获奖论文分享：民用建筑直流供配电系统若干问题探讨

编者按：本文是笔者的论文，获今年中国建筑学会建筑电气分会技术年会优秀论文一等奖，刊登在《建筑电气》杂志2019年8期上，供大家交流。

民用建筑直流供配电系统若干问题探讨

李炳华（CCDI集团，北京市 100013）

摘要：根据用电负荷现状和电源的发展情况，提出民用建筑中直流供配电系统只能作为交流供配电系统的补充，在某些局部系统、局部区域、特定条件下应用直流供配电系统。优先采用标准的直流电压，建议民用建筑中压直流供配电系统的电压等级不多于两级，低压直流配电系统不多于三级。民用建筑中直流系统结构应根据负荷特性、分布式能源情况合理采用直流系统，交直流混合系统是当前的务实应用。

关键词：民用建筑；直流；交流；负荷特性；电压等级；分布式能源；系统结构；可靠性

Discussionon Several Problems of DC System in Civil Building

Abstract: According to the current situation of electricalequipment and power supply, this paper puts forward that DC distribution systemcan only be used as a supplement to AC distribution system in civil buildings.The standard DC voltage is preferred. It is recommended that the voltage levelof the MVDC distribution system in civil buildings should not be more than twolevels, and the LVDC distribution system should not be more than three levels.The DC system should be used reasonably according to the load characteristicsand distributed energy conditions in civil buildings. The AC and DC mixedsystem is the current practical application.

Key words: civil building，DC，AC，load，distributedenergy，system structure

0 引言

普遍使用的交流电为人类现代文明作出了巨大的贡献，由于太阳能光伏、风电等新能源的崛起，以及智能电网、微网技术、储能技术的发展，现在投入巨资和人力研究直流供配电系统也是时代发展的需要。

应该知道，技术没有好坏之分，只要用在合适的地方、合适的场合就是合适的技术。直流供配电系统和交流供配电系统各有优缺点，只是一个多世纪以来由交流电占据上风。这种现象一直持续到现在，而且还将继续下去！改变系统性问题是要付出巨大代价的。如果打破旧的交流电体系比目前“强拆”难度还要大，从发电、输变电到末端的用电设备都要作根本性的改变。而且建立新的供配电体系势必要付出巨大的代价，而且还有许多尚未解决和未知的问题。

从表1可知，直流电与交流电各有所长、各有特色，从能耗角度看，直流供配电系统略占优势。

表1 直流电与交流电的对比

2 民用建筑直流系统若干问题

2.1 低压直流系统的定位

众所周知，交流电网经过百年的应用，技术非常成熟，其统治地位在短时期内难以撼动。基于现实及对未来的预测，民用建筑中直流供配电系统只能作为交流供配电系统的补充，在某些局部系统、局部区域、特定条件下应用直流供配电系统。主要应用举例列于表2，而拓展的应用尚需多单位协作共同推进。

表2 民用建筑中直流供配电系统的应用举例

2.2 负荷

直流供配电重新引起行业的重视其中一个原因是用电负荷“直流化”，而供配电系统是为用电负荷服务的，自然会想到系统的直流化。

2.2.1家用电器和办公电器大多数可以采用直流供电

为了适应当前的交流电，家用电器、办公电器不得不在其电源部分增加了整流、滤波等电路，将交流电转化成直流电，不仅增加成本，而且效率降低。家用电器和办公电器量大面广，采用直流供电后，节能、节材、节省投资潜力比较大。

2.2.2 照明设备大多数可以采用直流供电

由于LED技术的成熟和发展，照明采用直流供电已经得到普及。图1为LED线性恒流驱动电路，不管什么类型的LED驱动电路都离不开整流和滤波电路。如果采用直流供电，可以省去整流滤波电路。同样可以起到节能、节材、节省投资及提高效率的作用。

图1 线性恒流LED驱动器

2.2.3 电动机类负荷也可以采用直流供电

直流电动机不必多言，采用直流供电不会有人怀疑。而交流电动机，由于有了变频技术和逆变技术，可以和交流电动机配合使用。我们可以把变频和逆变理解为交流电动机的驱动器，类似LED灯的驱动器。如此看来，交流电动机的驱动电路，包括定频驱动和变频驱动，详见表3。尽管行业内曾对变频器展开过激烈的讨论，但不会影响直流系统为交流电动机提供电源。

表3电动机直流供电的初步方案

2.2.4 电动汽车完全可以采用直流充电

电动汽车采用直流充电可以解决充电慢的问题，快速、高效。目前，我国非车载充电机的容量可达480kW（双枪），充电主机系统容量可达1080kW（32个直流充电终端），充满80%电量的时间只需30min左右。而欧洲，ABB超级快充桩容量为350kW（单枪），充电电流高达500A，充电10min可行驶200km。美国的特斯拉将在全球建设1万个超级充电桩，30min充满80%电量。

2.3 电压等级的确定

民用建筑直流供配电系统的电压等级一直是行业争论的焦点之一。根据GB/T 35727-2017《中低压直流配电电压导则》、GB/T 156-2017《标准电压》等标准，民用建筑直流供配电系统建议采用表4的电压等级。

表4民用建筑直流配电系统电压等级

注：表中带括号的为电压的备选值，建议优先选用不带括号的标称电压。标有“±”号的为双极性线路，未标“±”号的为单极性直流线路。

因此，关于民用建筑直流供配电系统的电压等级可以得出如下结论：

a. 中压电压等级优先选择±35kV、±10kV、±3kV、3kV、±1.5kV。

b. 低压电压等级优先选择1.5kV、±0.75kV、0.75kV、±0.375kV、0.22kV、±0.11kV。

c. 特低电压系统的电压等级优先选择96V、72V、60V、48V、36V、24V、12V、6V。

经过实际工程使用，并积累经验，上述电压等级尚有优化的空间，逐步减少直流标准电压等级的数量。根据现有交流供配电系统的成熟经验，当用电设备的安装容量在250kW及以上时，建议采用中压直流供电；当用电设备总容量在250kW以下，可由低压直流供电。

为便于工程应用，民用建筑物内直流供配电系统的电压等级不能过多，相应的配电级数也不可过多。建议民用建筑物中压直流供配电系统的电压等级不多于两级，低压直流配电系统不多于三级，而配电级数与电压等级相适应。此建议与交流供配电系统相似。需要说明，这里是指建筑物内直流供配电的电压等级，不是用电设备内部的电压等级。对于用电设备而言，只需与配电系统留有供电接口，用电设备内部可能有多个电压等级，需产品设计考虑。

2.4 系统结构

2.4.1 中压直流配电单端网络结构

根据中国电力企业联合会颁布了团体标准T/CEC 166-2018《中压直流配电网典型网架结构及供电方案技术导则》，±1.5kV～±50kV 中压直流配电系统结构主要有如下3种单端方案，参见图2~图4，其特点见表5。

图2单端单路拓扑结构示意图

图4单端环状拓扑结构示意图

表5单端网络结构比较

注：①表中电源端是指由电源或大系统联结的、供电稳定且具有系统电压支撑能力的母线节点；②N-1指电力系统的N 个元件中的任一独立元件发生故障而被切除后，应不造成因其他线路过负荷跳闸而导致用户停电，不破坏系统的稳定性，不出现电压崩溃等事故。

2.4.2 中压直流配电双端网络结构

中压直流配电双端网络结构方案参见图5。双端拓扑结构顾名思义具有两个电源端，如图5所示，左右两侧电源端直流母线同时工作。出线形式可以采用单路，也可采用双路，具体可参考单端拓扑结构。双端网络的特点是：供电容量大、服务范围广、供电可靠性高，满足N－1准则，可为工业园区、重要负荷区等用户供电。

图5双端拓扑结构示意图

图5中任何一端电源停电（例如故障、检修等）时，另一侧电源端能够满足全部负荷供电需求。对负荷而言，获取电能具有较大的灵活性，可从不同方向获取电能；同时电网、分布式电源和储能也可以向不同方向输出电能，为智能电网提供基础条件。

2.4.3 中压直流配电多端网络结构

直流配电不是为了直流而直流，而是因为用电负荷直流化、光伏等分布式能源、储能技术的发展等为直流配电提供了应用前景。因此，直流配电系统中具有3个及以上电源并列运行的概率大大增加。与单端直流网络系统相似，多端电源可以采用树枝状、环状等形式，同时还可采用单路或双路路径，其系统具有供电范围大、供电可靠性较高等特点。与双端结构相似，任一端电源停电（如故障、检修等），其他电源端可继续供电，并满足全部负荷供电需求，电力调度变得十分灵活。该网络方案非常适用于分布式能源接入。多端树枝状拓扑结构示意如图6所示。

图6 多端树枝状拓扑结构示意图

2.4.4 交直流混合系统网络结构

如上所述，现阶段直流系统不可能替代交流系统，也没有必要替代交流系统。直流系统的应用应根据负荷特性、分布式能源情况合理的、局部采用直流系统。因此交直流混合系统是当前的现实应用。表6是典型交直流混合系统的类型及适用范围，其他交直流混合系统的网络拓扑结构可以在表中3种典型结构的基础上进行有机的组合。

表6 典型交直流混合系统的类型

3 结论

综上所述，本文总结如下：

a. 用电负荷“直流化”、光伏等分布式能源、储能技术的发展等唤起行业对直流供配电系统的重新认识。

b. 现阶段，民用建筑中直流供配电系统只能作为交流供配电系统的补充，在某些局部系统、局部区域、特定条件下应用直流供配电系统。

c. 优先采用标准的直流电压，建议民用建筑中压直流供配电系统的电压等级不多于两级，低压直流配电系统不多于三级。

d. 民用建筑中直流系统结构应根据负荷特性、分布式能源情况合理的采用直流系统，交直流混合系统是当前的现实应用。

4 结语

2019年元旦前夕，一则报道令人振奋：新疆昌吉—安徽古泉±1100kV特高压直流输电工程已经建成并全压送电。这是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的特高压输电工程。加之前文所述的用电负荷“直流化”和分布式能源的崛起，夹在电源与负荷中间的直流系统应该引起行业的重视，我们要积极迎接直流供配电系统的到来，架起电源与用电负荷之间的桥梁。但是，直流供配电系统还有许多问题亟待研究和解决，最大的困难莫过于这是庞大的系统工程，不是一国之力能完成的，而是需要国际合作共同研究、推动。另外，直流保护、接地、控制、调度等关键技术尚需研究，可谓步履艰难，困难重重。相信在大家共同努力下，不断研究、总结应用经验，直流供配电会有美好的明天！

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