編者按：本文是筆者的論文，獲今年中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑電氣分會(huì)技術(shù)年會(huì)優(yōu)秀論文一等獎(jiǎng)，刊登在《建筑電氣》雜志2019年8期上，供大家交流。

民用建筑直流供配電系統(tǒng)若干問(wèn)題探討

李炳華（CCDI集團(tuán)，北京市 100013）

摘要：根據(jù)用電負(fù)荷現(xiàn)狀和電源的發(fā)展情況，提出民用建筑中直流供配電系統(tǒng)只能作為交流供配電系統(tǒng)的補(bǔ)充，在某些局部系統(tǒng)、局部區(qū)域、特定條件下應(yīng)用直流供配電系統(tǒng)。優(yōu)先采用標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓，建議民用建筑中壓直流供配電系統(tǒng)的電壓等級(jí)不多于兩級(jí)，低壓直流配電系統(tǒng)不多于三級(jí)。民用建筑中直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)負(fù)荷特性、分布式能源情況合理采用直流系統(tǒng)，交直流混合系統(tǒng)是當(dāng)前的務(wù)實(shí)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：民用建筑；直流；交流；負(fù)荷特性；電壓等級(jí)；分布式能源；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；可靠性

Discussionon Several Problems of DC System in Civil Building

Abstract: According to the current situation of electricalequipment and power supply, this paper puts forward that DC distribution systemcan only be used as a supplement to AC distribution system in civil buildings.The standard DC voltage is preferred. It is recommended that the voltage levelof the MVDC distribution system in civil buildings should not be more than twolevels, and the LVDC distribution system should not be more than three levels.The DC system should be used reasonably according to the load characteristicsand distributed energy conditions in civil buildings. The AC and DC mixedsystem is the current practical application.

Key words: civil building，DC，AC，load，distributedenergy，system structure

0 引言

普遍使用的交流電為人類現(xiàn)代文明作出了巨大的貢獻(xiàn)，由于太陽(yáng)能光伏、風(fēng)電等新能源的崛起，以及智能電網(wǎng)、微網(wǎng)技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在投入巨資和人力研究直流供配電系統(tǒng)也是時(shí)代發(fā)展的需要。

應(yīng)該知道，技術(shù)沒(méi)有好壞之分，只要用在合適的地方、合適的場(chǎng)合就是合適的技術(shù)。直流供配電系統(tǒng)和交流供配電系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，只是一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)由交流電占據(jù)上風(fēng)。這種現(xiàn)象一直持續(xù)到現(xiàn)在，而且還將繼續(xù)下去！改變系統(tǒng)性問(wèn)題是要付出巨大代價(jià)的。如果打破舊的交流電體系比目前“強(qiáng)拆”難度還要大，從發(fā)電、輸變電到末端的用電設(shè)備都要作根本性的改變。而且建立新的供配電體系勢(shì)必要付出巨大的代價(jià)，而且還有許多尚未解決和未知的問(wèn)題。

從表1可知，直流電與交流電各有所長(zhǎng)、各有特色，從能耗角度看，直流供配電系統(tǒng)略占優(yōu)勢(shì)。

表1 直流電與交流電的對(duì)比

2 民用建筑直流系統(tǒng)若干問(wèn)題

2.1 低壓直流系統(tǒng)的定位

眾所周知，交流電網(wǎng)經(jīng)過(guò)百年的應(yīng)用，技術(shù)非常成熟，其統(tǒng)治地位在短時(shí)期內(nèi)難以撼動(dòng)?；诂F(xiàn)實(shí)及對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)，民用建筑中直流供配電系統(tǒng)只能作為交流供配電系統(tǒng)的補(bǔ)充，在某些局部系統(tǒng)、局部區(qū)域、特定條件下應(yīng)用直流供配電系統(tǒng)。主要應(yīng)用舉例列于表2，而拓展的應(yīng)用尚需多單位協(xié)作共同推進(jìn)。

表2 民用建筑中直流供配電系統(tǒng)的應(yīng)用舉例

2.2 負(fù)荷

直流供配電重新引起行業(yè)的重視其中一個(gè)原因是用電負(fù)荷“直流化”，而供配電系統(tǒng)是為用電負(fù)荷服務(wù)的，自然會(huì)想到系統(tǒng)的直流化。

2.2.1家用電器和辦公電器大多數(shù)可以采用直流供電

為了適應(yīng)當(dāng)前的交流電，家用電器、辦公電器不得不在其電源部分增加了整流、濾波等電路，將交流電轉(zhuǎn)化成直流電，不僅增加成本，而且效率降低。家用電器和辦公電器量大面廣，采用直流供電后，節(jié)能、節(jié)材、節(jié)省投資潛力比較大。

2.2.2 照明設(shè)備大多數(shù)可以采用直流供電

由于LED技術(shù)的成熟和發(fā)展，照明采用直流供電已經(jīng)得到普及。圖1為L(zhǎng)ED線性恒流驅(qū)動(dòng)電路，不管什么類型的LED驅(qū)動(dòng)電路都離不開(kāi)整流和濾波電路。如果采用直流供電，可以省去整流濾波電路。同樣可以起到節(jié)能、節(jié)材、節(jié)省投資及提高效率的作用。

圖1 線性恒流LED驅(qū)動(dòng)器

2.2.3 電動(dòng)機(jī)類負(fù)荷也可以采用直流供電

直流電動(dòng)機(jī)不必多言，采用直流供電不會(huì)有人懷疑。而交流電動(dòng)機(jī)，由于有了變頻技術(shù)和逆變技術(shù)，可以和交流電動(dòng)機(jī)配合使用。我們可以把變頻和逆變理解為交流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，類似LED燈的驅(qū)動(dòng)器。如此看來(lái)，交流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，包括定頻驅(qū)動(dòng)和變頻驅(qū)動(dòng)，詳見(jiàn)表3。盡管行業(yè)內(nèi)曾對(duì)變頻器展開(kāi)過(guò)激烈的討論，但不會(huì)影響直流系統(tǒng)為交流電動(dòng)機(jī)提供電源。

表3電動(dòng)機(jī)直流供電的初步方案

2.2.4 電動(dòng)汽車完全可以采用直流充電

電動(dòng)汽車采用直流充電可以解決充電慢的問(wèn)題，快速、高效。目前，我國(guó)非車載充電機(jī)的容量可達(dá)480kW（雙槍），充電主機(jī)系統(tǒng)容量可達(dá)1080kW（32個(gè)直流充電終端），充滿80%電量的時(shí)間只需30min左右。而歐洲，ABB超級(jí)快充樁容量為350kW（單槍），充電電流高達(dá)500A，充電10min可行駛200km。美國(guó)的特斯拉將在全球建設(shè)1萬(wàn)個(gè)超級(jí)充電樁，30min充滿80%電量。

2.3 電壓等級(jí)的確定

民用建筑直流供配電系統(tǒng)的電壓等級(jí)一直是行業(yè)爭(zhēng)論的焦點(diǎn)之一。根據(jù)GB/T 35727-2017《中低壓直流配電電壓導(dǎo)則》、GB/T 156-2017《標(biāo)準(zhǔn)電壓》等標(biāo)準(zhǔn)，民用建筑直流供配電系統(tǒng)建議采用表4的電壓等級(jí)。

表4民用建筑直流配電系統(tǒng)電壓等級(jí)

注：表中帶括號(hào)的為電壓的備選值，建議優(yōu)先選用不帶括號(hào)的標(biāo)稱電壓。標(biāo)有“±”號(hào)的為雙極性線路，未標(biāo)“±”號(hào)的為單極性直流線路。

因此，關(guān)于民用建筑直流供配電系統(tǒng)的電壓等級(jí)可以得出如下結(jié)論：

a. 中壓電壓等級(jí)優(yōu)先選擇±35kV、±10kV、±3kV、3kV、±1.5kV。

b. 低壓電壓等級(jí)優(yōu)先選擇1.5kV、±0.75kV、0.75kV、±0.375kV、0.22kV、±0.11kV。

c. 特低電壓系統(tǒng)的電壓等級(jí)優(yōu)先選擇96V、72V、60V、48V、36V、24V、12V、6V。

經(jīng)過(guò)實(shí)際工程使用，并積累經(jīng)驗(yàn)，上述電壓等級(jí)尚有優(yōu)化的空間，逐步減少直流標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)的數(shù)量。根據(jù)現(xiàn)有交流供配電系統(tǒng)的成熟經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)用電設(shè)備的安裝容量在250kW及以上時(shí)，建議采用中壓直流供電；當(dāng)用電設(shè)備總?cè)萘吭?50kW以下，可由低壓直流供電。

為便于工程應(yīng)用，民用建筑物內(nèi)直流供配電系統(tǒng)的電壓等級(jí)不能過(guò)多，相應(yīng)的配電級(jí)數(shù)也不可過(guò)多。建議民用建筑物中壓直流供配電系統(tǒng)的電壓等級(jí)不多于兩級(jí)，低壓直流配電系統(tǒng)不多于三級(jí)，而配電級(jí)數(shù)與電壓等級(jí)相適應(yīng)。此建議與交流供配電系統(tǒng)相似。需要說(shuō)明，這里是指建筑物內(nèi)直流供配電的電壓等級(jí)，不是用電設(shè)備內(nèi)部的電壓等級(jí)。對(duì)于用電設(shè)備而言，只需與配電系統(tǒng)留有供電接口，用電設(shè)備內(nèi)部可能有多個(gè)電壓等級(jí)，需產(chǎn)品設(shè)計(jì)考慮。

2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4.1 中壓直流配電單端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)頒布了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CEC 166-2018《中壓直流配電網(wǎng)典型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及供電方案技術(shù)導(dǎo)則》，±1.5kV～±50kV 中壓直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有如下3種單端方案，參見(jiàn)圖2~圖4，其特點(diǎn)見(jiàn)表5。

圖2單端單路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

圖4單端環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

表5單端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較

注：①表中電源端是指由電源或大系統(tǒng)聯(lián)結(jié)的、供電穩(wěn)定且具有系統(tǒng)電壓支撐能力的母線節(jié)點(diǎn)；②N-1指電力系統(tǒng)的N 個(gè)元件中的任一獨(dú)立元件發(fā)生故障而被切除后，應(yīng)不造成因其他線路過(guò)負(fù)荷跳閘而導(dǎo)致用戶停電，不破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不出現(xiàn)電壓崩潰等事故。

2.4.2 中壓直流配電雙端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

中壓直流配電雙端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案參見(jiàn)圖5。雙端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顧名思義具有兩個(gè)電源端，如圖5所示，左右兩側(cè)電源端直流母線同時(shí)工作。出線形式可以采用單路，也可采用雙路，具體可參考單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。雙端網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是：供電容量大、服務(wù)范圍廣、供電可靠性高，滿足N－1準(zhǔn)則，可為工業(yè)園區(qū)、重要負(fù)荷區(qū)等用戶供電。

圖5雙端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

圖5中任何一端電源停電（例如故障、檢修等）時(shí)，另一側(cè)電源端能夠滿足全部負(fù)荷供電需求。對(duì)負(fù)荷而言，獲取電能具有較大的靈活性，可從不同方向獲取電能；同時(shí)電網(wǎng)、分布式電源和儲(chǔ)能也可以向不同方向輸出電能，為智能電網(wǎng)提供基礎(chǔ)條件。

2.4.3 中壓直流配電多端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

直流配電不是為了直流而直流，而是因?yàn)橛秒娯?fù)荷直流化、光伏等分布式能源、儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展等為直流配電提供了應(yīng)用前景。因此，直流配電系統(tǒng)中具有3個(gè)及以上電源并列運(yùn)行的概率大大增加。與單端直流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相似，多端電源可以采用樹(shù)枝狀、環(huán)狀等形式，同時(shí)還可采用單路或雙路路徑，其系統(tǒng)具有供電范圍大、供電可靠性較高等特點(diǎn)。與雙端結(jié)構(gòu)相似，任一端電源停電（如故障、檢修等），其他電源端可繼續(xù)供電，并滿足全部負(fù)荷供電需求，電力調(diào)度變得十分靈活。該網(wǎng)絡(luò)方案非常適用于分布式能源接入。多端樹(shù)枝狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6 多端樹(shù)枝狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

2.4.4 交直流混合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如上所述，現(xiàn)階段直流系統(tǒng)不可能替代交流系統(tǒng)，也沒(méi)有必要替代交流系統(tǒng)。直流系統(tǒng)的應(yīng)用應(yīng)根據(jù)負(fù)荷特性、分布式能源情況合理的、局部采用直流系統(tǒng)。因此交直流混合系統(tǒng)是當(dāng)前的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。表6是典型交直流混合系統(tǒng)的類型及適用范圍，其他交直流混合系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以在表中3種典型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行有機(jī)的組合。

表6 典型交直流混合系統(tǒng)的類型

3 結(jié)論

綜上所述，本文總結(jié)如下：

a. 用電負(fù)荷“直流化”、光伏等分布式能源、儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展等喚起行業(yè)對(duì)直流供配電系統(tǒng)的重新認(rèn)識(shí)。

b. 現(xiàn)階段，民用建筑中直流供配電系統(tǒng)只能作為交流供配電系統(tǒng)的補(bǔ)充，在某些局部系統(tǒng)、局部區(qū)域、特定條件下應(yīng)用直流供配電系統(tǒng)。

c. 優(yōu)先采用標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓，建議民用建筑中壓直流供配電系統(tǒng)的電壓等級(jí)不多于兩級(jí)，低壓直流配電系統(tǒng)不多于三級(jí)。

d. 民用建筑中直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)負(fù)荷特性、分布式能源情況合理的采用直流系統(tǒng)，交直流混合系統(tǒng)是當(dāng)前的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

2019年元旦前夕，一則報(bào)道令人振奮：新疆昌吉—安徽古泉±1100kV特高壓直流輸電工程已經(jīng)建成并全壓送電。這是目前世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大、輸送距離最遠(yuǎn)、技術(shù)水平最先進(jìn)的特高壓輸電工程。加之前文所述的用電負(fù)荷“直流化”和分布式能源的崛起，夾在電源與負(fù)荷中間的直流系統(tǒng)應(yīng)該引起行業(yè)的重視，我們要積極迎接直流供配電系統(tǒng)的到來(lái)，架起電源與用電負(fù)荷之間的橋梁。但是，直流供配電系統(tǒng)還有許多問(wèn)題亟待研究和解決，最大的困難莫過(guò)于這是龐大的系統(tǒng)工程，不是一國(guó)之力能完成的，而是需要國(guó)際合作共同研究、推動(dòng)。另外，直流保護(hù)、接地、控制、調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)尚需研究，可謂步履艱難，困難重重。相信在大家共同努力下，不斷研究、總結(jié)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，直流供配電會(huì)有美好的明天！

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