秦 凱

（國防工程研究院，北京 100036）

0 引 言

隨著新科技、新能源以及節(jié)能技術(shù)的不斷發(fā)展，直流配電技術(shù)日新月異，促使分布式電源的應(yīng)用變得越來越廣泛。在此情況下，供應(yīng)和需求推動了直流技術(shù)的發(fā)展。尤其是在民用建筑領(lǐng)域，直流配電設(shè)施已經(jīng)成為必備的設(shè)施。

1 民用建筑中直流配電技術(shù)的應(yīng)用

1.1 蓄電池組構(gòu)成的直流控制電源

圖1是一種蓄電池組常見的構(gòu)成形式，其中包含直流屏、蓄電池組以及充電裝置。這種蓄電池組在各類變電站中有著廣泛應(yīng)用，不僅能夠在正常工作狀態(tài)下為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電能，還能有效抵御突發(fā)事故對系統(tǒng)運行狀態(tài)的影響。某種程度上，這種蓄電池組可以看作是直流不停電電源系統(tǒng)，又被稱為直流屏系統(tǒng)或直流控制電源系統(tǒng)[1]。

1.2 通信系統(tǒng)-48 V供電系統(tǒng)

市電經(jīng)過開關(guān)電源是通信系統(tǒng)-48 V供電系統(tǒng)變換至直流的主要方式，也可以對蓄電池進行浮充，完成設(shè)備供電。該系統(tǒng)采用正極接地的模式。由于空氣有一定濕度，因此在正極接地時能夠使直流電電解空氣中的水分，從而起到保護系統(tǒng)的作用。這種情況能夠保護繼電器線徑較細的線圈部分，受腐蝕的則是具有較大體積的鐵芯部分，這是采取正極接地設(shè)計的主要原因[2]。

1.3 數(shù)據(jù)中心中直流配電技術(shù)的應(yīng)用

在數(shù)據(jù)中心，直流配電技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛。例如，336 V直流供電技術(shù)在中國移動常規(guī)業(yè)務(wù)中有廣泛的應(yīng)用，240 V直流供電技術(shù)在中國電信中有著廣泛應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)，直流系統(tǒng)能夠減少DC/AC變換環(huán)節(jié)，也能直接實現(xiàn)直流電的輸出。同時，由于系統(tǒng)中沒有AC/DC環(huán)節(jié)，因此整個電路的結(jié)構(gòu)能夠得到有效簡化。圖2為常規(guī)36 V直流供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

1.4 照明調(diào)光

直流集中柜是照明調(diào)光的關(guān)鍵部件，主要由配電電源、檢測控制單元以及整流模塊等部分組成。在配電整流裝置內(nèi)，交流電通過整流模塊變成200～300 V的直流電。電流經(jīng)出線開關(guān)給燈具供電，而燈具內(nèi)部會布設(shè)DC-DC電源模塊，負責(zé)對LED燈具直流電進行轉(zhuǎn)化，從而達到照明調(diào)光等功能。該技術(shù)具有諸多優(yōu)點，可以通過調(diào)節(jié)直流供電電壓完成調(diào)光控制，同時能夠有效控制成本，不需鋪設(shè)調(diào)光線。相比其他方式，它對電壓的控制范圍更寬，能夠適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境，因此在大型公共場所照明、軌道交通照明以及舞臺照明等方面有著十分廣泛的應(yīng)用。

1.5 消防應(yīng)急照明方面的應(yīng)用

A型燈具在疏散指示系統(tǒng)和消防應(yīng)急照明系統(tǒng)中有著十分廣泛的應(yīng)用。這類燈具中普遍使用DC 36 V電壓進行供電。消防照明系統(tǒng)中除了包括A型集中電源外，還包括疏散燈具、集中控制系統(tǒng)以及相應(yīng)的應(yīng)急照明燈具等。

圖2 36 V直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.6 結(jié)合分布式電源和用戶側(cè)儲能的低壓直流配電微網(wǎng)

近年來，結(jié)合分布式電源和用戶側(cè)儲能的低壓直流配電微網(wǎng)得了迅速發(fā)展。這種系統(tǒng)應(yīng)用分布式電源和用戶側(cè)儲能技術(shù)，在直流空調(diào)、直流照明、新能源直流汽車充電樁以及一體化智能微電網(wǎng)系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)交流市電轉(zhuǎn)換為直流電主要依靠主變換器。另外，系統(tǒng)中還包括直流母線、電池以及儲能變換器等設(shè)備[3]。

2 電費計費模式與直流微網(wǎng)的運行模式

圖3為目前工程內(nèi)普遍采用的直流微網(wǎng)系統(tǒng)。設(shè)計該系統(tǒng)時，需解決分布式電源輸出的電能儲存方式和使用方式、微網(wǎng)對市電網(wǎng)并網(wǎng)以及買賣電能等操作問題。在實際應(yīng)用中，選擇直流微網(wǎng)運行模式的同時，需要技術(shù)人員分析項目與市政電網(wǎng)之間的接入關(guān)系。一方面，系統(tǒng)并入市政電網(wǎng)有并入上網(wǎng)、并入但不上網(wǎng)以及孤島運行3種形式，因此并入電網(wǎng)時需要提前與市政電力部門溝通確定。如果接入形式為并網(wǎng)且上網(wǎng)，則需要聯(lián)系供電部門，由電力設(shè)計部門結(jié)合實際情況出具接入并網(wǎng)系統(tǒng)報告，進而明確系統(tǒng)設(shè)計先決條件。另一方面，技術(shù)人員需要重點管制電費計費機制，這對直流微網(wǎng)運行的經(jīng)濟效益控制影響很大。分布式電源輸出的電能和儲能系統(tǒng)中存儲的電能產(chǎn)生的經(jīng)濟價值與電費計價機制有著密切關(guān)系。單一制電價是指以純電量作為計價標(biāo)準(zhǔn)，目前多用于居民用戶用電計費[4]。在工商業(yè)用戶用電計價中，單一制電價機制和兩部制電價機制同時存在。

圖3 低壓直流配電系統(tǒng)示意圖

兩部制電價由基本電價和電度電價組成?；倦妰r根據(jù)用戶負荷準(zhǔn)備的容量確定，是一筆固定費用，電度電價則由用戶的用電量乘以單位電價確定。權(quán)重疊加是計算兩部制電價的主要方式，其中包括基本電價和計費電價，因此兩部制電價模式涉及基本電價和電度電價兩部分費用。一個月中每15 min平均負荷的最大值稱為用戶最大需用量，是確定基本電價的計算依據(jù)。在開始計價前，用電部門會先和用戶簽訂合同，從而確定限額。限額一般為每個月用戶申報的一個最大需量，隨后將這一數(shù)字乘以37.8元/kW·h。值得注意的是，基本電價不受實際用電量的影響，且不論企業(yè)用電量處于何種狀態(tài)，都需要繳納基本電費。按照用電單位的實際用電量計算可以得到電度電費，一般會根據(jù)不同時間段對消耗的電量數(shù)進行累計計算，隨后乘以峰谷時段對應(yīng)的電價進行累計計算。某個月用戶的電費是基本電費與電度電費的和。

為了能夠進一步明確不同收費方式之間的差異，當(dāng)?shù)仉姌I(yè)部門統(tǒng)計當(dāng)?shù)胤骞葧r段的電度單價，發(fā)現(xiàn)在非夏季，相比單一制來說，兩部制曲線峰谷差距更大。從峰谷電度電價差距來看，兩部制電價差距更大。大部分時段下，單一制的數(shù)值要高于兩部制，在谷段和平段，兩部制電價低于單一制。分析峰值時段可以發(fā)現(xiàn)，單一制電度電價低于兩部制，且這種情況較為特殊，這是因為采取兩部制收費的用戶每月需要根據(jù)最大需量完成基本電費的繳納?？偟膩碚f，兩部制電價低于單一制電價是正常的情況。

3 用戶側(cè)儲能

在用戶側(cè)安裝儲能設(shè)備，被稱為用戶側(cè)儲能，通常應(yīng)用于某些建筑領(lǐng)域。在這種情況下，用戶可以根據(jù)自身電能消耗情況、相關(guān)設(shè)施以及電路布置情況控制儲能設(shè)備的運行狀態(tài)，也能根據(jù)分時電價完成削峰填谷控制電費的功能。

電池管理系統(tǒng)、變換器以及電池堆是儲能電源的主要模塊，電能雙向轉(zhuǎn)換主要依靠儲能變換器實現(xiàn)。具體來說，電能會在充電狀態(tài)時儲存在儲能設(shè)備中，當(dāng)系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時，儲能裝置存儲的電能會輸送到微網(wǎng)中。電能的存儲和釋放主要依靠電池堆完成，有富余的電量存在于電網(wǎng)，需要電池堆完成電能吸收并將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。反之，在電網(wǎng)需要能量的時候，電池堆則能將之前蓄積的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能并輸送到電網(wǎng)中。電池管理系統(tǒng)可以實時監(jiān)控電池電壓、溫度以及電流等參數(shù)，進而有效控制欠壓和過壓等問題。另外，設(shè)備能管理充放電均衡，避免出現(xiàn)電池間的一致性差異，從而有效提升電池組的能量利用率[5]。

隨著各類科研活動的開展，電池儲能技術(shù)飛速發(fā)展，但同時面臨巨大挑戰(zhàn)。第一，電池循環(huán)壽命仍然達不到理想標(biāo)準(zhǔn)。電池經(jīng)過一次充電和放電的過程叫做一次循環(huán)，在一定條件下，電池在工作到某一容量規(guī)定值前，能夠承受的循環(huán)次數(shù)為循環(huán)壽命。不同的蓄電池的循環(huán)壽命有一定的區(qū)別。研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品性能和維護質(zhì)量都會影響蓄電池循環(huán)壽命，在某些場景下，蓄電池主要追求可靠性，并作為市電備用存在，因此不需要有較高的循環(huán)壽命，但是需要對浮充壽命進行更深層次的研究。正常用的儲能電池，需要具有較高的循環(huán)壽命，才能保證電池能夠平穩(wěn)完成每天的谷充峰放，保證一天多次充放的平穩(wěn)運行。第二，消防安全對實際應(yīng)用有著重要的意義。在實際設(shè)計過程中，很多蓄電池室都設(shè)計了滿足閥控式密封鉛酸電池的設(shè)施，但是很少能夠設(shè)計滿足鋰電池工作需求的設(shè)施，同時缺少相關(guān)的技術(shù)規(guī)范。因此，如果設(shè)計人員需要將鋰電池布設(shè)在地下室內(nèi)，則應(yīng)該深入思考和設(shè)計火災(zāi)的防范措施，尤其需要結(jié)合目前鋰電池的應(yīng)用形式，思考引發(fā)火災(zāi)的技術(shù)點。一般建議將鋰電池布設(shè)在室外環(huán)境中，并要求其與建筑和人員活動區(qū)域保持一定的距離。第三，在每千瓦時的系統(tǒng)初始投資成本上看，鉛酸電池的成本最小，全釩液流電池的成本最高，磷碳鐵鋰電池的成本相對居中。

4 項目所在地的客觀情況

項目所在地的自然環(huán)境對分布式電源的種類會產(chǎn)生一定影響。具體來說，太陽能資源豐富的地區(qū)往往會優(yōu)先選擇光伏發(fā)電系統(tǒng)，而具有豐富風(fēng)能資源的地區(qū)則會優(yōu)先選用風(fēng)力發(fā)電。在偏遠地區(qū)，市政電網(wǎng)很難布設(shè)在相應(yīng)地點，但是這類地區(qū)往往擁有豐富的土地資源，因此會優(yōu)先選擇風(fēng)力發(fā)電和露天式儲能裝置等。對于城市中心，則會采用以交流配電系統(tǒng)為主直流配電系統(tǒng)為輔的形式，實現(xiàn)值班照明等需求[6]。

5 結(jié) 論

綜上所述，想要真正通曉民用建筑中低壓直流配電技術(shù)的合理應(yīng)用，需要技術(shù)人員深入了解民用建筑的功能需求，同時需要掌握目前常用的集中布設(shè)方式和系統(tǒng)特點，結(jié)合項目所在地的實際情況選擇適合的設(shè)備及系統(tǒng)，深入系統(tǒng)本身研究系統(tǒng)現(xiàn)存的問題，從而為開拓技術(shù)發(fā)展方向提供參考和借鑒。另外，要深入具體的案例分析技術(shù)應(yīng)用特點和目前技術(shù)應(yīng)用中容易忽略的問題，進而從多個角度促進低壓直流配電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。