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基于直流配电与直流微网的电气节能研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-06-11  来源:《电气&智能建筑》  作者:张永明 丁宝 刘群 傅卫东 牛力
  1 引言
 
  进入21世纪,能源与环境已成为全球化的问题。2014年11月12日,国际能源署(IEA)发布了《世界能源展望2014》,首次将展望扩展到2040年,报告
 
  称到2040年,化石燃料在一次能源需求结构中的比例下降到3/4以下,但是这并不足以有效遏制二氧化碳排放量的上升,与这一排放量相对应的是全球平均气温将上升3.6℃,严重超过国际社会已经达成共识可避免气候变化带来最严重和最广泛影响的2℃控制目标,亟需引导能源系统走上一条更安全的发展道路[1]。
 
  面对能源利用引起的气候变化,可再生能源/清洁能源让我们看到了曙光,可再生能源技术是低碳全球能源供应的重要支柱[1-2],到2040年,可再生能源发电量将占全球新增发电量的近一半[1],但可再生能源存在能量密度低、间歇性、分布分散等特点,也很难适应传统能源网络集中统一的体制,能源互联网作为未来可能的能源可持续发展解决方案正逐渐成为研究的热点和潮流。而能够实现可再生能源“就地收集、就地存储、就地使用”的微电网必将成为有效利用可再生能源的重要方式,微电网也必将成为未来能源互联网核心的基本单元之一。而可再生能源发电作为一种分布式直流电源,且在物理上易于和直流负载结合,选择直流配电以及直流微电网变成必然,直流微电网必将成为微电网的重要形式之一。
 
  鉴于直流供电系统较传统交流供电系统,具有电能变换环节少、传输效率高、不需要输出同步及供电质量更易保证等特点,是电气节能的新的研究方向和发展趋势,近年来得到了产学研各界的广泛关注[3-9]。瑞典、日本、法国和美国等国家的通信公司已于20 世纪90 年代开始了300~400V 数据中心直流配电的研究[10]。另外,军舰、航空和自动化系统的直流区域配电,电力牵引直流供电技术已然成熟[11],这为直流微网的推广应用提供了良好的契机。在建筑直流供电方面,欧盟、日本、美国以及近年来我国纷纷开始了相关方面的研究和示范工程[12-15]。此外,我国2009 年广东白色家电产学研创新联盟成立了直流家电技术工作组和家电集成能源系统技术工作组,启动了我国在该领域的产业研发。
 
  可以预见,随着可再生能源的推广应用以及直流用电终端的普及应用,直流配电/直流微网将逐渐在局部区域获得应用,并成为交流配电/交流微网的有力补充。交流供电和直流供电将互为补充,交流微网和直流微网共同构成微电网,并作为未来能源互联网的基本单元。在这种大背景下,本文从拟应用驱动、技术发展角度,提出直流配电/直流微网技术在相关领域的应用方案、描绘应用前景,以期推动可再生能源在相关领域的推广应用。
 
  2 分布式能源发电与负载特性分析
 
  首先,对可再生能源/清洁能源分布式发电特性做了分析,可再生能源分布式发电具有直流特征;然后,对负载特性和发展趋势做了阐述,在各种终端用电负载中,直流负载与日俱增,且所占比重也越来越高。迫切需要构建直流配电网络以及直流微电网,以适应能源发展的新需求,为电气节能设计应用提供依据和参考,为节能、高效利用可再生能源/清洁能源提供支撑。
 
  2.1 分布式能源发电特性
 
  目前,具有可用性的可再生能源/清洁能源主要有太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等形式能源,分布式发电主要有光伏发电、风力发电、水力发电、燃气发电、燃料电池等。
 
  光伏发电和燃料电池发电,直接以直流形式产生电能,其为直接直流电源,需要经过DC-AC变换才能并入传统的交流配电网。
 
  风力发电和燃气轮机发出电力是交流电,由于叶轮受力的不同其旋转频率不同,其发出交流电力的频率也不同,无法直接并入频率50Hz的交流电网,因此需要经过AC-DC和DC-AC两次变换,才能并入交流配电网。在某种意义上,也可以认为其为间接直流电源。
 
  因此,若使用直流配电系统,可以大量减少配电环节中DC-AC变换器的使用,既降低了电网的构建成本、提高了电网的可靠性,同时也降低了电能变换、传输过程中的损耗。
 
  随着可再生能源/清洁能源分布式发电的快速、全面推广应用,直流配电的优势凸显,迫切需要发展直流配电/直流微电网以适应能源发展的需求。
 
  2.1 直流负载的比重日益增加
 
  近年来,随着电力电子技术的进步、网络通信技术的发展,电能终端用户的用电形式发生了很大变化,国外研究结果表明,某些类型建筑中直流负荷所占比重甚至达90%以上[9],这些变化主要表现在两个方面。
 
  一是,含直流环节的电器增多。最普遍、最具代表性的就是变频电器。近年来,随着变频技术的不断成熟及产品成本的不断降低,大量变频电器被研发、生产、推广应用,如电梯、空调、冰箱、洗衣机等变频设备。
 
  二是,本质上使用直流的电器/电子产品增多。目前越来越多的电气设备本质上都是直流驱动电器,其需要将传统交流电变换为直流电再送给电器使用。如生活中常见的电动汽车、电动自行车、液晶电视、LED照明灯、电脑及网络设备、手机等移动通信设备,等等。
 
  用户终端直流负载的与日俱增,是发展直流配电/直流微电网的内在驱动力之所在。
 
  3 从直流配电到直流微网
 
  为了应对能源危机和气候变化,世界各国积极探寻新能源技术,特别是可再生能源/清洁能源受到世界各国的高度重视。但可再生能源存在地理上分散、规模小、生产不连续、存在随机性和波动性等特点,也很难适应传统能源网络集中统一的体制。能源互联网作为未来可能的能源可持续发展解决方案正逐渐成为研究的热点和潮流。
 
  根据美国知名学者杰里米•里夫金(Jeremy Rifkin)归纳,“第三次工业革命”的五大支柱/特征:
  (1)利用可再生能源;
  (2)将建筑转化为微型发电厂;
  (3)在建筑及基础设施中使用氢和其他储能技术;
  (4)利用能源互联网技术将分散的电力网转化为能源共享网络;
  (5)运输工具转向插电式及燃料电池动力车辆。
 
  该论述清楚地指出了未来低碳能源系统的技术路线,即产能、供能、用能、蓄能和节能相互协调统一,像信息互联网一样把分散的用能和分布式的产能互相连通、实现共享。涉及“就地收集、就地存储、就地使用”微电网技术,必将成为有效利用可再生能源的重要方式,必将成为未来能源互联网的关键技术之一,也必将成为五大支柱的关键支撑技术之一。
 
  鉴于可再生能源发电作为一种分布式直流电源,且在特性上和物理上易于和直流负载结合,选择直流配电以及直流微电网变成必然,用发展的观点来看,直流微电网必将成为微电网的重要形式之一,加之传统交流微电网,共同构成微电网,即交直流混合微电网。
 
  现实中,直流配电以及直流微电网,在有些领域已有典型应用案例,有些领域已现应用倪端。笔者将分析数据中心、电动车、智能楼宇、光伏泵站/风光互补泵站、LED照明等领域的直流配电应用,有些是案例,有些是愿景。希望通过总结分析相关技术的应用状况和发展趋势,抛砖引玉进一步推动直流配电技术的发展成熟与应用,为电气节能提供技术支撑。
 
  4 建筑直流配电及电动车充电
 
  现代建筑与能源的关系密切而复杂。针对建筑光伏并网难、电梯发电去处难,电动车直流充电的需要,以及分布式能源发出的是直流电力,提出了计及电动车充电、电梯发电、建筑光伏等发电的高、低压双母线的直流微电网,该类建筑直流配电系统属微电网技术范畴,是现有建筑交流配电系统的有益补充和完善,是分布式能源在建筑节能中应用以及电动车充电技术的最新发展趋势。
 
  4.1 应用需求驱动建筑直流配电
 
  自1997年,荷兰能源研究中心(ECN)系统地提出了“建筑直流配电技术”实施方案,随后欧洲和日本等地陆续进行了相关开发和验证。其中,在欧洲已经出现采用直流350V住宅供电试验项目;日本自2009年多家日本大型家电企业和建筑企业先后推出了部分“直流生态住宅”示范项目;我国台湾地区近期启动了名为“智慧型直流电力屋”的开发计划。此外,广东华南家电研究院开发了几种直流家电产品;格力电器开发了光伏中央空调,即光伏直驱变频离心机系统,可与光伏发出的直流电直接对接。家电产品对建筑直流配电提出了直接需求。
 
  当前,随着变频家电、电动车进入家庭,以及计算机、各种家用充电设备的普及,建筑内直流负荷的比重越来越高。而目前建筑内只有交流配电系统,只能通过AC/DC转换获取直流电源供电。因此,建筑内需要直流配电系统,以减少电源变换提高电能的使用效率。按日本有关机构测算,若在住宅中全面实施直流供电,在电能转换过程节省的能耗,大约为现有住宅电力消耗量的10~20%[16]。
 
  可再生能源与建筑结合具有先天优势,便于能量的“就地收集、就地存储、就地使用”,因此分布式可再生能源在建筑中应用有着巨大的生命力。光伏发电、电梯再生发电、微型燃气轮机、风力发电、燃料电池等均可向建筑提供直流电源。尤其是光伏建筑一体化(Building Integrated Photo-Voltaic,BIPV) 和电梯再生发电发出的是直流电力,如果在发电的瞬间不能全部使用完毕,可能导致向电网馈电,往往不能得到电网的允许,如何解决配电问题已经迫在眉睫[15] 。从经济上考虑,目前DC/DC(直流变直流)转换器已经变得更加便宜,在建筑内构造直流配电微电网很有必要且能够实现,从而实现节约电能的目的。
 
  此外,近年电动车(EV)的快速发展,特别是,特斯拉运用能源互联网的创新技术,一度成为汽车行业的创新亮点,掀起了全球新能源汽车的一场革命。在中国能源互联网战略研究课题组的倡导下,2014年中国能源互联网电动车项目启动。在电动车快速发展的同时,充电问题凸显,充电难已经成为制约电动车发展的瓶颈。国外的发展趋势也表明,电动车的家电属性越来越突出。因此,依托于建筑物建立直流充电桩必要且可行。
 
 
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