直流建筑技术展望

直流建筑技术展望

冷成伟

 天元建设集团有限公司 山东省临沂市 276000

摘 要：直流建筑是以低压直流配电系统为标志性特征，配备高比例建筑光伏、高比例直流设备、储能装置和智能充电桩，并具有电力柔性和电网交互能力的新型建筑。在建筑低碳化、电气化、信息化的趋势下，直流建筑凭借着高效的供配电系统、简单的能量平衡控制以及较高的可靠性和用电安全性而具有技术优势。本文从系统架构、配电设备、控制系统、接地保护等方面综述了直流建筑的技术研究现状。从研究现状看，既有研究初步检验了直流供配电技术在建筑中应用的可行性; 展望未来，在“新基建”推动下，围绕直流建筑的生态系统构建不仅能促进建筑微电网、电化学储能、半导体材料、智慧物联网等新兴技术的发展，同时还将拉动巨大内需，具有广阔前景和重要价值。

关键词： 建筑电气化; 建筑节能; 直流建筑; 配电系统; 新基建

引言

在新型城镇化发展和城市能源转型的新时期，我国建筑用能系统正呈现出新的发展趋势。为建筑供配电系统的新型技术，直流建筑正在受到越来越多的关注，并且在国内外已经有了广泛的技术研究和工程示范。

1直流建筑的发展驱动力

新时期下我国建筑用能系统发展的主要特征是由可再生能源发展推动的低碳化、由终端用能占比提升推动的电气化、以及数据驱动的信息流与能量流融合。

1.1低碳化: 可再生能源高比例渗透及分布式发展我国城市能源结构正在从碳基能源结构向低碳能源结构的转变。很多机构对我国未来的能源结构进行了预测，为达成《巴黎协定》2 ℃温升的目标，到2050 年我国能源结构至少需要实现“2 个 50%”，分别是一次能源消费中非化石能源占比超过 50%，以及终端能源消费中电能占比超过 50%。从我国资源禀赋和技术现状出发，风力发电和光伏发电是近中期最具发展潜力的能源。在 2010 到 2018 年间，我国风力发电装机容量从不到 30 GW 发展到184 GW，同期光伏装机容量也从不到 1 GW 发展到174 GW，发展迅速。可再生能源的高比例渗透和分布式发展有利于建筑用能的低碳化发展。这是建筑节能纵深发展的机遇，但同时可再生能源高比例渗透带来的不稳定性也将对建筑供配电系统构成严峻挑战。如何解决建筑供配电系统的调峰问题和可靠性问题是未来建筑高效利用可再生能源的基本前提。

1.2电气化: 终端电能占比的进一步提升

随着电能在建筑能耗中的比重日渐提高，建筑供配电系统的能效提升也将成为建筑节能的关注焦点，包括用电设备自身的能效以及供配电系统的能效。同时，用电量增加还将导致电力峰值负荷的增加，而且峰值负荷的增速往往高于用电量的增速。这会导致建筑配电和市政配电投资的大幅增加，同时降低配电设施的利用率和经济性。如何充分利用存量配电网、抑制配电容量的过快增长有待深入研究。

1.3直流建筑的特征

虽然直流建筑以低压直流配电系统为标志，但是不可忽略的是直流建筑发展离不开建筑光伏、建筑储能、直流电器和汽车充电桩的普及应用，也离不开智能电网的发展需求。未来的直流建筑将具有以下核心特征:

1) 采用低压直流配电系统;

2) 高比例的建筑光伏;

3) 高比例的直流设备;

4) 具有分布式储能装置和智能充电桩;

5) 具有电力柔性和电网交互能力

3 直流建筑的技术优势

3.1 高效的建筑供配电系统

建筑采用直流配电可以减少光伏等直流电源的逆变环节、直流电器和变频电器的整流环节，但是同时需要增加建筑从市网购电的整流环节、建筑向电网馈电的逆变环节、交流电器的逆变环节。

3.2简单的能量平衡控制

直流供配电系统的能量平衡控制不需要考虑相角、频率、无功补偿等问题，直流电压是反映电力供需平衡的唯一标志。

3. 3 更高的供电可靠性

直流建筑转换环节较少，设备元件数量较少，因而由设备故障所导致的系统停电概率降低。

3.4 更高的用电安全性

对比交流电和直流电的对人效应可以发现，直流电各区的人体电流值和电流持续时间均大于交流电。因此，直流建筑具有安全性优势。

4直流建筑的技术发展展望

未来直流建筑技术发展需要跨领域的协同发展，其将围绕直流供配电平台构建直流建筑的生态系统。直流建筑可以为半导体、分布式光伏、分布式电池、电动汽车、直流电器、智慧物联网等关联产业开拓应用场景; 而与此同时，直流建筑也依赖于这些产业的发展以追求其低碳、高效、柔性、可靠等目标。此外，直流建筑的发展还与智能电网的发展密切相关，直流建筑柔性和可靠性提升有利于推进电力体制改革、城市电网供电可靠性提升、和城市能源转型。

4. 1 基于新一代半导体的配电设备研发

直流建筑供配电系统所需的各类开关、转换、计量、保护等设备主要是固态电子器件，其性能提升和功能拓展离不开半导体材料技术的进步。随着碳化硅( Silicon Carbide，SiC) 、氮化镓( Gallium Nitride，GaN) 等新一代半导体材料的市场化应用［35-36］，半导体器件功耗有望降低约 2 /3。因此，新一代直流配电设备的研发必将与新一代半导体材料结合，实现能效提升和模块化发展。同时，还应重点解决开关电弧问题，开发满足直流配电需求的漏电流监测装置和电量计量装置，逐步完善产业链和相关行业标准。

4.2 直流建筑促进电网供电可靠性的提升

高可靠供电是电网一直以来的发展目标，而冗余设计是过去提高城市电网供电可靠性的重要方式。然而，当供电可靠性达到一定程度后，继续依靠冗余设计来提高供电可靠性将面临指数增长的成本问题。直流建筑集成有光伏、储能和电动汽车，同时具有柔性调节能力，在电网故障时可以实现短期的离网运行，保证建筑不断电。直流建筑的发展有望实现电网供电可靠性的进一步提高，例如通过电网冗余设计保障 99%、建筑自身按需保障后面 N 个 9的综合性方案可以在差异化提供用户供电可靠性的同时大幅降低电网建设成本。

5总结与展望

直流建筑是以低压直流配电系统为标志性特征，配备高比例建筑光伏、高比例直流设备、储能装置和智能充电桩，并具有电力柔性和电网交互能力的新型建筑。在建筑低碳化、电气化、信息化的趋势下，直流建筑凭借着高效的供配电系统、简单的能量控制以及较高的安全可靠性而具有显著的竞争优势。直流建筑的既有研究已初步检验了直流供配电技术在建筑中应用的可行性，目前国内外已经有不少建成的直流建筑实验平台和示范工程。未来，在“新基建”的推动下直流建筑将迎来难得的发展机遇，基于新一代半导体的直流配电设备、基于智慧物联网的电力柔性调节策略、直流建筑与光伏、电池、电动汽车、直流电器等相关产业的协同发展、直流建筑促进电网供电可靠性提升都将成为未来直流建筑技术的研究热点，构建直流建筑生态系统。发展直流建筑不仅促进建筑微电网、电化学储能、半导体材料、智慧物联网等新兴技术的进步，同时还能拉动内需。直流建筑具有广阔发展前景和重要应用价值。

参考文献：

[1]国网能源研 究 院 有 限 公 司． 中国能源电力发展展望 2019［M］． 北京: 中国电力出版社，2019

[2]清华大学建筑节能研究中心． 中国建筑节能年度发展研究报告 2019［M］． 北京: 中国建筑工业出版社，2019

[3]马也骋． 通信行业数据机房采用高压直流供电模式的探讨［J］． 通讯电源技术，2013，30( 1) : 61-64

[4]黄冬艳，陆佩芳． 可持续节能建筑的直流供电架构［J］． 智能建筑电气技术，2013，( 3) : 81-85