民用建筑直流配电设计标准

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=====《民用建筑直流配电设计标准》解读=====
T/CABEE 030 - 2022《民用建筑直流配电设计标准》（以下简称《标准》）规定的直流配电系统主要由电源、配电及传输、用电设备和监控系统组成，如图1所示。
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《标准》的主要内容包括直流配电系统设计、建筑分布式储能、主要设备与线缆选型、保护与防护、系统性能、监测与控制等方面，分为了9章21节，共计98条条文，如图2所示。
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====《标准》主要条款介绍====
===直流系统配置===
建筑直流配电系统核心目标之一是实现建筑对电网的功率柔性可调，也就是光储直柔中的“柔性用电”。建筑直流配电系统的负荷计算、容量配置和负荷管理等方面都有其特点。
===逐时负荷计算===
负荷计算是进行供配电系统电源容量设计与运行策略优化的基础。由于接入了本地可再生能源和储能等分布式电源，直流配电系统中能量的流动不只是从电网到负荷单向流动，而是在市政电网、分布式电源和负载之间流动，建筑与电网的关系也从单向供电转换成了双向互动，因此更强调逐时负荷与分布式可再生电源发电曲线的匹配。《标准》第3.0.2条明确规定：“直流配电设计应以实现GIB为目标，做到建筑光伏、建筑储能、用电负荷与城市电网供电的动态平衡”。对直流配电系统的设计，标准第4.2.3条要求计算用户逐时负荷和建筑分布式光伏逐时出力，以便实现各类电源和负荷的合理容量配置。电气设计能量平衡关系图如图3所示。
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===系统容量配置===
目前，分布式光伏系统具备良好的经济性。但屋顶租金占总系统成本的比例也逐步上升，产权清晰、结构安全、日照良好的建筑屋顶正逐步成为稀缺的空间资源。因此，对于光伏发电系统安装容量和安装型式的设计，标准条文4.1.3强调了技术经济性分析。具体来说，在屋顶租金或建筑光伏一体化成本占比较高的情况下，应以单位屋顶面积最大发电量为光伏发电系统设计目标，这与既往以光伏组件每瓦发电量最大为设计目标有较大的差别。屋顶光伏系统的设计应以应装尽装为原则，充分利用好建筑第五立面。\\
电化学储能在建筑电气领域已经有广泛的应用，例如应急电源（EPS）和不间断电源（UPS）等。在“光储直柔”系统中，电化学储能不仅可以实现系统离网孤岛运行，更重要的作用是通过改善系统负荷调节性能，达到提高光伏发电消纳能力、平抑负荷波动和提高电网需求响应能力等目的，是提高建筑负荷整体柔性的重要手段。因此，“光储直柔”系统中的储能容量配置方法和控制策略与应急电源和不间断电源都有很大差异。《标准》第5章对光储直柔建筑储能系统的选型、配置和安全保护进行了论述。\\
建筑分布式储能的设计是为了满足日内调峰需求，因此取典型日工况进行计算。储能容量的计算宜从以下两个角度考虑：① 当建筑分布式光伏发电量大于用户用电量时，多余电量需要进行储存，以二者差值作为储能容量设计依据；② 考虑电网交互能力，建筑分布式储能容量会减小市电功率曲线与目标市电功率曲线的残差平方和，市电目标功率可根据电网需求和用户参与需求响应的意愿确定。当残差平方和减小到零，即计算市电功率曲线与目标市电功率曲线重叠时，计算得到储能容量为储能设计容量。在城市中，通常建筑分布式光伏的发电量小于用户用电量，设计时更多从第二个角度考虑。\\
储能容量E = 充放电功率P × 持续时间T，储能容量和充放电功率之间的关系可以用充放电倍率C = P / E来衡量，并可以分为功率模式和能量模式两种基本形式：功率模式充放电倍率更大（一般大于1），相同容量下，充放电持续时间较短，常用于平抑功率波动和短时应急供电等场合；能量模式充放电倍率较小，但持续时间更长，以吞吐电量作为主要控制目标，常用于负荷迁移、光伏消纳和长时后备供电等场合。\\
最后，市政电源容量配置，即交直流变换器的容量，基于用户逐时负荷、建筑分布式储能容量与功率确定。市电容量优化目标是使计算市电功率曲线与目标市电功率曲线的残差平方和最小。\\
===柔性用电电器===
依据上述流程对系统容量进行计算后，通常会发现市政电源的容量小于负荷功率需求。在实际运行过程中，大部分三级负荷可以根据直流配电系统中供需平衡情况或外部电网的调节指令改变自身运行规律，降低或提高运行功率。建筑中所有用电设备的功率调节能力共同决定了建筑用能柔性（energy flexibility）。按照负荷功率调节实现的形式可分为可中断负荷、可迁移负荷、可比例调节负荷三类。在直流配电系统中，需要基于不同负荷的调节特性，在系统运行控制策略中设定用电负荷功率调节的优先次序，在需求响应或配电系统自身运行需要时调节负荷运行功率，实现柔性用电。《标准》在6.4.1条、6.4.2条和6.4.3条中分别对空调、电热水器、充电桩和照明等直流用电设备的功率主动响应功能进行了规定。按照柔度特性的负荷分类如图4所示。\\
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===直流系统运行控制===
采用直流母线电压作为直流配电系统功率平衡的控制信号是直流配电系统区别于交流系统的一大特点。在直流配电系统中母线电压不仅承担着给终端用电电器供能的任务，也承担着传递系统供需平衡状态的任务。直流配电系统电压等级和系统拓扑的选择、变换器的选型和运行控制策略都需要兼顾这两方面的要求。\\
===电压等级选择===
针对直流配电系统电压等级的选择，国内外进行了大量研究和实践，虽未形成完全统一的意见，但一些基本原则已经比较清楚。一是用尽可能少的电压层级满足尽可能多的用电设备需求；二是尽可能选择更高的电压，降低电流，减小线缆截面积和线路损耗；三是控制电击事故可能带来的人身伤害后果。《标准》在GB / T 35727 - 2017《中低压直流配电电压导则》的基础上，从民用建筑用电负荷容量、配电距离、用电设备发展趋势与产业支撑，以及系统安全性等因素综合比较确定，推荐采用DC 750 V、DC 375 V和DC 48 V三个电压等级。\\
在实际工程应用中，也需要根据自身额定功率选择合适的电压等级。《标准》第4.3.2条给出了常见负载对应的电压等级。对于大功率场景，如充电桩和中央空调、大功率建筑分布式光伏系统等，15 kW以上的大功率设备宜采用DC 750 V。对于中等功率场景，例如空调采暖、办公设备和小型数据中心、中小型建筑分布式光伏和储能系统，0.5 ~ 15 kW的设备宜采用DC 375 V。对于小功率或对用电安全要求较高的场景，例如办公设备、照明、IT设备或工业控制器供电，500 W以下的用电设备宜采用具备安全性更高的特低电压DC 48 V。\\
需要指出的是直流配电系统的电压等级仅是系统设计的额定电压等级，在运行过程中，直流母线的电压会在一定范围内波动。这种波动正是直流配电系统供需平衡的信号，这也是直流系统易于实现柔性控制的原因。但这种优势也给变换器设备的性能和系统保护配合带来了挑战。本文将在变换器选型和保护章节进行详细的介绍。\\
===系统拓扑选择===
民用建筑直流配电系统架构按照变换器之间的连接关系可分为单层和双层或多层结构。《标准》第4.3.1条规定配电系统层级不宜超过3级，并在设计时尽可能减少电压变换层级，避免多级变换造成电能损耗以及供电安全性和可靠性损失。在此原则的基础上，民用建筑直流配电系统架构按照直流母线极性，可进一步分为单极系统和双极系统两种。单极直流系统形式简单，适合负荷功率均匀的场合；双极直流系统适用于供电区域较大，负荷容量差异大的场合。在《标准》第4.1.2条中优先推荐采用单极系统形式。在实际工程应用中单极和双极的选择主要应依据系统中直流负载的功率差异程度确定，如负荷都是15 kW以下的中小功率电器或都是15 kW以上的大功率电器，建议采用简单的单极375 V或750 V的系统形式，而当系统中同时存在大功率和小功率电器时，可采用真双极 ± 375 V母线形式。需要注意的是，真双极系统的变换器、断路器和线缆耐压等级都应按照系统中最高电压（也就是直流正负母线间电压）进行设计选型。单极和双极系统示意图如图5所示。
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===变换器选型===
直流配电系统由各种类型的电力电子变换器构成，电力电子化是直流配电系统区别于交流系统最基本的特征。变换器在直流配电系统中不仅起着电压变换的作用，还承担着系统功率平衡和故障保护等功能，变换器对直流配电系统稳定运行和可靠保护至关重要。变换器的选型不仅要关注稳态的额定参数，也需要关注瞬态和暂态性能。《标准》第6.2.1条中首先规定了变换器设计选型的额定参数，其次针对直流系统运行控制和系统保护需要的关键参数进行了约定。本节先重点介绍系统运行控制相关参数要求，变换器保护相关技术要求将在下一节介绍。\\
变换器选型不仅需要关注额定电压下的性能，还要考虑在直流母线电压波动范围内的控制和保护功能。具体来说，《标准》第6.1.1条对变换器设备工作电压范围和相应的运行状态进行了约定。当直流母线电压处于90 % ~ 105 % 额定电压范围时，设备应能按其技术指标和功能正常工作；当直流母线电压超出90 % ~ 105 % 额定电压范围，且仍处于80 % ~ 107 % 额定电压范围时，设备需要适当降额运行；当直流母线电压超出80 % ~ 107 % 额定电压范围，且持续时间不超过10 ms时，设备需要采取必要的保护措施。当直流母线电压恢复到90 % ~ 105 % 额定电压范围后，变换器也应自动恢复正常运行。直流配电系统设备的工作电压范围如图6所示。
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同时，不同类型的变换器在直流配电系统中的作用有差异，对变换器的功能也有不同的要求。《标准》6.2.4条、6.2.5条、6.2.6条分别给出了交直流变换器、光伏变换器和电压适配变换器的类型和应具备的控制功能。其中，交直流变换器负责建立直流母线电压，应具备直流稳压功能；同时交直流变换器连接交流市电，是同电网柔性互动的接口，因此应具备根据指令调整直流母线电压的功能。为了提高光伏发电效率，连接光伏组件的光伏变换器应具备最大功率点跟踪（MPPT）功能，而当光伏发电功率大于负荷需求，直流母线电压升高到设定值时，光伏变换器应具备降功率限压功能，帮助直流母线电压稳定在设定范围。电压适配变换器主要用于连接不同电压等级的直流母线，满足不同设备对电压的要求，除了基本的电压控制功能，如果系统要求在不同直流母线之间实现功率调度，电压适配变换还应具备单向或双向功率调节能力。
===运行控制策略===
通过设定不同的能量管理策略，直流系统可以利用直流母线电压变化向设备传递功率调节信息，变换器可以根据直流母线电压状态自动切换控制功能，实现分布式电源、交直流转换设备自主功率调节。直流系统利用电压进行功率调节的方法，可以同时兼顾稳态能量和暂态功率两个时间尺度控制要求，由于不依赖于复杂的控制算法和高强度通信，有助于降低建设成本和维护要求。直流系统通过电压变化传递信息，设备根据直流电压状态自主作出响应，从而实现直流系统功率调节的方法，《标准》称之为主动功率响应，以便与电压下垂概念相区别。\\
主动功率响应需要直流母线电压在一定范围内根据供需平衡情况进行波动，这与传统交流配电系统保持母线电压稳定的要求有较大差异。合理确定直流母线电压波动范围需要综合考虑配电系统和用电设备的耐受能力、设备功率控制精度、保护配合以及故障状态处理等方面的因素。实际工程中，可参照《标准》第6.1.1条设定的电压带，通过系统的调试，在能量管理策略中设定6.2.4条、6.2.5条、6.2.6条给出的交直流变换器、光伏变换器和电压适配变换器的类型和应具备的控制功能，实现不同运行模式的自动切换。\\
===直流系统保护===
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