭源锋

摘要：文中介绍了建筑物应用直流配电的所在地的自然条件要求，分析了建筑物用电设备直流化趋势，阐述了当前交流配电系统面临的问题和直流配电系统的优势。通过案例对直流配电系统的设计、配置、负荷等进行了详细介绍，针对案例实际运行情况做出评价，分析了案例直流配电系统存在的问题。通过案例验证了直流配电系统在建筑物种应用的可行性。

关键词：直流配电、绿色建筑 、新能源

前言：

在风电、光伏等新能源、 储能系统技术以及直流用电设备的不断发展过程中，分布式电源和直流用电负荷从供应和需求两端推动着直流配电技术不断向前发展。从电源的供应端来说，风力发电、光伏发电、电储能、直流微电网等技术获得了长足了发展;从负荷端来说，汽车充电、LED 照明、LED 大屏、数据中心、电脑、手机等也都离不开直流电。直流配用电系统具有供电容量大、线路损耗小、便于分布式电源接入、电能质量好、运行效率更高、不存在无功补偿问题等优点，可提供安全、灵活、高效的供电服务;直流配电的应用受到业内广泛的关注，具有巨大的发展前景。

一、建筑物应用直流配电所在地的自然条件要求

建筑物所在地的外部自然條件一定程度上决定了采用直流配电的经济可行性。如，我国的西北和北方的太阳能资源丰富，更适合采用光伏发电;而风能资源丰富的地区更适合采用风力发电。在远离城市的牧区、海岛、边防站、临时性的旅游集中点、船舶等地方，由最近的市政电网新引供电线路的成本高昂或不具有可行性，这种情况下采用就地设置光伏或风力发电，可以节约大量的外线投资，又保证了系统运行的稳定性。

二、用电设备直流化趋势

随着科技发展，越来越多的直流用电设备融入到生活中。例如，电动汽车、 LED 照明、 电脑、 手机、直流空调等都离不开直流电，而大型建筑使用的 LED 大屏、 数据中心同样也是直流大型用电设备，采用直流供电将减少交流/直流转换环节，有效提升此类负荷的用电能效。

三、交流配电系统面临的问题

交流配电系统中大量电力电子器件的使用造成电网谐波污染越来越严重;大型城市用电负荷一天内的峰谷差超过峰值负荷的一半，从而导致电源和电网的效率及有效利用率下降;分布式电源高效接入电网问题。

四、直流配电系统的优势

直流线路不存在集肤效应，也不存在涡流损耗，因此直流线路输送容量要高于交流线路输送容量。

直流系统不存在频率偏差、三相电压不平衡以及无功补偿等问题，因此避免了频率偏移、电压波动与闪变以及谐波污染等问题，供电可靠性也较高。比如在综合医院、高校、实验室、大型场馆等民用建筑内，都存在部分冲击性负荷，当冲击负荷接入系统时，会造成电压闪变等电能质量问题。而在直流配电网中可以方便地接入快速响应的储能装置，冲击性负荷不会造成大的电压闪变。减少电能变换环节，提高系统效率。

当今，直流用电设备以及变频用电设备等己在社会中得到广泛应用，但是在交流配电网中，这些设备需要经过整流和逆变环节才能达到使用要求，如果采用直流配电，则省去了整流和逆变环节，降低了能源损耗，也降低了系统损耗。

五、工程案例分析

以已投入使用某能源科技展示馆为例介绍建筑直流配电系统的应用，并以实际直流配电系统运行效果为依据对直流系统及直流用电设备进行评价，以及分析建设过程中直流配电系统及用电设备存在的缺陷以及待解决问题。

1、工程概况

已投入使用某能源科技展示馆，总建筑积为28484平米，其中地上建筑面积为17977平米，地下建筑面为10507平米，建筑高度为23.7m，地上3层，地下为1层，1层和地下1层局部设有夹层。本工程为被动式超低能耗绿色建筑，充分利用太阳能光伏发电系统，为建筑物提供直流供电，以更少的能源消耗提供舒适室内环境，并要求用电100%由光伏发电系统提供。

2、筑物交直流负荷及系统负荷

（1）交流负荷

展陈区照明、办公区插座、楼体亮化照明、应急照明、消防动力、消控室供电、生活水泵房供电、弱电机房供电、指挥中心供电、数据机房空调供电、水处理机房供电、智慧停车系统供电、排污泵、空气源热泵、电梯扶梯、热风幕、地道风机。交流系统补偿后计算负荷为1062kW。

（2）直流负荷

展陈区、办公区及公共区域照明和直流插座、数据机房服务器、充电桩、制冷机房、光伏离心机、空调机组用电、大屏幕。设备总容量为1036kW。

3、建筑物配电系统形式和结构

本建筑采用交直流混合配电系统，交流供电电源由两路市政10KV提供，直流电源由建筑物光伏发电系统提供。低压交流配电系统采用220/380V放射式与树干式相结合的方式，对于单台容量较大的负荷或重要负荷采用放射式供电，对于照明及一般负荷采用树干式供电。直流配电系统采用放射式供电方式。

4、光伏智能微电网系统工程概述及运行原理

（1）交流负荷光伏系统设计方案和系统主要设备

该太阳能光伏发电方案总装机量为937.318kWp，由五个子系统组成，分别是屋面光伏系统、东立面光伏系统、西立面光伏系统、南立面光伏系统、采光顶光伏系统，共有1340块410Wp单晶硅光伏组件、926块318Wp单晶硅光伏组件、1405块50W的薄膜光伏组件、160块的145W薄膜光伏组件。系统主要设备由14台60kW的DC-DC变换器，7台15kW的DC-DC变换器、7个汇流计量箱、7个智能汇流箱、1个总汇流计量箱、两套PCS双向储能逆变器、两套BMS电池管理系统、多个负荷侧DC-DC变压设备组成。

（2）系统运行原理

当光伏发电量大于总负荷时，剩余电量储存在蓄电池组或向市电网卖出多余部分电量;当光伏发电量小于总负荷时，由蓄电池补充电能，与光伏发电系统一起给负荷供电;当阴雨天或晚上等极端情况下，由光伏发电系统和储能系统组成的整个系统能量不足时，由市电补充电能给负荷供电;当市电意外停电时，系统可根据当前光伏发电情况和蓄电池剩余容量的情况自动控制两级负荷的投切。

5、国内直流电压等级现状和本工程直流系统电压等级设置

（1）国内直流电压等级现状

在直流配电中，最基础、最重要的工作就是确定电压等级。目前我国民用建筑直流配电网的研究尚处于起步阶段，虽然国家标准己经出台，但是缺乏实际工程的验证，同时对于低压用电电压等级的确定，特别是民用建筑内的电压等级确定尚无统一意见。本工程直流配电系统的实际应用为今后直流配电系统电压等级确定提供了实践依据。

（2）本工程直流系统电压等级设置

本工程设置直流750V、400V、240V、48V四个电压等级。750V可作为公共电压网络供电电压，也为直流充电设备、分布式能源提供接口，同时为建筑内空调、冷却塔、热循环泵、充电桩供电;400 V则是低压导线的耐压极限，满足直流动力照明配电传输和降压需求;240V为适应数据机房和光伏离心机（交直流可用冷水机组）用电设置;48 V属于安全电压，无需接地，使系统更加简单，主要作为大屏幕、LED灯具及直流插座及空调系统末端风机盘管供电。

6、直流配电系统保护及保护装置

与交流配电类似，直流配电同样存在短路、接地、交直流混接故障和绝缘下降等异常运行情况，同时还存在直流环网故障。

（1）设计要求

通过电力电子设备、断路器、熔断器、SPD、绝缘检测仪、电弧监测仪等设备组成进行直流系统的过流保护和行波保护;配电室（近电源侧）断路器分断能力要求50kA，终端配电断路器分断能力要求6kA，断路器单极可承受全电压的分断要求。

（2）本工程保护装置选型

在本工程直流系统中，采用了南京国臣的一体化直流配电单元及直流主动式保护装置，实现了对各类故障的准确识别、快速响应。一体化直流配电单元是一类直流配电保护测控装置，主要用于直流进线和直流馈线的各种故障保护跳闸和告警。直流断路器是直流配电系統中重要设备，是故障跳闸和隔离的执行机构，装置采用ABB公司TMAX系列直流断路器，通过控制励磁脱扣器使断路器断开和电动操动机构进行故障合闸恢复运行，基于一体化配电单元的直流配电系统，可以达到直流配电保护要求的快速、可靠、灵敏、准确动作要求，实现电流保护、电压保护、接地漏电流保护、过负荷热保护、逆功率保护以及开入量联锁保护等功能。

7、本工程直流配电系统运行情况评价、直流配电系统及用电设备存在的缺陷以及待解决问题

（1）直流配电系统运行情况评价

经过近一年的运行，智能光伏发电系统现仍未实现与市政电网并网运行，交流、直流负荷分别由交流、直流配电系统分别供电。本工程直流配电通过采用可靠完善的保护策略和合理的能量调度策略，系统运行稳定、可靠，光伏发电系统发电量能够满足直流负荷峰值运行。

（2）直流配电系统及用电设备存在的缺陷以及待解决问题

智能光伏发电系统未实现与市政电网并网运行，无法验证被动式建筑100%供电由光伏发电提供的要求。此问题需与当地供电部门持续沟通、探讨本工程智能光伏发电系统并网技术可行性。

国内直流供电技术处于实践阶段，直流产品可供选择厂家较少，造成本项目实施阶段存在较多问题。本工程直流空调机组、直流冷冻泵、直流冷却泵、直流热循环泵仍采用交流电机，增加了整流/逆变环节的能量损失，也增加了建设成本;直流降压设备使用寿命低，价格高，制造商仍需继续研发，提高工艺水平，降低成本，提高产品经济适用性;直流灯具、直流插座成品较少，需制造商按需求对交流成品改造加工;直流配电、用电设备价格高昂，建设成本较高。

六：结 论

实践表明，建筑物采用低压直流配电系统在理论上和技术上完全可行。直流配电系统降低了对交流电网的依赖性，缓解了城市峰谷用电矛盾，最大程度上实现了建筑用电的自给自足。随着电力公司、设备制造商、建筑设计院、用户等全产业链的共同参与和努力，直流配电系统在民用建筑内的推广和应用，对推进节能减排和能源可持续发展具有重要意义，同时也为未来绿色建筑探索了一条可行之路。

参考文献：

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