低压直流配电技术在民用建筑中的合理应用
问题背景
在新能源、新科技及节能技术的发展过程中，分布式电源和直流用电负荷从供应和需求两端推动着直流技术发挥其独特的作用。从电源的供应端来说，直流特高压、风力发电、光伏发电、电储能、直流微电网等技术获得了长足了发展；从负荷端来说，汽车充电、LED照明、LED大屏、数据中心、电脑、手机等也都离不开直流电，直流电的应用问题越来越受到关注，下面就低压直流配电技术在民用建筑中的应用进行探讨。
民用建筑中直流配电的应用
应用（一）：蓄电池组构成的直流控制电源。如图1所示，这是一种由蓄电池组、充电装置及直流屏等设备构成，广泛应用于各种类型的变电站中，是一种在正常和各种事故情况下都能保证可靠供电的电源系统，或者说是一种直流不停电电源系统，其应用历史悠久且极为广泛，通常称为“直流控制电源系统”，或简称“直流屏系统”。
应用（二）：通信系统 - 48 V供电系统。主要采用市电经开关电源变换至直流，对蓄电池浮充，同时输出给设备供电，正极接地。由于空气中的湿度总是存在，在直流电的电解作用下，采用正极接地时继电器受腐蚀的是体积较大的铁芯部分而不是线径很细的线圈部分，这是系统采用正极接地的一个重要因素。例如在电话时代，- 48 V电源曾应用于局端向固定电话馈电。
应用（三）：直流配电技术在数据中心的应用。目前直流配电技术在数据中心中已有规模化的应用，比如中国移动主导的336 V直流供电技术、中国电信主导的240 V直流供电技术。这类直流系统相比于传统UPS系统，减少了DC / AC变换环节，同时由于直接输出直流电，服务器PSU减少了AC / DC环节，取消两级变换后电路结构有所简化。图2为典型的336 V直流供电系统结构图。
应用（四）：照明调光。其关键部件直流集中柜主要由输入输出配电单元、整流模块、监控单元等构成。交流电通过集中供电柜内的整流模块整流后得到200 ~ 300 V的直流电，经过输出开关悬浮供电给灯具，灯具内部的DC - DC电源模块负责将直流电转换为LED灯所需的电源，实现照明和调光的功能。其技术特点包括：可通过调节直流电压实现低成本调光控制，无需铺设调光线；交流输入电压适用范围宽。在城市道路智慧照明、公共轨道交通照明、隧道照明、办公商业照明、场馆照明等均有应用。
应用（五）：消防应急照明。消防应急照明和疏散指示系统中普遍应用的A型灯具，就是采用不超过DC 36 V的电压供电。系统由A型集中电源、集中控制系统、各类应急照明灯具、疏散灯具等组成。
应用（六）：结合分布式电源及用户侧储能的低压直流配电微网，近年来获得了较为迅速的发展。这是一种以分布式电源、用户侧储能、新能源直流汽车充电桩、直流空调、直流照明、一体化的智能微电网系统等组成的直流配电系统。图3是其中一种典型的直流配电系统的接线示意，图中包括主变换器（实现将交流市电转换为直流电）、直流母线、直流配电柜、分布式电源及其双向变换器、电池及储能变换器、DC - DC变换器、直流负荷等。
电费计费模式与直流微网的运行模式
在考虑直流微网运行模式时，设计人员首先需要关注的是项目和市政电网的接入关系。关注的重点有两个：一个是并网上网，或是并网不上网，或是孤岛运行，这一般需要征得供电部门的同意，一旦确定并网上网，一般需要由供电部门委托电力设计部门出具接入系统报告，由接入系统报告来确定设计的先决条件；另一个关注的重点则是电费的计费机制。电费的计费机制对直流微网运行的经济效益有很大的影响。分布式电源发出的电、储能系统储存的电能产生多大的经济价值都与电费的计费制度有关。对居民用户来说，目前普遍实施的是单一制电价机制；对工商业用户来说，单一制和两部制并存。以上海市发展和改革委员会《关于降低本市一般工商业电价有关事项的通知》（2019年4月15日）附件中的上海电价为例，上海电价表包括“上海市非居民用户电价表（分时）”“上海市非居民用户电价表（未分时）”及“上海市居民用户电价表”等3部分。本文探讨的项目类型大部分属于上海市非居民用户（分时）这种类型的，上海市非居民用户电价表（分时）如表1所示。
从表1可以看出，对一般工商业而言，有单一制和两部制两种类型。两部制是一种用与容量成比例的每月固定的基本电价和与用电量成比例的每月变动的电量电价来决定电费的方法。两部制电价由基本电费和计量电费叠加而成，它将电价分成基本电价与电度电价两部。
基本电费是按照用户的最大需用量（即一个月中每15 min平均负荷的最大值）作为计算电价的依据，由供电部门与用户签订合同，确定限额（一般是每个月用户申报一个最大需量），乘以固定的37. 8元 / （kW · 月）。基本电费不以实际耗电数量为转移，不管企业是否用电，都需要缴纳，与实际用电量无关。电度电费是按用电部门实际耗电度数计算的电价，根据峰谷平不同时段累计消耗的电量数，乘以对应的分时电价再累加即可。基本电费加上电度电费就构成某个月用户的电费。
为了进一步厘清单一制和两部制这两种收费模式的差异，以10 kV进线的一般工商业用电（夏季）举例，查表1，按一天24 h将各个时段的电度单价绘制成折线图得到图4。
同样以非夏季查表，按一天24 h将各个时段的电度单价绘制成折线图得到图5。
从图4、图5得出：① 两部制曲线的峰谷差距比单一制曲线大，两部制电价的峰谷电度电价差距大于单一制；② 两部制曲线大部分时段都低于单一制曲线，两部制的谷段和平段电度电价低于单一制；③ 在峰值时段，两部制的电度电价反而高于单一制，较为特殊。因为两部制需每月根据最大需量缴纳基本电费，从整体而言，两部制的单位电度电价低于单一制才是合理的，可两部制在峰值时段的电度单价反而是高于单一制的。
就用户侧储能而言，采用谷充峰放的运行模式在单一制和两部制的情况下，无疑都可以节约电度电费，但两部制情况下节约的更多。同时两部制情况下还可能降低一部分基本容量费。之所以不是百分之百能降低基本容量费是因为基本容量费的收取方式是非线性的，当最大需量低于变压器容量的40 % 时，依然需要按40 % 申报最大需量。故而在一些能源类项目的早期，如果接入的用户负荷增长缓慢，主变压器负载率在项目投产的前几年会大幅度低于40 %，采用不需缴纳基本电费的单一制电价更有优势。
用户侧储能是指将储能设备安装并服务于用户侧的储能方式，用户可根据自身能源系统的特点和能耗情况来控制储能设备的运行，利用分时电价实现削峰填谷、降低费用等目的。
储能单元主要包括储能变换器、电池堆、电池管理系统。其中，储能变换器的主要作用是实现对电能的双向转换：在充电状态时，将电能储存到储能设备中；在放电状态时，将储能装置设备的电能输送到微网。电池堆用来实现对电能的存储和释放，当电网有多余的能量时，电池堆吸收电能转化为化学能进行存储；当电网需要能量时，电池堆将化学能转化为电能供给电网。电池管理系统则实时监控电池电压、电流和温度，避免过充、过放、过压、欠压等问题的发生，同时进行充放电均衡管理，克服电池间的一致性差异，确保电池组的能量利用率。
目前，各类电池储能技术均处于快速发展阶段，但在实际的项目设计中笔者依然发现电池选择是设计中较难处理的问题，有3个方面较为要紧：
a. 电池的循环寿命，电池经历一次充电和放电，称为一次循环；在一定放电条件下，电池工作至某一容量规定值之前，电池所能承受的循环次数，称为循环寿命。各种蓄电池使用循环次数都有差异，传统固定型铅酸电池约为500 ~ 600次，起动型铅酸电池约为300 ~ 500次，阀控式密封铅酸电池循环寿命为1 000 ~ 1 200次，铅炭电池约2 000次，磷碳铁锂电池约3 000 ~ 3 500次，全钒液流电池一般能超过10 000次。影响循环寿命的因素包括厂家产品的性能及维护工作的质量。在本文提及的应用（一）中的直流屏、应用（二）中的通信电源及应用（三）中的数据中心中的直流配电系统，其电池追求的是可靠性，电池是作为市电的备用，其对电池要求的不是循环寿命（UPS系统里的电池也是如此），而是浮充寿命。故而还可以用浮充寿命（年）来衡量，例如常用的阀控式密封铅酸电池浮充寿命在10年以上。但是对于应用（六）中的储能电池，需要其有较高的循环寿命，以便实现每天的谷充峰放，甚至一天中多次充放，故而选择的电池会与直流屏和UPS中的电池不同。
b. 消防安全，电池的消防安全问题不容忽视，新闻中也屡屡见到电池引起火灾的事故报道。现行规范中，对蓄电池室的设计要求较多为针对于阀控式密封铅酸电池的［8］，对锂电池之类的没有确切的规定，所以设计人员对于将锂电池放置于室内空间如地下室机房内时，应予以警觉，必然面临如何防范火灾及万一火灾如何处置的问题。如果采用的是目前技术条件下火灾危险较高的电池或是火灾危害较大的电池，建议将电池放置在室外空间，并与人及建筑物有足够的安全距离。
c. 每千瓦时对应的初始投资成本，目前的市场情况下铅炭电池 < 磷碳铁锂电池 < 全钒液流电池。
由于电池技术尚处于快速发展阶段，也许不久的将来，一些技术和经济上的约束会被打破，会更好地服务于直流配电系统。
工程项目所在地的外部自然条件一定程度上决定了分布式电源的种类，如太阳能资源丰富的地区更适合采用光伏发电，而风能资源丰富的地区更适合采用风力发电。
在远离城市的牧区、海岛、边防站、临时性的旅游集中点、船舶等地方，由最近的市政电网新引供电线路的成本可能非常高昂或根本不具有可行性，这种情况下采用就地设置光伏或风力发电，配备充足的蓄电池既可以节约大量的外线投资，又保证了系统运行的稳定性。同时因为用地条件宽裕，也可以采用露天放置的集装箱式储能装置，消防安全问题也较容易得到解决。直流空调和直流照明的运用可以有效满足人民的生活需要。
而在城市的中心，因为用地紧张，难以设置太多的光伏和风力发电，在一些地方的绿建设计要求中，光伏发电的装机容量要达到整个用电系统的1 % 也已经是绞尽脑汁，要提高分布式光伏或风力的装机容量谈何容易，加上取得市政交流电源非常便利，用电负荷又大多是交流负荷，在这种情况下项目可以采用交流配电系统为主，直流配电系统为辅的方式。对光伏发出的电力可以考虑直流供应给类似于地下车库的值班照明，这类负荷具有长期稳定运行的需求，可以保证消纳光伏发出的电力，不够再的由市电补充。
项目案例
案例一：某国际金融总部办公楼。项目地处市中心，市电供应较便利，市政供电容量为11 600 kVA。故供电系统采用交流为主、直流为辅的方式。其直流配电示意如图6所示 ，项目设置有324块265 Wp多晶硅光伏组件，合计装机容量为85. 86 kWp，光伏产生的电能供给28 / 29层照明使用，不足时由市电经整流后补充。蓄电池的存在除了能平衡系统光伏出力的波动，在某种程度上也为特殊重要楼层照明供应的可靠性提供了保障。
案例二：某城市级地下空间开发项目。该项目有6个地面车位，拟设置直流充电桩，地下室快速接驳车道采用了直流可调光照明。项目采用如图7所示的直流配电系统，设置了 ± 375 V直流母线，取DC 750 V电压供应直流充电桩，取DC 375 V电压供应直流照明，同时设置了铅炭电池作为储能装置，以谷充峰放的模式运行。
