建筑全直流供電和分布式莆電關(guān)鍵技術(shù)及效益分析
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王福林 江億
(清華大學(xué)建筑學(xué)院建筑技術(shù)科學(xué)系室內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)與控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市 100084)
摘要：大型城市電力負(fù)荷一天內(nèi)的峰谷差超過(guò)峰值負(fù)荷的50%，從而導(dǎo)致電源和電網(wǎng)的效率下降和電源與電網(wǎng)的有效利用率的下降、電網(wǎng)損失超過(guò)5%，并造成棄風(fēng)、棄光等結(jié)果。電力負(fù)荷巨大的峰谷差的根源產(chǎn)生于民用建筑，因此本文提出建筑全直流供電與分布式蓄電的解決思路，以期能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)輸入民用建筑的電力在一天內(nèi)保持穩(wěn)定，從而消減電力負(fù)荷峰谷差，提高風(fēng)電、光電入網(wǎng)率。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本文分析了建筑全直流供電與分布式蓄電的可行性、關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展需求以及可能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。
關(guān)鍵詞：建筑全直流供電；分布式蓄電；電力削峰填谷；可再生能源；電網(wǎng)效率；經(jīng)濟(jì)效益；智能微網(wǎng)：低壓電氣設(shè)備
中圖分類號(hào)：TU852 doi: 10. 3969 /j. issn. 1003 - 8493. 2016. 04. 003
0 引言
電力是城市最重要和最主要的能源系統(tǒng)。伴隨城鎮(zhèn)化發(fā)展和大規(guī)模城鎮(zhèn)建設(shè)，民用建筑用電比例逐漸占到城市用電總量的40%以上，由此也加大了城市電力負(fù)荷一天內(nèi)的峰谷差。圖1顯示了北京市終端電力消耗量的各產(chǎn)業(yè)構(gòu)成比例，北京建筑使用過(guò)程中的電力消耗量在北京市終端總消耗量中所占比例逐年攀升，至2012年已經(jīng)接近38%。圖2顯示了某住宅小區(qū)的電力消耗量逐時(shí)變化的實(shí)測(cè)值，峰值耗電功率接近200 kW，達(dá)到低谷用電50 kW的4倍。像北京這樣的巨型城市白天晚上的峰谷差超過(guò)峰值負(fù)荷的50%。同時(shí)隨著風(fēng)能發(fā)電和太陽(yáng)能光伏電池的發(fā)展，電源側(cè)也出現(xiàn)隨天氣變化的峰谷差。由于我國(guó)電源結(jié)構(gòu)是以燃煤火電為主，很難有效應(yīng)對(duì)這種電力峰谷差，從而導(dǎo)致電源和電網(wǎng)的效率下降和電源與電網(wǎng)的有效
利用率下降。2014年我國(guó)火電發(fā)電裝置年運(yùn)行小時(shí)數(shù)僅4 300 h左右，棄風(fēng)電超過(guò)20%，峰谷差導(dǎo)致電源和電網(wǎng)的損失在5%以上。如何應(yīng)對(duì)城市電力負(fù)荷的峰谷差，如何接收日益增加的可再生能源電力，如何提高我國(guó)電源和電網(wǎng)的效率，這是我國(guó)能源面臨的重大和急迫的問(wèn)題，需要通過(guò)能源生產(chǎn)和消費(fèi)領(lǐng)域的創(chuàng)新與革命性變化來(lái)從根本上解決。因此，本文提出
建筑全直流供電與分布式蓄電的解決思路，以期能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)輸人民用建筑的電力在一天內(nèi)保持穩(wěn)定，從而消減電力負(fù)荷峰谷差，提高風(fēng)電、光電入網(wǎng)率。
1 可行性分析
目前民用建筑內(nèi)的各類用電設(shè)備實(shí)質(zhì)需要的都已經(jīng)是直流電。直接供應(yīng)直流電可以減少目前反復(fù)轉(zhuǎn)換所造成的損失，并降低設(shè)備成本。例如LED照明采用直流供電可以降低30%成本，并大幅度延長(zhǎng)壽命；各類電機(jī)（從幾百瓦到幾十千瓦）都希望變頻調(diào)節(jié)。而直接為變頻器提供直流電可以減去交流一直流這一轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)；各類IT設(shè)備也都是需要直流供電。對(duì)
于極個(gè)別的需要交流供電的設(shè)備也可以很容易地通過(guò)DC - AC逆變實(shí)現(xiàn)。同時(shí)電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展也使得不同電壓之間的DC - DC變換成為高效、低成本的易于實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。建筑采用直流供電，將會(huì)促進(jìn)各類建筑電器設(shè)備的革命性發(fā)展和建筑配電與安全系統(tǒng)的根本變化，全面提高建筑設(shè)備的用電效率。
本世紀(jì)電池技術(shù)是能源領(lǐng)域發(fā)展最快也是最重要的牽頭技術(shù)。近十五年來(lái)各類新型電池技術(shù)不斷涌現(xiàn)，蓄電池的成本、可靠性、蓄放電效率、體積、壽命、安全性等各項(xiàng)指標(biāo)都在不斷刷新，不斷出現(xiàn)重大革命性變化。在建筑內(nèi)各個(gè)空間分散地布置蓄電池（每戶、每個(gè)辦公室等），與建筑直流供配電系統(tǒng)直接連接，就可以形成分布式蓄電系統(tǒng)。通過(guò)智能控制調(diào)
節(jié)，只要電池容量足夠大，就可以通過(guò)優(yōu)化調(diào)度蓄放電過(guò)程，實(shí)現(xiàn)外電網(wǎng)對(duì)整個(gè)建筑的穩(wěn)定供電或者是低谷期向建筑供電、高峰期不供電。同時(shí)，安裝在建筑本身的風(fēng)電、光電也可以直接接入直流電網(wǎng)，避免逆變環(huán)節(jié)的損耗。目前蓄電池技術(shù)已經(jīng)使每充放1 kWh電能的電池成本（考慮電池壽命）小于0.5元人民幣，按照目前多個(gè)城市的電力峰谷電價(jià)計(jì)算，已經(jīng)可以產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。隨著電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，壽命的進(jìn)一步延長(zhǎng)和成本的進(jìn)一步降低，分布的電池蓄電方式將更加顯出其顯著的經(jīng)濟(jì)性。
綜上所述，建筑直流供電和分布式蓄電技術(shù)是從根本上解決城市電力負(fù)荷的峰谷差、大幅度提高電源和電網(wǎng)效率，同時(shí)全面接受各類可再生電力，徹底扭轉(zhuǎn)目前電力系統(tǒng)效率低下、可再生電力不易上網(wǎng)的困難狀況。
2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
歐美國(guó)家面對(duì)城市電力負(fù)荷峰谷差和可再生電源上網(wǎng)難的問(wèn)題，發(fā)展智能電網(wǎng)和分布式能源技術(shù)。然而分布式能源的基礎(chǔ)是發(fā)電的主要能源為天然氣。我國(guó)今后燃煤仍將承擔(dān)能源總量的40%以上，而燃煤的最佳和最清潔的利用方式是大規(guī)模發(fā)電。因此發(fā)電的主要能源仍然是大規(guī)模集中的燃煤熱電、核電、水電等，以天然氣為燃料的分布式能源不可能成為我國(guó)
電力的主要生產(chǎn)方式。這樣，依靠西方概念中的智能電網(wǎng)也不能完全解決我國(guó)電網(wǎng)的峰谷差問(wèn)題。
實(shí)際上，自從1882年愛(ài)迪生發(fā)明電力以來(lái)，以愛(ài)迪生為代表的直流供電派與特斯拉(Nikolai Tesla) 為代表的交流供電派孰優(yōu)孰劣的爭(zhēng)論就沒(méi)有停止過(guò)。變壓器的發(fā)明使得交流電壓變化變得很容易也很便宜，因此自1891年起交流電主宰了電力供應(yīng)技術(shù)。但是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和可再生能源利用量的增加，喚起了人們對(duì)直流供電方式的再思考。1954年在瑞典的東海岸，建成并商業(yè)化了世界上第一條直流供電網(wǎng)絡(luò)Gotland 1。我國(guó)也于2011年在云南一廣東之間建立了供電能力5 000 MW、供電電壓±800 kV、供電距離2 071 km的直流供電網(wǎng)絡(luò)。跟交流供電相比，直流供電具有對(duì)于供電能力大、容易控制、電壓變換效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以直流供電得到世界各國(guó)的重視，據(jù)IEEE的電力傳輸與分配委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，目前世界上已投入使用或在建中的直流供電系統(tǒng)達(dá)到130多個(gè)。
建筑內(nèi)直流供電的應(yīng)用也是近十年來(lái)西方各國(guó)在能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前美、歐、日各國(guó)政府都已布局開(kāi)展此方向研究，各大相關(guān)企業(yè)也都在積極開(kāi)發(fā)各類相關(guān)產(chǎn)品。目前在美國(guó)、日本、歐洲已經(jīng)至少建立起10座以上的實(shí)驗(yàn)性直流供電建筑，關(guān)于電壓標(biāo)準(zhǔn)、安全性、能效分析、優(yōu)化調(diào)度方法等這一方向的研究文章也高頻率出現(xiàn)。目前，建筑內(nèi)直流供電主要
應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的供電。美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室( LBNL)在一個(gè)小型數(shù)據(jù)中心搭建了直流供電系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用證明直流配電系統(tǒng)的電能傳輸效率比最先進(jìn)的交流配電系統(tǒng)高約7%，節(jié)省33%的空間，節(jié)約6%的投資成本，并能將系統(tǒng)的可靠性提高兩倍。美國(guó)Universal Electric Corporation推出的數(shù)據(jù)中心直流供電解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)省初投資15%、節(jié)省運(yùn)行費(fèi)33%、節(jié)約空間33%。日本松下電工建造了全直流供電的住宅，并通過(guò)實(shí)測(cè)比較了全直流供電與交流供電的耗電量，實(shí)測(cè)顯示直流供電比交流供電能節(jié)能10.8%（見(jiàn)圖3）。在歐洲，飛利浦、西門子等公司聯(lián)合成立了一個(gè)研究課題DCC +G（Direct Current Components+Grid，直流供電器件與電網(wǎng)），旨在研究基于先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的集成直流供電技術(shù)。美國(guó)研究機(jī)構(gòu)Navigant Research預(yù)測(cè)，全直流供電建筑的市場(chǎng)規(guī)模將從2013年的6.1億美元發(fā)展到2020年的97億美元，將擴(kuò)大15倍（見(jiàn)圖4）。
最近以美國(guó)電動(dòng)汽車制造商特斯拉為代表的美國(guó)、德國(guó)幾家創(chuàng)新企業(yè)相繼推出專門用于建筑蓄電的蓄電池產(chǎn)品，推動(dòng)起分布式蓄電的又一熱潮。
3需求分析
我國(guó)目前是全球低壓電器產(chǎn)品的主要供應(yīng)國(guó)。直流供電建筑和分布式蓄電系統(tǒng)將使建筑低壓配電系統(tǒng)出現(xiàn)革命性變化，現(xiàn)有配電與供電安全產(chǎn)品系列和標(biāo)準(zhǔn)系列將完全被新的產(chǎn)品和新的標(biāo)準(zhǔn)所替代。及時(shí)開(kāi)展這一領(lǐng)域的相關(guān)研究，抓住這一難得的機(jī)遇，有可能使我國(guó)在這一革命性變化中處在牽頭和領(lǐng)先地位。同時(shí)還能帶動(dòng)相關(guān)的各種建筑用電器設(shè)備的升級(jí)改造（如LED燈、空調(diào)冰箱等白色家電、炊事類黑色家電、IT類電子產(chǎn)品等）。相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品涉及我國(guó)目前超過(guò)十萬(wàn)億的年產(chǎn)值。反之，如果失去機(jī)遇，不能及時(shí)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，有可能使我國(guó)丟掉這一個(gè)已經(jīng)處在國(guó)際先進(jìn)水平的領(lǐng)域，喪失十萬(wàn)億人民幣的市場(chǎng)。
同樣的問(wèn)題也存在于電池領(lǐng)域。電池是本世紀(jì)飛速發(fā)展和激烈競(jìng)爭(zhēng)的領(lǐng)域。我國(guó)目前的各類電池產(chǎn)量居世界之首但技術(shù)水平卻未達(dá)到國(guó)際先進(jìn)。分布式蓄電會(huì)形成對(duì)電池的巨大需求，同時(shí)也為電池的研究開(kāi)發(fā)提供巨大的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。通過(guò)發(fā)展直流供電建筑和分布式蓄電，將營(yíng)造出有利于發(fā)展電池技術(shù)的難得的環(huán)境，從而可以促進(jìn)我國(guó)電池技術(shù)的大發(fā)展，使我國(guó)在這個(gè)能源領(lǐng)域的重要技術(shù)上領(lǐng)先于世界。
目前現(xiàn)有的直流供電及分布式蓄電的研究與應(yīng)用，主要著眼于市政電網(wǎng)或微網(wǎng)級(jí)別，對(duì)建筑內(nèi)部的直流供電和分布式蓄電涉及甚少。建筑內(nèi)部的直流供電和分布式蓄電的理論、技術(shù)和方法，以建筑內(nèi)部自然分割的空間為單位，構(gòu)建面向空間的直流供電和分布式蓄電的技術(shù)體系，并對(duì)電壓等級(jí)、配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、蓄放電控制、標(biāo)準(zhǔn)化等技術(shù)的深入研究，亟待進(jìn)行。有待研究的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)包括以下六個(gè)方面：
a．建筑內(nèi)直流供電系統(tǒng)形式、電壓等級(jí)及安全可靠性。
通過(guò)對(duì)樓內(nèi)直流電力系統(tǒng)可能形成的電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及電流動(dòng)態(tài)變化時(shí)電力線形成的等效電容、殘余電壓及迷流等作用，確定直流供電的電壓等級(jí)、電纜走向形式、各種可能的觸電與火災(zāi)危險(xiǎn)，以及保證供電安全可靠的措施。在理論研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)展大量的模擬分析和實(shí)驗(yàn)研究，并通過(guò)優(yōu)化分析，綜合安全、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能等各項(xiàng)指標(biāo)，最終確定電壓等級(jí)、電路形式、安全可靠要求、保護(hù)措施等，形成建筑直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與安全規(guī)范。
b．直流供電的系列低壓電器設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)制定。
直流供電所要求的各類開(kāi)關(guān)、繼電保護(hù)、計(jì)量等低壓電器器件與現(xiàn)在的交流電器系列已經(jīng)完全不同，應(yīng)主要依靠電力電子技術(shù)，通過(guò)固態(tài)半導(dǎo)體器件完成各項(xiàng)電路的控制與保護(hù)功能。由此就要研究、開(kāi)發(fā)全新的系列開(kāi)關(guān)、保護(hù)、計(jì)量以及DC - DC電壓變換等由于直流供電所出現(xiàn)的新需求、新器件。由于是基于固態(tài)半導(dǎo)體器件所發(fā)展起來(lái)的新系列產(chǎn)品，智能控
制、通訊等功能也就會(huì)融于新的器件產(chǎn)品中，從而全面提升建筑內(nèi)配電與保護(hù)系統(tǒng)的智能化水平。在系列產(chǎn)品研發(fā)的基礎(chǔ)上，制定新的連接標(biāo)準(zhǔn)、通訊標(biāo)準(zhǔn)以及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，形成世界領(lǐng)先水平的建筑低壓電器產(chǎn)品和智能化標(biāo)準(zhǔn)體系。
c．建筑直流供電電器產(chǎn)品系列。
配合建筑直流供電，就需要研究開(kāi)發(fā)相應(yīng)的直流供電的電器產(chǎn)品。包括LED照明、各類變頻風(fēng)機(jī)水泵、空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)、炊事用電器等住宅建筑用電器產(chǎn)品和辦公類建筑所需要的中央空調(diào)相應(yīng)產(chǎn)品、電腦等辦公產(chǎn)品、服務(wù)器等IT產(chǎn)品等。盡管這些產(chǎn)品改為直流供電從原理上并不困難，只是在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上的縮減，但仍需要分析研究各類產(chǎn)品的實(shí)際特點(diǎn)，協(xié)調(diào)平衡，確定統(tǒng)一的電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、電源接口形式、產(chǎn)品安全防觸電方法等，從而實(shí)現(xiàn)全面的交流向直流的過(guò)渡。
d．用于建筑內(nèi)分布式蓄電系統(tǒng)的蓄電池和電池管理技術(shù)。
選擇合適的用于建筑內(nèi)分布式蓄電的電池技術(shù)和相應(yīng)的電池充放電智能管理技術(shù)，以延長(zhǎng)電池壽命，減緩衰減，并避免電池運(yùn)行不當(dāng)出現(xiàn)的意外事故等，都需要進(jìn)行研究。根據(jù)實(shí)際的使用需求與條件選擇合理的電池技術(shù)和研究相應(yīng)的電池管理與調(diào)控方法尤為關(guān)鍵。
e．建筑微電網(wǎng)的智能控制。
在直流供電平臺(tái)上，開(kāi)發(fā)建筑微電網(wǎng)的智能控制系統(tǒng)，包括用電負(fù)荷預(yù)測(cè)分析，對(duì)負(fù)荷側(cè)的優(yōu)化控制，以及對(duì)電池和外電網(wǎng)人口的優(yōu)化控制，最終實(shí)現(xiàn)全天外網(wǎng)對(duì)建筑的均衡供電或谷期強(qiáng)力供電、峰期零供電，并且有效接收建筑中可再生能源發(fā)電，使建筑為電網(wǎng)削峰填谷作出貢獻(xiàn)。
f． 支撐直流供電和分布式蓄電技術(shù)的政策機(jī)制。
為推動(dòng)這一全新的供電與蓄能技術(shù)，還需要相應(yīng)的系列政策與機(jī)制的支撐。尤其是電價(jià)計(jì)價(jià)機(jī)制。是采用峰谷電價(jià)制還是峰值負(fù)荷與累計(jì)電量分別收費(fèi)的二部電價(jià)制。深入分析不同的計(jì)價(jià)機(jī)制對(duì)電力供應(yīng)系統(tǒng)的影響和對(duì)各類用電部門的調(diào)控作用，最終提出科學(xué)、公平、可操作的用電末端定價(jià)與結(jié)算機(jī)制。
4社會(huì)效益分析
城市民用建筑用電量接近每年2萬(wàn)億kWh，它所形成的峰谷差所造成的直接和間接損失在每年1000億度電以上。建筑直流供電和分布式蓄電的全面實(shí)施，每年可以節(jié)省電力約1000億度，中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒的最新數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)2012年的電力消耗總量為47 962.6億度，建筑直流供電和分布式蓄電的全面實(shí)施，每年可節(jié)省電力為我國(guó)目前年耗電總量的2.0%。
形成建筑低壓電氣與建筑微電網(wǎng)新興產(chǎn)業(yè)。如果每平方米建筑的電力系統(tǒng)改造需直接投入100元，則50%的民用建筑即300億平方米將形成3萬(wàn)億元的巨大的內(nèi)需市場(chǎng)。
極大地推動(dòng)電池業(yè)的發(fā)展。由于這一需求對(duì)電池的重量要求不高，也容易對(duì)電池進(jìn)行保養(yǎng)、維護(hù)和更換。因此全面實(shí)施將極大地促進(jìn)電池業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，能在電池技術(shù)上全面領(lǐng)先，就能在未來(lái)的能源領(lǐng)域全面領(lǐng)先。
5結(jié)語(yǔ)
本文分析了我國(guó)城市電力負(fù)荷的峰谷差巨大的現(xiàn)狀，認(rèn)為電力負(fù)荷巨大的峰谷變化其根源產(chǎn)生于民用建筑，提出了建筑全直流供電和分布式蓄電的解決思路。分析了建筑全直流供電和分布式蓄電的可行性、發(fā)展需求、關(guān)鍵技術(shù)、和社會(huì)效益。建筑全直流供電和分布式蓄電技術(shù)的推廣應(yīng)用，每年可以節(jié)省電力約1 000億度，為我國(guó)目前年耗電總量的2.0%，可以
拉動(dòng)包括低壓電氣、建筑微電網(wǎng)、電池等產(chǎn)業(yè)的超過(guò)3萬(wàn)億的巨大內(nèi)需市場(chǎng)，并能使我國(guó)在這一革命性變化中處在低壓電氣、建筑微電網(wǎng)、電池等產(chǎn)業(yè)的世界牽頭和領(lǐng)先地位。
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