直流配电技术在民用建筑中的应用

2023-01-10范玉华宋建刚

现代建筑电气 2022年12期

范玉华, 宋建刚

(南京长江都市建筑设计股份有限公司, 江苏南京 210002)

0 引言

随着绿色、健康、低碳、零能耗建筑概念的兴起,绿色能源在民用建筑中的应用逐渐成为建筑行业热点。建筑低压直流配电系统应用日趋广泛,与传统的交流配电架构相比,直流配电架构具有转换效率高、电能损耗小、供电可靠性强等优势[1],特别适合负荷需求多样化、分布式新能源接入规模化的发展现状,而且在提高电能质量、减少电力变换器件、发挥分布式能源效益等方面,能起到积极的促进作用。

大量可再生能源、分布式能源接入电网、建筑物以及与日俱增的用户终端直流负载是发展直流配电的内在驱动力。直流配电系统应用于民用建筑的优势在于:

(1) 通过减少交直流变换环节以提升效率的方式节省能源。

(2) 通过低压直流配电代替交流配电,提升用电安全性。

(3) 为分布式新能源电源提供更适宜的电力接入。

(4) 提前布局电动汽车充电桩等大功率直流负载的适宜接口。

若使用直流配电系统,可以大量减少配电环节中DC-AC变换器的使用,既降低了电网的构建成本,提高了电网的可靠性,同时也降低了电能变换、传输过程中的损耗。

1 直流电源系统

直流电源系统是独立于正常供电系统以外的电源系统,具有系统电压稳定,干扰小,供电可靠性高等特点。直流系统一般由蓄电池组、整流充电装置、监测控制装置和直流配电装置等部分构成[2]。

近年来随着电力电子技术的不断成熟,直流输配电的主要元件——换流器造价降低及耐压值、过流量的提高,使得直流输配电再次受到重视。直流配电与交流相比其优越性主要有:输电线路电感对直流电流无阻碍作用,直流配电可提高电能传送能力;直流配电电压要高于交流配电电压,使得电能传输距离以及电能质量得到了保证。

2 低压直流配电系统电压等级选择

电压的选择主要遵循两个原则:① 用尽可能少的电压等级满足尽可能多的末端负荷用电需求;② 尽可能使用较高的直流电压,降低电流,允许使用直径较小的电缆,并减少配电功率损耗。因此,对于建筑低压直流配电系统一般考虑如下几个电压等级:

(1) 特低电压120 V以下(例如24 V DC或48 V DC),用于低功率、安全配电场景,例如办公设备、照明、IT设备或工业控制器。这个电压水平输电功率在一般在几百瓦以内,配电面积限于一个单间或一个小房子,如以太网配电和电力传输(USB 3.1)设备配电用电。

(2) 低压450 V DC(例如375 V DC)以下,用于中功率场景,如空调采暖、办公设备和小型数据中心的配电。该电压水平配电功率可达到100 kW级别,用于连接小型和中型储能系统和可再生能源系统。

(3) 低压1 500 V DC(例如750 V DC)以下,适用于工业和大型建筑的高功率场景,包括直流输配电和高功率电源、负载和存储系统[3]。这种电压等级适合作为直流主干线,可通过较长的电缆线路连接大规模建筑群。

从目前已有的规范、标准看,依据GB/T 35727—2017《中低压直流配电电压导则》表3.2.1-1中选取±375 V优选值为标称电压。建筑物的室内配电电压选择安全的特低压直流配电电压等级,依据GB/T 3805—2008《特低电压(ELV)限值》特低电压限值最低值为70 V,结合GB/T 156—2007《标准电压表》中第4.7章节,直流额定电压优选值选取室内一般用电电压为48 V。

从建筑用电负荷特点看,根据GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》,当用电设备的安装容量在250 kW及以上时,宜以中压配电;当用电设备总容量在250 kW以下时,可由低压配电。对于建筑光伏系统而言,由于容量较小,推荐其电压等级为低压,便于并网或组成微电网。建筑光伏发电系统的电压等级宜采用直流低压。

从民用建筑用电负荷容量、电器设备特性、配电距离以及安全需求等因素综合比较,推荐采用DC 750,DC 375,DC 48 V三级电压等级。直流配电电压等级如表1所示。

表1 直流配电电压等级

3 建筑低压直流配电系统典型架构

建筑低压直流配电系统由电源设备、配电设备、用电设备和控制系统构成[4]。配电系统组成遵循精简、集成电源设备,完善继电保护,人性化用电设备,定制化控制系统的原则,在充分满足用户需求与用电安全的前提下,尽量通过集成的方式,减少设备数量。

对于建筑低压直流配电系统的电源设备,建议采用交直流变换器、分布式电源以及直直换流器集中精简组合的形式进行设计:来自电网的交流电力,通过集中式交直流变换器转为额定直流电供给直流母线;分布式电源(如光伏、风能等)产生的直流电力,通过直直换流器转为额定直流电供给直流母线。

开关、断路器等继电保护设备灵活组合,完善继电保护过程,提高系统可靠性与安全性。

依据实际用户需求制定直流用电设备以及插头插座用电接口形式,其中用电设备可参照GB 4706.1—2005《家用和类似用途电器的安全第1部分:通用要求》进行选取;插头插座依据GB/T 2099.8—2017《家用和类似用途插头插座第2-4部分:安全特低电压(SELV)插头插座的特殊要求》,GB 2099.1—2008《家用和类似用途插头插座第1部分:通用要求》,GB/T 34134—2017《家用和类似用途安全特低电压(SELV)交流和直流插头插座16 A 6、12、24、48 V型式、基本参数和尺寸》,GB/T 34134—2017《家用和类似用途安全特低电压(SELV)交流和直流插头插座》等标准制定。

控制系统遵循定制化设计原则,结合继电保护系统,合理布置控制系统(含传感器、测量/计量表具、控制器和监控软件)。系统示意图如图1所示。

图1 系统示意图

4 单极或双极直流母线架构选择

建筑低压直流配电系统应根据系统规模、负载分布、控制方式和接地要求等因素选择单极或双极直流母线架构。在系统规模小、负荷类型单一的场景可采用单级直流母线架构;在系统规模大、负荷类型多样以及控制要求高的场景可采用双极直流母线架构[5-8]。

单极直流母线结构简单,控制方便,一般负荷类型比较单一的应用场景(如工业生产线、数据中心等)适合采用单极母线拓扑和负电压的配电形式;对于中小规模建筑而言,也可考虑采用单极母线架构,相关低功率办公应用、LED照明、小电机和小型IT设备等输入电压比较一致的负载可统一接到单极母线上。单极母线的缺点是灵活性较差,对于电压和功率差异较大的直流负载而言,需要在用电设备前端配置直直换流器,以适应设备的输入要求。当建筑系统规模大到一定程度时,多换流器协同就成为不可避免的问题,换流器成本增加也抵消了线路上的成本节省。

双极母线两相网格对不同负载提供更大的灵活性。灵活性主要体现在:① 可根据用电负荷的特性进行分组配电。通常情况下,直流配电系统两极以相同的方式使用,并且尽可能负载均匀地分配在两极。但也可将需要高可靠性供电的负载同电池系统集中连接在一极母线,提供高可靠性供电。② 可提供更多的电压等级选择,例如要求较高的输入功率或电压的设备可以连接正负两极之间,提供更高的电压等级。

双极母线的缺点是需要解决两项负载不均衡问题。一般有3种解决措施:① 在集中的AC/DC换流器中采用两极功率平衡设计,使正负两极之间可以进行功率传递和支持;② 正负两极分别采用两个独立的AC/DC换流器,共用中性线,即真双极形式;③ 根据正负极母线负载情况切换用电负荷和分布式电源的接入,发挥直流微网的功率调度功能,动态调整两极负荷平衡。双极/单极直流母线示意图如图2所示。

图2 双极/单极直流母线示意图

5 接地系统的选择

依据IEC 60364-1定义,直流系统典型的接地方式有:① TN接地方式,供电线路在电源侧接地并引出接地线,用电侧设备外露导电部分,包括设备的金属外壳,通过接地线接地;② IT接地方式,供电线路在电源侧不接地或高阻接地,用电侧设备外露导电部分接地;③ TT接地方式,供电线路在电源侧接地,用电侧设备外露导电部分直接接地。直流系统典型接地方式如图3所示。

图3 直流系统典型接地方式

IT、TN和TT 3种接地方式不论哪种接地方式都存在一定的安全风险,与传统的交流系统一样,必须结合安全接地和等电位连接等防护措施,才能满足安全性方面的要求。考虑到民用建筑的复杂性,接地方式的选择还需要考虑故障分区定位和选线的要求,甚至安全接地或等电位连接等防护措施失效等异常情况。从兼顾安全性和技术成熟度的角度看,IT高阻接地方式安全保障所必需的绝缘监测,现有技术和产品能够满足基本要求,应用难度和技术风险最小;TN接地方式对直流RCD和直流断路器的依赖很大,在技术和产品成熟度和应用经验缺乏的情况下,存在较大的安全隐患和风险;TT接地方式的安全监测和故障保护都存在较大困难,同时还存在共模电压带来的电磁兼容或安全性方面的问题。为此,建议在低压直流配用电系统中采用IT(高阻)接地方式。

在采用IT高阻接地方式的系统中,应配置绝缘电阻检测装置,分别监测包括P、N和M在内各极线路对地的绝缘电阻。针对IT高阻接地系统,对地绝缘故障的定位和排查应配置具备故障定位功能的绝缘电阻检测装置,或针对接地和触电等故障的定位和排查制定有效的措施。IT接地系统采用高阻接地,主要是为了抑制对地电位差,提高系统安全性,如果接地电阻选择不当,也会增大触电事故的风险和后果。IT接地系统宜在电源侧,将M极通过大电阻接地。接地电阻应兼顾抑制对地电位和限制接触电流等要求,宜在10～30 kΩ范围内选择。典型接地方式安全性对比如表2所示。