中国储能网讯：炎炎夏日，酷热难耐，整个金陵城也迎来一年当中温度最高的季节。迎面而来的热气，只有空调房内才能感受到丝丝凉意。随着温度的攀升，空调，冰箱等大功率电器的大规模频繁使用使得整个城市的供电负荷严重，因而频繁出现供电不足现象，给我们的日常生活带来诸多不便，甚至在生产制造上造成巨大损失。在探索解决这一严峻问题的道路上，我们南京国臣一直孜孜不倦，致力于绿色楼宇直流配电的研发与实践。经过不断的优化设计，绿色楼宇直流配电方案已在公司9号楼、10号楼中顺利实施，并取得显著成效。下面请跟随小编的脚步详读此文章，我们将为您从理论到实践进行详细的展示，相信您读完必有大收获。
本项目通过对楼宇直流配电系统的实际建设，使楼宇在供电环节具备了直流属性，对楼宇直流配电系统进行一次较为全面的应用探索。通过对楼宇直流配电系统的网络架构、系统保护、传输能效、电能质量、安全防护、潮流控制、设备优化等方面的研究，为后续实际推广提供理论支撑和实践经验参考
1 楼宇直流配电网概述
图1 楼宇低压直流配电网架构
本楼宇直流配电系统位于南京国臣直流配电科技有限公司生产办公楼内，采用放射状拓扑结构，如图1 所示。直流配电电压的选取原则如下：
（1）兼容目前已有的可用直流替代的交流设备。
（2）线路损耗不高于现有交流系统。
（3）与储能单元和光伏发电系统良好匹配。
综合考虑后确定系统电压等级为600V DC（实际运行电压540V DC）和220V DC两级。如图2所示，整个楼宇低压直流配电系统由电力电子变换器、分布式电源（主要是光伏）、直流负荷、储能单元、开关及保护装置5 部分组成。
(a) 铺设在楼顶的光伏
(b) 系统配电柜
1.1电力电子变换器
通过负荷统计及系统容量配置计算了各电力电子变换器的功率，并对变换器的外形尺寸进行了标准化设计，均采用标准4U抽屉式机箱结构，可实现变换器的热插拔，方便系统的运行维护及后续的拓展。此外，所有模块均具备过压保护、过流保护、低压保护、过热保护以及故障检测功能。
电网到直流母线采用5台并联的16KW AC/DC变换模块（总功率80KW），将市电380VAC转换为480VDC；系统中的DC/DC变换器包括2台20KW光伏升压单元变换器、8台5KW 600V/220V降压单元变换器以及1台储能单元充电机，所有电力电子变换器的效率均在98%以上，通过485通信接口实现与系统的通讯。
1.2储能及光伏
光伏和储能是系统中的重要单元，利用光伏发电作为系统能源之一可以有效提高系统运行的经济性，而储能单元则具备保持系统稳定、能量备用及提高电能质量和可靠性的作用。
通常情况下，光伏发电采用就地消纳原则，按照实际的负荷需求和现场条件确定，本系统中，光伏板采用支架安装，铺设在楼顶，最大输出功率36.4kW，通过2台光伏变换器与直流母线相连，不同于常规通过两级变换器级联分别实现MPPT和电力电子变换输出，本系统中的光伏变换器采用具有精确限压限流及最大功率点跟踪的控制方法，只通过一级DC/DC变换实现MPPT条件下输出的精确限压及限流，在降低系统成本的同时，提高了系统的效率和可靠性。
储能系统采用2组蓄电池（每组40节）并联，输出电压约为513V DC，并通过充放电管理单元连接至直流母线。通过经济性分析和对负荷实际要求确定了储能系统的总容量，目前储能系统总容量为150Ah，可在仅储能供电的极端状态下，保证系统内负荷持续运行1h左右。
1.3直流负荷
楼宇内的直流负荷包括空调、LED照明、办公电脑、空气净化器、冰箱、投影仪、门禁、自动感应冲水器、电水壶等，实际最大运行总功率约74 KW，其中空调采用直流600V DC供电，其他负荷均为220V DC供电，如表1所示。除上述负荷以外，后续还会对电梯进行直流改造。
表1 各类直流负荷及其对应的电压等级及功率
由于没有频率和相位的限制，楼宇低压直流配电系统的控制要点是保持直流母线电压的稳定，因而需要保持供电电源端与负荷端能量平衡。电压调整控制和能量管理是楼宇直流系统控制的2个关键点。1.4楼宇直流系统控制策略
直流系统根据运行目标的差异会采用不同的控制策略，本系统内的电源包括光伏、交流电网及储能单元3个部分，从保证高质量和连续的供电以及实现分布式电源与储能之间的相互配合和充分利用的角度出发，本系统的运行模式见表2。
只有当光伏、储能同时无法满足系统负荷需求时，才投入大电网，从而极大的提高了系统运行的经济性。系统通过对直流电压的监测来判断系统当前状态，并进行合理切换，运行结果表明此种控制策略可以实现对光伏的充分利用及对电压的有效控制。
2直流系统综合保护
直流配电系统无论是故障类型还是故障后果与交流配电网都有不同，实际中相关保护既缺乏标准，也缺少运行经验。直流故障保护仍然被认为是一个阻碍低压直流大规模应用“最后一千米”的突出挑战。传统交流保护解决方案应用于直流系统时，往往需要较长的时间来检测和清除故障，从而对设备规格要求更高。文献[19]对包括直流过流、差动、定向和基于电流变化率等在内的直流系统保护方案做了较为详细的介绍，并指出了这些方法所存在和面临的一些问题。在本楼宇直流系统中，采用了公司自主研发的一体化直流配电单元及直流主动式保护装置，实现了对各类故障的准确识别、快速响应。
2.1一体化直流配电单元
一体化直流配电单元是一类直流配电保护测控装置，主要用于直流进线和直流馈线的各种故障保护跳闸和告警。直流断路器是直流配电系统中重要设备，是故障跳闸和隔离的执行机构，本装置采用ABB公司TMAX系列直流断路器，通过控制励磁脱扣器使断路器断开和电动操作机构进行故障合闸恢复运行，基于一体化配电单元的直流配电系统，可以达到直流配电保护要求的快速、可靠、灵敏、准确动作要求，实现电流保护、电压保护、接地漏电流保护、过负荷热保护、逆功率保护以及开入量联锁保护等功能。系统内的一体化直流配电单元如图3所示。
图3 一体化直流配电单元
2.2直流主动式综合保护
与交流配电类似，直流配电同样存在短路、接地、交直流混接故障和绝缘下降等异常运行情况，同时还存在直流环网故障，5种故障的转换关系如图4所示。
图4 直流系统故障关系图
在楼宇直流配电系统的照明支路和插座支路，加装了直流主动式保护装置（active comprehensive protection ,ACP）。ACP将保护集成在电力电子变换器中，基于电力电子变换器的拓扑结构和电力电子器件的内部运行机理，将保护动作“融于”器件控制逻辑，超前动作于短路故障或大电流故障，可实现如接地故障的主动隔离，达到电源侧、母线侧和负荷侧、负荷与负荷间互不影响的目的，有效限制故障影响范围，并对其他不正常运行状态进行报警，避免其发展成故障状态。以短路状态为例，ACP可在数百微秒内完成馈出锁闭，从而达到保护支路的目的，其功能如图5所示。
图5 ACP功能图
3楼宇直流配电运行管理系统
楼宇直流配电运行管理系统主要由电力电源监控子系统、储能单元电池管理子系统以及主监控系统组成，具备完善的远程监控和图形用户界面监测系统功能。楼宇直流配电运行管理子系统如图6所示。
图6楼宇直流配电运行管理子系统
3.1电力电源监控子系统
电力电源监控系统主要由主监控模块以及电力电源监控软件组成，具备多路电流、电压以及开入、开出量检测功能，并配置多个通信接口，可实现系统内多点数据的采集和通信上传，主要参数如表3所示。
表3 电力电源主监控模块参数
3.2储能单元电池管理子系统
储能单元采用2组各40节南都铅炭电池串接后并联而成，考虑电池可能出现的故障问题，设计了储能单元电池管理系统，系统主要由电池巡检仪和数据处理软件组成。电池巡检仪（见图7）可实时在线巡回检测蓄电池组，通过数据处理软件分析每节单体状况，有效预测出各节电池的供电性能，并通过组态画面实时显示单节电池状态，及时发现性能严重劣化故障电池，立即报警，为电池组维护提供测量依据，从而简化储能单元的维护流程并提高其可靠性。
图7 安装在柜内的电池巡检仪
3.3主监控系统
主监控系统通过触摸屏可以就地显示整个系统的运行状态和基本参数，如图8所示，并可通过无线传输终端实现系统的远程监控。运行中的系统显示如下信息：功率转换单元的电压、电流、功率、效率和故障信息（过压、过流、过温、接地）；储能单元运行状态包括单体电池电压；系统整体运行状态及事件日志；系统发用电量及能效信息等。运行数据可以查看并保存为excel格式。
图8 触摸屏界面
4 运行试验
系统投运后，采用1台FLUKE1760电能质量分析仪和2台德维创设备针对系统进行了运行特性测试，并统计了系统实际效能。
4.1电压电流偏差测试
对600V母线及220V母线的电压、电流进行测试的波形如图9所示，直流电压、有效值和电压偏差趋势分析如表4所示。
(a)600V直流母线和柔性变换器进线波形
(b)220V直流母线和柔性变换器出线波形
图9 母线电压、电流波形
表4 直流电压、有效值和电压偏差趋势分析统计报表
由图9可见，实际电压小幅波动于额定值附近，电压偏差趋势分析表中的数据表明，当仅光伏出力时，600V直流母线可达到较大电压值，约586V；仅电网出力时，电压达最小值约476V，但220V直流母线电压较为稳定，保持在230V左右。
4.2系统纹波测试
针对投运时系统纹波较大的问题，在变换器纹波抑制方面，根据实际的负载运行情况，对闭环调节器的开环放大倍数及闭环调节器参数进行了合理调节，并通过对输出滤波电感、电容参数的调整，有效降低了纹波分量。
对600V母线及220V母线的电压均方根纹波系数的测试统计结果如表5所示，不难看出，600V母线纹波系数大概率保持在0.27%以内，220V直流母线的纹波系数仅为0.04%。此外，针对600V直流母线进行了电压电流频谱测试，结果表明600V母线中含少量的偶次谐波，其中以2次和6次谐波为主，幅值较小，如图10所示。可见，上述纹波抑制手段取得了较好的纹波抑制效果。
表5 电压均方根值纹波系数趋势分析统计报表
图10 540V直流母线电压电流频谱分布（局部放大）
4.3直流保护功能测试
针对一体化直流配电单元以及主动式保护分别在其各自的保护范围内做了短路故障模拟，以验证保护的实际性能，保护动作波形如图11所示。测试表明，上述2种保护设备对各自保护范围的故障动作准确、灵敏、快速。
（a）短路故障时一体化直流配电单元的动作波形
（b）短路故障时ACP的动作波形
4.4系统能效统计分析
对系统的整体发、用电量进行了统计。由监控系统的电量状图（见图12）可以看出，正常情况下，光伏系统产生的电量可以达到系统总用电量的60%以上，有着较为显著的经济效益。
图12 直流配电系统电量图
除上述测试外，还对系统电能质量发射特性测试、交直流系统电能质量传递规律、光伏和储能的调度特性、负荷冲击响应、变换器效率、电压波动对负荷的影响进行了测试，并对系统运行半年的数据进行了记录与统计。
5、总结：
超过半年的运行实践表明，楼宇配电采用低压直流系统在理论上和技术上完全可行。通过采用可靠完善的保护策略和合理的能量调度策略，楼宇直流系统运行稳定可靠，降低了对大电网的依赖性，最大程度上实现了用电的自给自足，为未来绿色楼宇探索了一条可行之路。由于广泛地应用了电力电子技术、计算机控制技术，采用直流配电系统的楼宇具有更高效、灵活的调度特性以及更优的用户体验，并对推进节能减排和能源可持续发展具有重要意义。后续我们将为您就绿色楼宇直流配电提供连续报道，感兴趣请扫下方二维码。
