商業樓宇配電系統:交流或直流,哪種系統能效更好呢?

直流配電以其具備高效接入分布式電源、儲能與直流負荷的優勢，近幾年建築電氣行業得到廣泛關注。作為數量眾多、節能潛力巨大的商業樓宇，採用何種配電形式成為影響其能效水平的關鍵因素，亟需開展樓宇交流與直流配電系統的能效對比分析。現有配電網能效評估研究未能充分考慮商業樓宇負荷的特殊性，評估方法和指標難以適用。

針對這一問題，清華四川能源網際網路研究院、深圳供電局有限公司、珠海格力電器股份有限公司的研究人員李海波、趙宇明、劉國偉、蔣世用、趙政嘉，在2020年第19期《電工技術學報》上撰文，基於商業樓宇交、直流配電系統典型結構，考慮樓宇負荷類型的特殊性和時序性，建立了換流設備的分段線性效率函數及線路動態功率損耗模型，以不同類型分布式電源及負載支路作為評估單元，提出了基於時序仿真的能效評估指標及其方法。最後基於深圳中美中心直流配電示範工程，設計了具備相同邊界條件的交流配電系統，進行能效對比分析。

算例分析表明，商業樓宇負載類型對於交、直流配電系統能效水平具有重要影響，隨著直流負荷比例與分布式電源接入容量的增加，直流配電系統的能效優勢逐漸增大。

隨著經濟發展與城鎮化進程的加速，建築能耗尤其是商業樓宇能耗在社會總體能耗中的佔比逐年增加，商業樓宇能耗高企的問題已逐漸引起社會重視。據統計，商業樓宇能耗費用約佔物業管理成本的30%~40%，其中中央空調系統的能耗一般佔比40%~65%。研究如何提升商業樓宇的能效水平，不僅可提高樓宇運行經濟性，還可推動低碳樓宇發展，實現全社會的節能減排，具有顯著的經濟與社會效益。

直流配電系統以其具備高效接入分布式電源、儲能與直流（或變頻類）負荷的優勢，近幾年得到建築電氣行業的廣泛關注。同時，電力電子器件技術的快速發展驅動了直流配電網的發展。商業樓宇配電系統的主要負荷類型是中央空調、電梯等動力用電，目前大多採用變頻技術，屬於廣義直流負載，另外大多數樓宇還配置了光伏及儲能等分布式電源。從定性角度考慮，採用直流配電可簡化分布式電源、直流負載的併網換流設備，降低系統功率損耗，提高能效。

但是考慮到不同商業樓宇的負載類型和分布式電源配置情況均有所不同，採用直流配電帶來的能效提升效果亦不完全相同。因此，亟需要建立一套針對商業樓宇交流和直流配電系統的能效評估方法，從定量角度評估直流與交流配用電系統的能效差異，為未來商業樓宇配電系統規劃配置提供指導。

在交流配電網能效評估研究方面，國家標準《中低壓配電網能效評估導則》於2015年2月份發布，規定了10（20）kV及以下中低壓配電網能效指標計算及評估分析方法，從不同維度定義了多重指標，並給出了各類指標的計算方法。同時，相關專家學者也針對能效評估問題開展了大量研究，相繼提出了基於層次分析法的配電網能效指標體系、基於能量價值的多能協同園區能效評估指標、基於層次分析法和灰色關聯的變電站能效評估體系以及基於遞階綜合評價法的電力用戶綜合能效評估模型等。

上述研究成果可為樓宇配電能效評估指標建立方面提供一定的借鑑意義，但是由於研究對象不同，還無法直接應用到樓宇能效評估中。

直流配電網的能效評估問題也逐漸引起了國內外學者的關注。國外部分科研團隊利用模擬法，對多場景（民用、商業）下的直流配電系統能效水平進行多維度評估，並分析了相對於交流配電系統，直流系統的主要優勢及節能效果。同時，還有部分團隊採用實驗法，對分布式電源接入前後的能效指標進行了定量分析。結果表明，直流配電系統不僅在能效總體水平上優於交流，且光伏組件的轉換效率也得到了提升，儲能裝置對能效的提升也起到了積極作用。

國內團隊更加側重於從指標體系構建和評價方法層面開展研究，有團隊沿用交流配電系統能效評估體系思路，基於層次分析法提出了計及電力電子變壓器的交直流混合配電網能效評估指標體系。針對分布式電源接入情況，相繼有團隊開展了光伏-混合儲能直流微電網能效評估研究、船舶微電網艏側推進器運行能效研究等，並提出了能效管理策略。

目前在交流和直流配電系統能效評估研究方面已經取得了一定進展，但綜合分析來看，仍然存在以下幾方面的不足：

①評估對象方面，現有研究多側重於中高壓配電網或微電網、換流設備能效評估，對商業樓宇尤其是樓宇直流配電能效評估的研究較為缺乏，關於樓宇交流與直流配電形式能效對比方面的探索也較少；

②評估方法方面，現有研究多採用平均值方法進行評估，對於各類型分布式電源出力、負載需求的時序特性考慮不足，也未充分考慮支路實時潮流特性，無法揭示能效指標時空分布的規律。因此，提出準確、全面且客觀的商業樓宇交流與直流配用電系統能效評估方法是目前亟需解決的問題。

針對上述問題，清華四川能源網際網路研究院等單位的研究人員考慮商業樓宇交流與直流配電系統拓撲結構的差異性，考慮商業樓宇負荷的特殊性與時序性，通過細化低壓用電設備類型及其併網換流設備的差異性，建立考慮多支路潮流分布的系統級能效計算模型，提出了計及「源-網-荷-儲」在內的全環節能效評估指標和評價方法。

圖1 系統能效評估算法流程

圖2 算例系統拓撲結構

研究團隊針對深圳中美中心低壓直流配電系統示範工程，結合實際直流電器設備、分布式電源換流器能效的調研數據，開展了交流和直流配電系統的能效對比分析，主要得出了以下結論：

1）在分布式電源、直流負荷比例較高的情況下，直流配電相比交流配電在能效方面具有優勢。從全年平均角度看，直流配電系統的能效水平比交流系統高出約6%；從月份分布來看，各月份直流系統能效均高於交流系統；從典型日分布來看，直流系統在負荷高峰期能效高於交流系統。

2）系統運行效率（損耗）與系統運行工況（可再生能源出力、負荷水平）具有明顯的關聯性。從時序上看，系統功率損耗呈現明顯的周期特性；從空間分布上看，交流系統損耗主要集中在負荷側換流器中，直流系統損耗則主要分布在主線路上。

3）商業樓宇負載類型對於交、直流配電系統能效水平具有重要影響，隨著直流負荷比例的增加，直流配電系統的能效優勢逐漸增大。

4）分布式資源接入容量對系統能效水平具有明顯影響，且能效變化趨勢呈現先增後減趨勢，出現了「拐點」。直流與交流系統能效之差隨著分布式電源接入容量的增加而增大。

該研究成果可用於低壓交直流配電系統規劃與評估、基於能效的源網荷儲協調優化運行等領域。

本文編自2020年第19期《電工技術學報》，論文標題為「基於時序仿真的商業樓宇交流與直流配電系統能效對比」，作者為李海波、趙宇明等。