基于直流微电网的建筑供用电系统设计与监控

韩 瀛, 乌聪敏

(天津大学建筑设计规划研究总院有限公司, 天津 300010)

0 引 言

近年来,在工商业及民用建筑领域,以光伏为代表的直流电源和以电动汽车为代表的直流负荷应用越来越普遍。为有效提高整体能源利用效率,直流供用电系统在建筑领域得到了广泛关注[1]。相比传统交流供用电系统,建筑直流系统具有如下优势:消除谐波、三相不平衡等电能质量问题;利用电力电子装置的高可控性,可实现需求响应等灵活控制;减少交直流转换环节,降低转换损耗,提高光风等可再生能源以及储能系统的接入效率[2-4]。

包含光伏、储能等分布式能源的建筑直流配电系统在一定规模上即为直流微电网,具有可再生能源高比例消纳、并离网灵活切换等优势。美国、日本、印度等国先后开展实验性直流供电建筑的探索。2007年初,日本政府便通过NEDO启动了住宅直流供电技术的研究和开发项目。2010年松下住宅公司在日本滋贺县东近江市建造了零能耗试验住宅投入使用[5],全面测试了住宅直流供电技术。在欧洲,飞利浦、西门子等公司联合提出基于先进半导体技术的建筑直流供电方案[6]。美国劳伦斯伯克利国家实验室开展数据中心直流配电实证研究,验证了直流系统在可靠性、经济性方面的优势[7]。

清华大学王福林等[8]论证了建筑全直流供电和分布式蓄能的可行性及推广效益。施婕等[9]构建了一个应用于现代建筑的直流微电网系统,并提出电源、负荷变化情况下的直流微电网控制策略。文献[10]量化分析了直流建筑经济性,并提出电压等级配置方案。文献[11]介绍了办公楼宇低压直流系统的建设及运行模式。但是,国内外直流建筑以仿真分析研究为主,工程示范负荷、电源类型少、拓扑简单,难以满足结构日益复杂的建筑直流供用电系统设计需求,亟待研究制定一套适应多种类型直流设备高效接入、协同运行的建筑直流供用电典型方案。

本文提出了建筑供电系统总体架构及系统的基本组成,给出包含分布式光伏、储能、不同电压等级直流用电设备的直流楼宇系统典型设计方案,最后从整体能源管控效率提升角度,提出直流智能楼宇监控平台总体架构,为直流供用电模式应用提供参考。

1 总体设计思路

供用电系统的一次设备设计方面,直流配电建筑通过建筑与可再生能源一体化设计,实现绿色能源与建筑基础设施的深度融合,充分利用建筑屋顶、车棚、幕墙等空间,在满足建筑本体功能定位与建设要求的前提下,尽可能多地配置可再生能源,提高建筑能源自给率。

在供用电系统监控体系设计方面,在感知层优化配置各类采集设备,实现对源、网、荷、储各环节运行数据、环境参数等全量采集。在此基础上,实现建筑负荷和发电精准预测,进而提出系统性的能量管理策略,并可结合电网实时运行态势优化建筑直流微电网运行模式,解决建筑可再生能源便捷接入与高效利用、源荷协调控制等问题,在保障建筑用能需求的同时,平滑间歇性可再生能源出力波动,并最大限度实现可再生能源就地消纳,提高系统的整体能源利用效率。

直流建筑整体设计思路如图1所示。

图1 直流建筑整体设计思路

2 典型配置

2.1 拓扑结构选择

纯直流配电系统的基本拓扑结构主要有辐射状、环状、双端供电、多端供电等。考虑到直流楼宇供电范围相对固定,直流负荷相对集中,因而选用放射型拓扑结构,其结构简洁,与传统的400 V交流配电系统具有良好的兼容性,有利于实现用户分布式电源和储能装置的即插即用以及建筑配电系统能量智能管理。

2.2 电压等级选取

建筑低压直流微电网电压选取遵循如下原则。

(1) 兼容目前已有的可用直流替代的交流设备,做到将直流提供给用电设备时,设备能正常工作,且设备内部关键元器件的电压应力、电流应力都不会超出正常使用范围。

(2) 线路的损耗不能大于现有的交流供电情况。

(3) 兼顾用电设备的关键元器件的生产制造选型。

(4) 匹配现有可量产直流断路器运行工况要求。

(5) 匹配储能单元和光伏发电单元并网电压。

结合IEC标准的低压直流电压优选值DC±375 V,选择DC±375 V作为系统第一级电压。所带电源、负荷主要是建筑光伏、分布式储能、电梯、中央空调等。常规家用或办公用直流用电设备选取220 V作为供电电压,对于48 V及以下电压等级供电的设备,采用多端口多电压自适应直流适配器,实现负载识别0～48 V输出电压自适应调节。

2.3 系统配置方案

通过交直流换流阀将交流10 kV转换为直流±10 kV,为下级直流换流阀供电。直流±10 kV通过直流换流阀转换为直流±375 V,并实现直流±375 V端口在楼宇中的接入。建筑屋顶或者幕墙光伏发电系统采用直流并网模式,经DC/DC变换后并入±375 V直流母线,采用自发自用、余电上网模式,优先为楼宇内直流负荷和储能装置供电。分布式储能系统平抑光伏出力波动,同时为楼宇负荷提供应急电源保障。直流建筑供用电系统典型配置方案如图2所示。

图2 直流建筑供用电系统典型配置方案

通过DC/DC变换装置将±375 V直流端口转换为直流220 V,配置主动式保护装置。然后通过DC/DC技术将直流220 V转换为改造后的电视机、电磁炉、电冰箱、投影仪、饮水机、电脑、LED灯等办公/家用电器供电,实现用电系统全直流化,搭建“低压直流商业体验区”,为用户营造一个安全、智能、可靠、高效的用电环境。

3 监控平台设计

为对系统整体运行情况进行监控,设计了楼宇直流供用电系统监控平台。建筑直流供用电系统监控平台功能架构如图3所示。

图3 建筑直流供用电系统监控平台功能架构

3.1 数据采集

(1) 模拟量采集,包括楼宇直流配电系统各点电压、电流、电量等模拟量的采集。

(2) 状态量采集,包括开关位置、事故跳闸信号、保护动作信号、异常信号、开关储能状态、终端状态等状态量的采集。

(3) 其他数据采集,包括对特定的电网电能质量数据的采集以及PCS电源运行状态数据的采集。

3.2 光伏发电监控

对太阳能光伏发电的实时运行信息、报警信息进行全面监视,并对光伏发电进行多方面的统计和分析,应能显示光伏系统的当前发电总功率、日总发电量、累计总发电量以及每天发电功率曲线图。

3.3 储能单元监控

对储能单元的实时运行信息、报警信息进行全面监视,并对储能进行多方面的统计和分析,主要包括以下信息。

(1) 可实时显示储能的当前可放电量、可充电量、当前放电功率、当前充电功率、可放电时间、今日总充电量、今日总放电量。还可实现对各电池模块的状态巡检,并通过监控界面显示。

(2) 能遥信双向变流器的运行状态、告警信息,其中保护信号包括低电压保护、过电压保护、过电流保护、器件异常保护、电池组异常工况保护、过温保护。告警信息包括储能单元过欠压、过载、过温等故障状态。

(3) 能遥测双向变流器的充放电电流、电压、功率以及储能剩余容量、电池单体电压等。

(4) 能对储能电池充放电时间、充放电电流、电池保护电压等进行遥调,实现远端对双向变流器相关参数的调节。

(5) 能遥控双向变流器充电、放电功率。

3.4 负荷监控

对直流系统内部负荷进行监视、控制和统计,为直流配电系统功率平衡分析控制等提供依据。在运行时,可对这些负荷进行分组监控。

3.5 统计分析

(1) 全景展示,展示系统整体拓扑结构以及各关键用电设备、电力电子变换装置的运行电压、电流以及功率数据;展示光伏、储能以及负荷的实时运行功率曲线及不同周期发、用电量,统计清洁能源利用比例。

(2) 能耗分析,通过稳态数据分析,直观了解各楼层、各设备的运行功率以及能耗情况。通过柱状图和饼状图结合的方式分析建筑直流系统的运行电量及功率统计数据,实时发出高耗能预警,提醒用户优化用能行为。

3.6 系统调度

可根据直流配电网与交流配电网的协调互动,进行电网自平衡和自平滑统一的优化控制,具有直流设备运行状态监测、运行数据存储和分析、远方通信、电源/储能/负荷运行状态实时监控、分布式发电预测/负荷预测/可控发电计划、能量优化管理的功能。

4 建筑直流系统运行模式

鉴于直流母线电压是反映系统功率平衡的唯一指标,针对直流配电系统功率平衡控制问题,其主要控制对象为直流母线电压。项目中,按照不同系统目标以及与电网间的协调调度控制需求进行了系统运行模式的设计,大致可以分为以下几种。

(1) 经济模式。保证整个系统的经济性能最佳,实现发电、用电、储电利益最大化。为降低对电网公司的并网管理要求,系统直流侧可以不向交流侧返送功率;当自身功率无法满足需求时,向交流侧实时取电实现功率需求平衡。

(2) 需求侧响应模式。通过对储能、负荷的控制,可以使传统的需求侧响应电网交流侧的短时要求,如降低对交流侧功率需求(切负荷或释放储能)或返送功率支撑电网交流侧。

(3) 限功率运行模式。直流系统运行状态多样,当供电部门对于用户侧用电功率进行限制或系统运行在负荷波动较大的情况下,需要保证直流侧不向电网交流侧汲取超过其容量限制的功率。如果新能源发电和储能配置适当,可以通过协调控制实现对电网交流侧的“恒功率取电”。

(4) 应急模式。当电网交流侧或新能源发电短期内可能无法满足用电需求时,需要提前最大化存储电能,并只在应急情况下释放,满足重要负荷在特定应急时期使用。

(5) 直流侧孤岛模式。当配电网发生故障,建筑直流微电网交流侧失电时,直流侧处于孤立的“发-储-配-用”自平衡状态。

建筑直流系统控制策略如图4所示。

图4 建筑直流系统控制策略

5 结 语

本文系统构建了建筑直流供用电系统整体建设思路,在此基础上提出直流智慧建筑的典型配置方案,并给出建筑能量监控系统的全景设计架构,配合响应的控制与保护系统,结合电网运行态势,制定对应的运行控制策略,实现建筑能源系统清洁化、高效化,为后续实际推广应用提供理论支撑和实践经验参考。同交流电相比,直流电在消纳分布式能源以及转换效率方面有其先天的优势。在全球推动碳达峰、碳中和的国际大势下,建筑作为电力消耗的重要对象,结合分布式发电技术的不断发展以及能源革命的持续推进,直流配电技术也将从局部示范得以不断推广应用。在敏感负荷集中的工业园区、分布式发电集中应用区域、数据中心、绿色建筑等场景,直流供用电模式将有更为广阔的应用前景,建筑直流微电网也将成为支撑电网整体高效运行的能量单元,成为未来建筑技术发展的重要突破口。