建筑直流配电及主动低压配电网研究
时间：2023-06-25 22:05:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
俞 侃, 毛 阗
(1.浙江大学建筑设计研究院有限公司, 浙江 杭州 310028;2.浙江大学平衡建筑研究中心, 浙江 杭州 310028)
中国承诺在2030年前实现碳排放达峰,并力争在2060年前实现碳中和,能源生产端高比例的可再生能源和能源消费侧的电气化是实现双碳目标的重要路径。“双碳”目标要求风、光等可再生能源成倍增长,在广大农村城镇大规模布局分布式可再生能源。“光储直柔”是在建筑领域应用太阳能光伏、储能、直流和柔性负荷技术的简称,即在建筑中通过直流连接分布式光伏和储能,实现用电负荷的柔性控制。直流配电技术是光储直柔建筑的中枢和核心,直流配电在有分布式电源接入和大量开关电源类负载的供配电系统中显现出诸多优势:① 减少电能变换环节,降低损耗。② 降低线路损耗。直流系统只存在电阻损耗,供电系统损耗大幅度降低。相比于传统交流配网而言,直流配网不仅能减少设备的投资和运行的损耗,更能提供友好的分布式能源和变频负荷的接入平台,适应未来能源结构转型的需要。主动配电网是由分布式发电、储能、可控负荷组成的分布式能源进行主动控制和优化运行的有机整体,能更全面地反映由具备主动响应和主动控制能力的新型“源—网—荷”构成的未来配电系统的特征[1-2],是“光储直柔”建筑应用的核心与关键。
1.1 传输容量
(1)
式中:PDC——双极直流配电所传输的额定功率;
PAC——现有交流线路传输的额定功率;
cosφ——功率因数。
在线路造价和走廊宽度相同时,直流线路传输功率是交流线路的1.05倍,还有研究指出,直流地下电缆比交流地下电缆传输容量大。
相同的电缆在不同的配电系统中传输电能的能力也是不同的,考虑到传输距离过远时传输容量从线路绝缘水平和电流密度决定转向由线路末端的电压损耗决定。交直流配网最大供电能力与距离的关系如图1所示,直流供电容量平均可以达到交流供电的10倍。
图1 交直流配网最大供电能力与距离的关系
低压配电系统中,配电电缆可以选择三线制和五线制,不同标称电压时,三线制和五线制导线传输功率分别如图2所示。当传输长度超过一定距离后,导线传输最大功率能力急剧减小。在配电电压水平相同情况下,由于交流系统存在线路感抗,直流配电系统相同传输功率大于交流配电系统。
1.2 线路功率损耗
对于单相负载,功率损耗表达式为
(2)
对于三相负载,功率损耗表达式为
(3)
直流供电时,功率损耗表达式为
(4)
图2 三线制和五线制供电系统导线传输功率
式中:P——负载消耗功率;
Ur——相电压有效值;
r——线路单位阻值;
L——线路长度。
将直流供电损耗分别与交流单相负载损耗和三相负载损耗相比较,得
(5)
(6)
由式(6)可见,交流系统中接单相负载时,直流配电系统的线路损耗最大情况为交流系统线路功率损耗的一半,即cosφ=1(无感性负载,纯阻性负载)的情况。民用建筑中,电热器、电饭锅、电烤箱、白炽灯、卤钨灯等用电设备采用直流供电系统线路损耗为交流供电系统的一半;而接三相交流负载时,只有在功率因数较低的情况下,直流供电才会比交流供电的损耗更小。
1.3 换流器损耗
在系统运行损耗方面,除了配电线路损耗之外,在直流配电系统中,不同电压等级之间转换和整流变换都会产生损耗。有不少研究指出,不同交直流负荷占比时直流配网和交流配网的损耗对比,两者在运行损耗上的优劣主要取决于系统中交直流负荷占比和换流器效率,因此可以预见在直流负荷比例日益增多的未来,直流配网将比交流配网有着更好的发展前景。如果目前工程中使用的换流器损耗可以减半,则直流配网的损耗将低于交流配网。交直流配网网损对比如表1所示。
表1 交直流配网网损对比
民用建筑领域的直流配电电压等级研究已有初步共识,但还未经过实际工程的验证,部分国家标准已经出台,但标准仍需统一。一般小功率电器设备电压等级为12～48 V,LED照明为110 V,数据中心机房为200～400 V,电动汽车充电桩为200～750 V,光伏发电储能为1 kV以上。随着电力电子等技术的发展,设备电压等级有提高的趋势,但对于民用建筑领域而言,考虑安全性的影响直流电压等级一般不超过1 kV。因此需要从安全性、经济性、电器兼容性等因素综合考虑直流配电的电压等级选择。
2.1 安全性
IEC 60479-1给出了直流电与交流电对人体作用的区域范围,直流/交流电的时间-电流效应区域如图3所示(该图交流适用于“从左手到双脚”的电流通路,直流适用于纵向向上的电流通路)。
图3 直流/交流电的时间-电流效应区域
由图3可知,产生Ⅳ区域(可能发生心室纤维性颤动等致命性损害)相同生理效应的直流电比交流电大。图3中,区域Ⅲ与区域Ⅳ的分界线为室颤曲线,即通过人体能引起心室纤维性颤动(电击事故中最主要的致命原因) 的最小电流值。从室颤曲线的最小值可看出,直流电的室颤阈为140 mA,交流电的室颤阈仅为40 mA,交流电更容易引发心室纤维性颤动,而直流电更具安全性[3]。
根据计算,直流电室颤阈为140 mA情况下,对应电压为-190 V(电流纵向向上,即电流从脚到手),一般情况下,纵向向下的室颤阈为纵向向上室颤阈的两倍,即280 mA,计算对应电压为+280 V(电流纵向向下,即电流从手到脚)。如果直流电压超过-190 V或者+280 V,电流流过人体都会发生心室纤维性颤动。
和交流电220 V作比较,人体触碰220 V交流电产生电流约200 mA,接触时间接近300 ms的时候就会产生心室纤维性颤动,采用同样的持续时间,直流电的室颤阈达到+325 V和-250 V,考虑漏电保护自动切断电源的防护措施,以0.2 s切断时间为标准,对应产生室颤阈电压可以上升到+375 V。综上所述,从安全性的角度出发,直流电压等级可以考虑设定在+325～+400 V。
2.2 供电能力
从供电能力的角度考虑,电压越高,传送同样的负荷功率需要的电流越小,供电能力越强。负荷距Mpd和电压等级的关系如公式(7)所示:
(7)
Mpd=P×L
式中: ΔU——线路压降;
UDC——直流电压;
S——导线截面积;
ρ——导线电阻率;
P——负荷功率;
L——负荷供电距离。
用电设备端子电压降偏差允许值一般为5%～10%。从电缆的经济电流密度去评估直流电压,可以根据式(8)得出直流电压的最低要求:
(8)
从式(8)可以看出直流电压、供电半径和电缆经济电流密度的关系,以供电半径Lmax=300 m为例,取电缆经济电流密度Je=2.2 A/mm2,线路压降ΔU=5%,根据式(8)得到UDC≥326 V,利用S=150 mm2的电缆截面,根据式(6)可以得出负荷距Mpd=32 kW·km,即300 m的供电半径内该直流电压可以传输接近100 kW的负荷,基本满足民用建筑领域的设备要求。综上所述,从经济型的角度出发,直流电压等级可以设定约326 V。
传统的配电网主要通过常规开关投切、无功电容器组、有载调压变压器等设备进行调控优化,可调控的手段相对较少,而且大多属于离散型变量调控,只有“0和1”的概念,不具备连续灵活调节的能力。近年来,随着分布式电源的发展,未来分布式能源将广泛而高密度地接入配电网,配电网也会变得越来越复杂。传统意义上的调控方式已经越来越难以适应配电网的发展。在这样的背景下,区别于传统的被动配电网,主动配电网的概念应运而生。主动配电网具备下列特征:① 要具备一定比例的分布式可控资源;② 要有一个网络拓扑可灵活调节的、坚强的配电网络;③ 要具备完善的调节、控制手段,即建有基于现计算机技术与通信技术的量测、控制与保护系统,具有较高的可观可控水平;④ 要建设一个可以实现协调优化管理的管控中心。
某工程地下室设有三联供系统的能源中心,燃气内燃机为楼内A级数据中心提供电源。屋面设置有PVT光伏组件和风力发电系统,侧墙设置有碲化镉光伏组件,并设置有储能蓄电池,对可再生能源进行储能。上述区域能源分别为本项目数据中心、水泵、照明、直流充电桩等负荷进行供电,建筑负荷侧主动配电网系统架构示意图如图4所示。
基于制定的区域能源规划方案,对本工程可控型区域能源(天然气)、不可控型区域能源(太阳能、风能)、可控负载(照明、数据中心)、不可控负载(电动汽车、水泵)、储能装置等“源、荷、储”的大量数据信息进行搜集、分析和统计,建立可再生能源出力和负荷侧不同类型用电单元的模型,研究系统理论,提出相应算法并通过软件仿真,让负荷和储能作为有效的调度资源主动追踪电源出力变化,实现削峰填谷,平抑可再生能源的出力波动,缓解可再生能源出力不确定性带来的影响,最终实现区域能源的高效消纳,确保配电网安全稳定运行。
制定针对该工程的多元区域能源规划下的主动配电系统优化解决方案,加以实施应用,从而促进可再生能源的高效利用,确保多元区域能源系统的节能运行,为后续多能互补、集成优化的综合能源一体化项目提供示范,这也是“光储直柔”建筑的重要研究内容。
本文分析了直流配电网的优势及发展趋势,探索主动配电网在低碳以及零碳等建筑实践中的应用,为光储直柔建筑实践提供理论依据与发展方向。
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