公共建筑全直流供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

現(xiàn)有公共建筑供配電系統(tǒng)為交流系統(tǒng)，因其上級(jí)電源及末端負(fù)荷為交流設(shè)備。然而，隨著建筑光伏一體化的推廣應(yīng)用，公共建筑開始出現(xiàn)直流電源。此外，隨著電力電子技術(shù)快速的發(fā)展，常用設(shè)備如筆記本電腦、手機(jī)、LED照明、直流變頻空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、電動(dòng)汽車等實(shí)際均為直流供電，負(fù)荷側(cè)出現(xiàn)了大量直流設(shè)備且具備全直流化的可行性。在此背景下，作為連接電源與負(fù)荷的供配電系統(tǒng)，若仍采用交流系統(tǒng)，則“發(fā)電–用電”環(huán)節(jié)需經(jīng)過“直–交–直”轉(zhuǎn)換，電能變換環(huán)節(jié)復(fù)雜。若采用全直流系統(tǒng)，則為“直–直”轉(zhuǎn)換，省去交直轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高能量轉(zhuǎn)換效率。未來建筑電氣化趨勢(shì)也使得發(fā)展全直流建筑在節(jié)能環(huán)保方面具備更大優(yōu)勢(shì)。公共建筑多數(shù)業(yè)主單一，能源計(jì)量簡(jiǎn)單，且末端用能設(shè)備大多統(tǒng)一管理，適宜作為全直流技術(shù)推廣示范載體。因此，本文以公共建筑作為切入點(diǎn)，研究適用于公共建筑的直流供配電架構(gòu)設(shè)計(jì)。1?國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，一些國(guó)家已經(jīng)開展了建筑直流供配電的研究，提出了各自的建筑直流供配電概念和發(fā)展目標(biāo)。研究提出了高壓、中壓、低壓的電壓等級(jí)序列及針對(duì)直流負(fù)荷集中區(qū)、工業(yè)園區(qū)、城區(qū)配網(wǎng)改造、可再生能源接入等應(yīng)用場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。提出了直流配電電壓等級(jí)序列制訂的基本原則與主要約束條件，提出了從320?kV到48?V的直流配電網(wǎng)電壓等級(jí)序列；對(duì)建筑直流配電系統(tǒng)的電壓等級(jí)進(jìn)行研究，從經(jīng)濟(jì)性、安全性和兼容性等方面提出了建筑直流配電系統(tǒng)的電壓等級(jí)，建議采用±10?kV、±375?V和DC220V配合的電壓等級(jí)方案。國(guó)內(nèi)直流示范建筑見表1。表1?國(guó)內(nèi)直流示范建筑2?公共建筑直流供配電電壓等級(jí)確定設(shè)計(jì)根據(jù)相關(guān)研究及示范項(xiàng)目，提出公共建筑直流供配電電壓等級(jí)序列可考慮750?V–400?V–240?V–48?V。具體考慮如下。（1）750?V。作為直流系統(tǒng)母線電壓。主要基于以下考慮?？紤]可再生能源、電動(dòng)汽車及儲(chǔ)能系統(tǒng)接入。非車載充電機(jī)輸出電壓多為DC?500?V、DC?750?V，常見儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向變流器直流側(cè)電壓范圍為500~850?V，且750V為GB/T?35727—2017《中低壓直流配電電壓導(dǎo)則》推薦的標(biāo)稱電壓。考慮大功率直流負(fù)荷供電。成熟的大型直流負(fù)荷如變頻式離心機(jī)冷水機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組、冷卻塔、循環(huán)泵等，均為750?V直流供電。（2）400?V。主要作為電源端與用電末端的中轉(zhuǎn)電壓及與三相交流的銜接電壓，并可向冰箱、電磁爐、電飯鍋、微波爐等中等功率直流設(shè)備供電。（3）240?V。大型公共建筑數(shù)據(jù)機(jī)房。數(shù)據(jù)機(jī)房供電標(biāo)準(zhǔn)電壓為240?V。數(shù)據(jù)中心240?V高壓直流結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單直觀，兼容絕大多數(shù)IT設(shè)備的高頻開關(guān)電源，用電設(shè)備幾乎不用任何更改，推廣非常容易。（4）48?V。作為照明、空調(diào)末端等小功率直流負(fù)荷供電電壓。且48?V為安全電壓，可保證人身安全和設(shè)備安全。3?公共建筑直流供配電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定低壓直流母線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有單母線結(jié)構(gòu)、雙母線結(jié)構(gòu)和分層式母線結(jié)構(gòu)。不同的母線結(jié)構(gòu)具有各自的優(yōu)勢(shì)，適合于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。公共建筑存在多個(gè)電壓等級(jí)，宜采用多層式母線結(jié)構(gòu)。通過合理設(shè)置電壓等級(jí)，盡可能對(duì)直流負(fù)載實(shí)現(xiàn)母線電壓直供。負(fù)荷供電需滿足GB?51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》負(fù)荷分級(jí)及供電要求：一級(jí)負(fù)荷應(yīng)由雙重電源供電，當(dāng)1個(gè)電源發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞；二級(jí)負(fù)荷宜由雙回線路供電；三級(jí)負(fù)荷可采用單電源單回路供電。上級(jí)電源若為中壓直流，則通過DC/DC設(shè)備，接入建筑；上級(jí)電源若為交流，則通過AC/DC設(shè)備，接入建筑。典型的公共建筑直流供配電拓?fù)淙鐖D1所示。圖1?典型公共建筑直流供配電拓?fù)??案例分析以大同未來能源館為例，該建筑地上3層，地下1層，建筑面積約2.8萬㎡。采用建筑光伏一體化技術(shù)、屋頂及立面鋪設(shè)光伏系統(tǒng)，裝機(jī)容量916?kW。該公共建筑采用全直流供配電，直流負(fù)荷包括室內(nèi)照明、景觀照明、插座、展示大屏、數(shù)據(jù)機(jī)房、充電樁、空調(diào)負(fù)荷等，直流設(shè)計(jì)負(fù)荷1?086?kW。此外，配置有磷酸鐵鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)750?kW/1?500?kWh。項(xiàng)目為MW級(jí)低壓直流系統(tǒng)，末端直流負(fù)荷種類繁多。4.1?電壓等級(jí)根據(jù)上文分析，該公共建筑的直流電壓等級(jí)序列宜采用750?V–400?V–240?V–48?V。（1）光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車充電樁等直接接入750?V直流母線，大型空調(diào)設(shè)備如冷水機(jī)組等也采用750?V供電。（2）400?V作為750?V與48?V的銜接電壓等級(jí)，750?V經(jīng)400?V轉(zhuǎn)換至48?V。（3）末端照明、展示大屏、小型空調(diào)設(shè)備如風(fēng)機(jī)盤管等采用48?V電壓等級(jí)。（4）數(shù)據(jù)機(jī)房采用240?V電壓等級(jí)供電。4.2?拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)低壓直流配電系統(tǒng)尚處于無標(biāo)準(zhǔn)可依的研究階段，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需綜合考慮負(fù)荷等級(jí)、現(xiàn)階段直流技術(shù)發(fā)展水平與后期運(yùn)維難易程度來確定?，F(xiàn)階段，低壓直流配電系統(tǒng)接地方式的確立、保護(hù)設(shè)備選型存在諸多待解決問題，近年來興起的固態(tài)直流斷路器，也存在分?jǐn)嗳萘坎粩?、過負(fù)載能力不強(qiáng)等問題。低壓直流環(huán)境情況復(fù)雜多樣，安全保護(hù)問題顯得特別突出。同時(shí)，因直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異、直流電不存在自然過零點(diǎn)、直流線路阻抗小及直流設(shè)備一般對(duì)過電流（過電壓）更為敏感等原因，低壓直流供電系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計(jì)較傳統(tǒng)交流系統(tǒng)而言面臨著更多的挑戰(zhàn)。若采用傳統(tǒng)單母線架構(gòu)，龐大的系統(tǒng)導(dǎo)致接地與保護(hù)設(shè)計(jì)復(fù)雜，設(shè)備選型困難，后期故障率高，故障后恢復(fù)困難。因此，本項(xiàng)目采用分布式多段母線架構(gòu)，將大系統(tǒng)分為3個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)中又根據(jù)負(fù)荷等級(jí)采用單段或分段母線供電，降低設(shè)計(jì)難度及設(shè)備要求。（1）系統(tǒng)共5段母線，通過5臺(tái)雙向變流器連接至交流側(cè)380?V。（2）子系統(tǒng)1由兩段母線構(gòu)成，母線間由聯(lián)絡(luò)柜構(gòu)成單母分段結(jié)構(gòu)，負(fù)荷包括一級(jí)負(fù)荷展示大屏、二級(jí)負(fù)荷照明并帶充電樁負(fù)荷。（3）子系統(tǒng)2由兩段母線構(gòu)成，母線間由聯(lián)絡(luò)柜構(gòu)成單母分段結(jié)構(gòu)，負(fù)荷包括一級(jí)負(fù)荷數(shù)據(jù)機(jī)房。（4）子系統(tǒng)3由1段母線構(gòu)成，負(fù)荷包括三級(jí)負(fù)荷空調(diào)負(fù)荷。將大系統(tǒng)分為小型子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，與現(xiàn)階段直流技術(shù)發(fā)展水平相適應(yīng)，解決了大系統(tǒng)配置復(fù)雜、設(shè)備選型困難等問題，使供配電系統(tǒng)更加安全、靈活、可靠。5?結(jié)束語分析了適用于