中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：炎炎夏日，酷熱難耐，整個(gè)金陵城也迎來(lái)一年當(dāng)中溫度最高的季節(jié)。迎面而來(lái)的熱氣，只有空調(diào)房?jī)?nèi)才能感受到絲絲涼意。隨著溫度的攀升，空調(diào)，冰箱等大功率電器的大規(guī)模頻繁使用使得整個(gè)城市的供電負(fù)荷嚴(yán)重，因而頻繁出現(xiàn)供電不足現(xiàn)象，給我們的日常生活帶來(lái)諸多不便，甚至在生產(chǎn)制造上造成巨大損失。在探索解決這一嚴(yán)峻問(wèn)題的道路上，我們南京國(guó)臣一直孜孜不倦，致力于綠色樓宇直流配電的研發(fā)與實(shí)踐。經(jīng)過(guò)不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)，綠色樓宇直流配電方案已在公司9號(hào)樓、10號(hào)樓中順利實(shí)施，并取得顯著成效。下面請(qǐng)跟隨小編的腳步詳讀此文章，我們將為您從理論到實(shí)踐進(jìn)行詳細(xì)的展示，相信您讀完必有大收獲。
本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)樓宇直流配電系統(tǒng)的實(shí)際建設(shè)，使樓宇在供電環(huán)節(jié)具備了直流屬性，對(duì)樓宇直流配電系統(tǒng)進(jìn)行一次較為全面的應(yīng)用探索。通過(guò)對(duì)樓宇直流配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、系統(tǒng)保護(hù)、傳輸能效、電能質(zhì)量、安全防護(hù)、潮流控制、設(shè)備優(yōu)化等方面的研究，為后續(xù)實(shí)際推廣提供理論支撐和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)參考
1 樓宇直流配電網(wǎng)概述
圖1 樓宇低壓直流配電網(wǎng)架構(gòu)
本樓宇直流配電系統(tǒng)位于南京國(guó)臣直流配電科技有限公司生產(chǎn)辦公樓內(nèi)，采用放射狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1 所示。直流配電電壓的選取原則如下：
（1）兼容目前已有的可用直流替代的交流設(shè)備。
（2）線路損耗不高于現(xiàn)有交流系統(tǒng)。
（3）與儲(chǔ)能單元和光伏發(fā)電系統(tǒng)良好匹配。
綜合考慮后確定系統(tǒng)電壓等級(jí)為600V DC（實(shí)際運(yùn)行電壓540V DC）和220V DC兩級(jí)。如圖2所示，整個(gè)樓宇低壓直流配電系統(tǒng)由電力電子變換器、分布式電源（主要是光伏）、直流負(fù)荷、儲(chǔ)能單元、開(kāi)關(guān)及保護(hù)裝置5 部分組成。
(a) 鋪設(shè)在樓頂?shù)墓夥?
(b) 系統(tǒng)配電柜
1.1電力電子變換器
通過(guò)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)及系統(tǒng)容量配置計(jì)算了各電力電子變換器的功率，并對(duì)變換器的外形尺寸進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，均采用標(biāo)準(zhǔn)4U抽屜式機(jī)箱結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)變換器的熱插拔，方便系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)及后續(xù)的拓展。此外，所有模塊均具備過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、低壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)以及故障檢測(cè)功能。
電網(wǎng)到直流母線采用5臺(tái)并聯(lián)的16KW AC/DC變換模塊（總功率80KW），將市電380VAC轉(zhuǎn)換為480VDC；系統(tǒng)中的DC/DC變換器包括2臺(tái)20KW光伏升壓?jiǎn)卧儞Q器、8臺(tái)5KW 600V/220V降壓?jiǎn)卧儞Q器以及1臺(tái)儲(chǔ)能單元充電機(jī)，所有電力電子變換器的效率均在98%以上，通過(guò)485通信接口實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的通訊。
1.2儲(chǔ)能及光伏
光伏和儲(chǔ)能是系統(tǒng)中的重要單元，利用光伏發(fā)電作為系統(tǒng)能源之一可以有效提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，而儲(chǔ)能單元?jiǎng)t具備保持系統(tǒng)穩(wěn)定、能量備用及提高電能質(zhì)量和可靠性的作用。
通常情況下，光伏發(fā)電采用就地消納原則，按照實(shí)際的負(fù)荷需求和現(xiàn)場(chǎng)條件確定，本系統(tǒng)中，光伏板采用支架安裝，鋪設(shè)在樓頂，最大輸出功率36.4kW，通過(guò)2臺(tái)光伏變換器與直流母線相連，不同于常規(guī)通過(guò)兩級(jí)變換器級(jí)聯(lián)分別實(shí)現(xiàn)MPPT和電力電子變換輸出，本系統(tǒng)中的光伏變換器采用具有精確限壓限流及最大功率點(diǎn)跟蹤的控制方法，只通過(guò)一級(jí)DC/DC變換實(shí)現(xiàn)MPPT條件下輸出的精確限壓及限流，在降低系統(tǒng)成本的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。
儲(chǔ)能系統(tǒng)采用2組蓄電池（每組40節(jié)）并聯(lián)，輸出電壓約為513V DC，并通過(guò)充放電管理單元連接至直流母線。通過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析和對(duì)負(fù)荷實(shí)際要求確定了儲(chǔ)能系統(tǒng)的總?cè)萘?，目前?chǔ)能系統(tǒng)總?cè)萘繛?50Ah，可在僅儲(chǔ)能供電的極端狀態(tài)下，保證系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷持續(xù)運(yùn)行1h左右。
1.3直流負(fù)荷
樓宇內(nèi)的直流負(fù)荷包括空調(diào)、LED照明、辦公電腦、空氣凈化器、冰箱、投影儀、門(mén)禁、自動(dòng)感應(yīng)沖水器、電水壺等，實(shí)際最大運(yùn)行總功率約74 KW，其中空調(diào)采用直流600V DC供電，其他負(fù)荷均為220V DC供電，如表1所示。除上述負(fù)荷以外，后續(xù)還會(huì)對(duì)電梯進(jìn)行直流改造。
表1 各類直流負(fù)荷及其對(duì)應(yīng)的電壓等級(jí)及功率
由于沒(méi)有頻率和相位的限制，樓宇低壓直流配電系統(tǒng)的控制要點(diǎn)是保持直流母線電壓的穩(wěn)定，因而需要保持供電電源端與負(fù)荷端能量平衡。電壓調(diào)整控制和能量管理是樓宇直流系統(tǒng)控制的2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。1.4樓宇直流系統(tǒng)控制策略
直流系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行目標(biāo)的差異會(huì)采用不同的控制策略，本系統(tǒng)內(nèi)的電源包括光伏、交流電網(wǎng)及儲(chǔ)能單元3個(gè)部分，從保證高質(zhì)量和連續(xù)的供電以及實(shí)現(xiàn)分布式電源與儲(chǔ)能之間的相互配合和充分利用的角度出發(fā)，本系統(tǒng)的運(yùn)行模式見(jiàn)表2。
只有當(dāng)光伏、儲(chǔ)能同時(shí)無(wú)法滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求時(shí)，才投入大電網(wǎng)，從而極大的提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)直流電壓的監(jiān)測(cè)來(lái)判斷系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，并進(jìn)行合理切換，運(yùn)行結(jié)果表明此種控制策略可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏的充分利用及對(duì)電壓的有效控制。
2直流系統(tǒng)綜合保護(hù)
直流配電系統(tǒng)無(wú)論是故障類型還是故障后果與交流配電網(wǎng)都有不同，實(shí)際中相關(guān)保護(hù)既缺乏標(biāo)準(zhǔn)，也缺少運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。直流故障保護(hù)仍然被認(rèn)為是一個(gè)阻礙低壓直流大規(guī)模應(yīng)用“最后一千米”的突出挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)交流保護(hù)解決方案應(yīng)用于直流系統(tǒng)時(shí)，往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)檢測(cè)和清除故障，從而對(duì)設(shè)備規(guī)格要求更高。文獻(xiàn)[19]對(duì)包括直流過(guò)流、差動(dòng)、定向和基于電流變化率等在內(nèi)的直流系統(tǒng)保護(hù)方案做了較為詳細(xì)的介紹，并指出了這些方法所存在和面臨的一些問(wèn)題。在本樓宇直流系統(tǒng)中，采用了公司自主研發(fā)的一體化直流配電單元及直流主動(dòng)式保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類故障的準(zhǔn)確識(shí)別、快速響應(yīng)。
2.1一體化直流配電單元
一體化直流配電單元是一類直流配電保護(hù)測(cè)控裝置，主要用于直流進(jìn)線和直流饋線的各種故障保護(hù)跳閘和告警。直流斷路器是直流配電系統(tǒng)中重要設(shè)備，是故障跳閘和隔離的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，本裝置采用ABB公司TMAX系列直流斷路器，通過(guò)控制勵(lì)磁脫扣器使斷路器斷開(kāi)和電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行故障合閘恢復(fù)運(yùn)行，基于一體化配電單元的直流配電系統(tǒng)，可以達(dá)到直流配電保護(hù)要求的快速、可靠、靈敏、準(zhǔn)確動(dòng)作要求，實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)、電壓保護(hù)、接地漏電流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷熱保護(hù)、逆功率保護(hù)以及開(kāi)入量聯(lián)鎖保護(hù)等功能。系統(tǒng)內(nèi)的一體化直流配電單元如圖3所示。
圖3 一體化直流配電單元
2.2直流主動(dòng)式綜合保護(hù)
與交流配電類似，直流配電同樣存在短路、接地、交直流混接故障和絕緣下降等異常運(yùn)行情況，同時(shí)還存在直流環(huán)網(wǎng)故障，5種故障的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示。
圖4 直流系統(tǒng)故障關(guān)系圖
在樓宇直流配電系統(tǒng)的照明支路和插座支路，加裝了直流主動(dòng)式保護(hù)裝置（active comprehensive protection ,ACP）。ACP將保護(hù)集成在電力電子變換器中，基于電力電子變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電力電子器件的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)理，將保護(hù)動(dòng)作“融于”器件控制邏輯，超前動(dòng)作于短路故障或大電流故障，可實(shí)現(xiàn)如接地故障的主動(dòng)隔離，達(dá)到電源側(cè)、母線側(cè)和負(fù)荷側(cè)、負(fù)荷與負(fù)荷間互不影響的目的，有效限制故障影響范圍，并對(duì)其他不正常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警，避免其發(fā)展成故障狀態(tài)。以短路狀態(tài)為例，ACP可在數(shù)百微秒內(nèi)完成饋出鎖閉，從而達(dá)到保護(hù)支路的目的，其功能如圖5所示。
圖5 ACP功能圖
3樓宇直流配電運(yùn)行管理系統(tǒng)
樓宇直流配電運(yùn)行管理系統(tǒng)主要由電力電源監(jiān)控子系統(tǒng)、儲(chǔ)能單元電池管理子系統(tǒng)以及主監(jiān)控系統(tǒng)組成，具備完善的遠(yuǎn)程監(jiān)控和圖形用戶界面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能。樓宇直流配電運(yùn)行管理子系統(tǒng)如圖6所示。
圖6樓宇直流配電運(yùn)行管理子系統(tǒng)
3.1電力電源監(jiān)控子系統(tǒng)
電力電源監(jiān)控系統(tǒng)主要由主監(jiān)控模塊以及電力電源監(jiān)控軟件組成，具備多路電流、電壓以及開(kāi)入、開(kāi)出量檢測(cè)功能，并配置多個(gè)通信接口，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)多點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集和通信上傳，主要參數(shù)如表3所示。
表3 電力電源主監(jiān)控模塊參數(shù)
3.2儲(chǔ)能單元電池管理子系統(tǒng)
儲(chǔ)能單元采用2組各40節(jié)南都鉛炭電池串接后并聯(lián)而成，考慮電池可能出現(xiàn)的故障問(wèn)題，設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能單元電池管理系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由電池巡檢儀和數(shù)據(jù)處理軟件組成。電池巡檢儀（見(jiàn)圖7）可實(shí)時(shí)在線巡回檢測(cè)蓄電池組，通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件分析每節(jié)單體狀況，有效預(yù)測(cè)出各節(jié)電池的供電性能，并通過(guò)組態(tài)畫(huà)面實(shí)時(shí)顯示單節(jié)電池狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)性能?chē)?yán)重劣化故障電池，立即報(bào)警，為電池組維護(hù)提供測(cè)量依據(jù)，從而簡(jiǎn)化儲(chǔ)能單元的維護(hù)流程并提高其可靠性。
圖7 安裝在柜內(nèi)的電池巡檢儀
3.3主監(jiān)控系統(tǒng)
主監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)觸摸屏可以就地顯示整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和基本參數(shù)，如圖8所示，并可通過(guò)無(wú)線傳輸終端實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。運(yùn)行中的系統(tǒng)顯示如下信息：功率轉(zhuǎn)換單元的電壓、電流、功率、效率和故障信息（過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫、接地）；儲(chǔ)能單元運(yùn)行狀態(tài)包括單體電池電壓；系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)及事件日志；系統(tǒng)發(fā)用電量及能效信息等。運(yùn)行數(shù)據(jù)可以查看并保存為excel格式。
圖8 觸摸屏界面
4 運(yùn)行試驗(yàn)
系統(tǒng)投運(yùn)后，采用1臺(tái)FLUKE1760電能質(zhì)量分析儀和2臺(tái)德維創(chuàng)設(shè)備針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行特性測(cè)試，并統(tǒng)計(jì)了系統(tǒng)實(shí)際效能。
4.1電壓電流偏差測(cè)試
對(duì)600V母線及220V母線的電壓、電流進(jìn)行測(cè)試的波形如圖9所示，直流電壓、有效值和電壓偏差趨勢(shì)分析如表4所示。
(a)600V直流母線和柔性變換器進(jìn)線波形
(b)220V直流母線和柔性變換器出線波形
圖9 母線電壓、電流波形
表4 直流電壓、有效值和電壓偏差趨勢(shì)分析統(tǒng)計(jì)報(bào)表
由圖9可見(jiàn)，實(shí)際電壓小幅波動(dòng)于額定值附近，電壓偏差趨勢(shì)分析表中的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)僅光伏出力時(shí)，600V直流母線可達(dá)到較大電壓值，約586V；僅電網(wǎng)出力時(shí)，電壓達(dá)最小值約476V，但220V直流母線電壓較為穩(wěn)定，保持在230V左右。
4.2系統(tǒng)紋波測(cè)試
針對(duì)投運(yùn)時(shí)系統(tǒng)紋波較大的問(wèn)題，在變換器紋波抑制方面，根據(jù)實(shí)際的負(fù)載運(yùn)行情況，對(duì)閉環(huán)調(diào)節(jié)器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)及閉環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行了合理調(diào)節(jié)，并通過(guò)對(duì)輸出濾波電感、電容參數(shù)的調(diào)整，有效降低了紋波分量。
對(duì)600V母線及220V母線的電壓均方根紋波系數(shù)的測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示，不難看出，600V母線紋波系數(shù)大概率保持在0.27%以內(nèi)，220V直流母線的紋波系數(shù)僅為0.04%。此外，針對(duì)600V直流母線進(jìn)行了電壓電流頻譜測(cè)試，結(jié)果表明600V母線中含少量的偶次諧波，其中以2次和6次諧波為主，幅值較小，如圖10所示?？梢?jiàn)，上述紋波抑制手段取得了較好的紋波抑制效果。
表5 電壓均方根值紋波系數(shù)趨勢(shì)分析統(tǒng)計(jì)報(bào)表
圖10 540V直流母線電壓電流頻譜分布（局部放大）
4.3直流保護(hù)功能測(cè)試
針對(duì)一體化直流配電單元以及主動(dòng)式保護(hù)分別在其各自的保護(hù)范圍內(nèi)做了短路故障模擬，以驗(yàn)證保護(hù)的實(shí)際性能，保護(hù)動(dòng)作波形如圖11所示。測(cè)試表明，上述2種保護(hù)設(shè)備對(duì)各自保護(hù)范圍的故障動(dòng)作準(zhǔn)確、靈敏、快速。
（a）短路故障時(shí)一體化直流配電單元的動(dòng)作波形
（b）短路故障時(shí)ACP的動(dòng)作波形
4.4系統(tǒng)能效統(tǒng)計(jì)分析
對(duì)系統(tǒng)的整體發(fā)、用電量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。由監(jiān)控系統(tǒng)的電量狀圖（見(jiàn)圖12）可以看出，正常情況下，光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電量可以達(dá)到系統(tǒng)總用電量的60%以上，有著較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
圖12 直流配電系統(tǒng)電量圖
除上述測(cè)試外，還對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量發(fā)射特性測(cè)試、交直流系統(tǒng)電能質(zhì)量傳遞規(guī)律、光伏和儲(chǔ)能的調(diào)度特性、負(fù)荷沖擊響應(yīng)、變換器效率、電壓波動(dòng)對(duì)負(fù)荷的影響進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行半年的數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄與統(tǒng)計(jì)。
5、總結(jié)：
超過(guò)半年的運(yùn)行實(shí)踐表明，樓宇配電采用低壓直流系統(tǒng)在理論上和技術(shù)上完全可行。通過(guò)采用可靠完善的保護(hù)策略和合理的能量調(diào)度策略，樓宇直流系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，降低了對(duì)大電網(wǎng)的依賴性，最大程度上實(shí)現(xiàn)了用電的自給自足，為未來(lái)綠色樓宇探索了一條可行之路。由于廣泛地應(yīng)用了電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，采用直流配電系統(tǒng)的樓宇具有更高效、靈活的調(diào)度特性以及更優(yōu)的用戶體驗(yàn)，并對(duì)推進(jìn)節(jié)能減排和能源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。后續(xù)我們將為您就綠色樓宇直流配電提供連續(xù)報(bào)道，感興趣請(qǐng)掃下方二維碼。
