王福林 江亿
(清华大学建筑学院建筑技术科学系室内空气质量评价与控制北京市重点实验室，北京市 100084)
摘要：大型城市电力负荷一天内的峰谷差超过峰值负荷的50%，从而导致电源和电网的效率下降和电源与电网的有效利用率的下降、电网损失超过5%，并造成弃风、弃光等结果。电力负荷巨大的峰谷差的根源产生于民用建筑，因此本文提出建筑全直流供电与分布式蓄电的解决思路，以期能够实现电网输入民用建筑的电力在一天内保持稳定，从而消减电力负荷峰谷差，提高风电、光电入网率。为了实现这一目的，本文分析了建筑全直流供电与分布式蓄电的可行性、关键技术、发展需求以及可能带来的经济社会效益。
关键词：建筑全直流供电；分布式蓄电；电力削峰填谷；可再生能源；电网效率；经济效益；智能微网：低压电气设备
中图分类号：TU852 doi: 10. 3969 /j. issn. 1003 - 8493. 2016. 04. 003
0 引言
电力是城市最重要和最主要的能源系统。伴随城镇化发展和大规模城镇建设，民用建筑用电比例逐渐占到城市用电总量的40%以上，由此也加大了城市电力负荷一天内的峰谷差。图1显示了北京市终端电力消耗量的各产业构成比例，北京建筑使用过程中的电力消耗量在北京市终端总消耗量中所占比例逐年攀升，至2012年已经接近38%。图2显示了某住宅小区的电力消耗量逐时变化的实测值，峰值耗电功率接近200 kW，达到低谷用电50 kW的4倍。像北京这样的巨型城市白天晚上的峰谷差超过峰值负荷的50%。同时随着风能发电和太阳能光伏电池的发展，电源侧也出现随天气变化的峰谷差。由于我国电源结构是以燃煤火电为主，很难有效应对这种电力峰谷差，从而导致电源和电网的效率下降和电源与电网的有效
利用率下降。2014年我国火电发电装置年运行小时数仅4 300 h左右，弃风电超过20%，峰谷差导致电源和电网的损失在5%以上。如何应对城市电力负荷的峰谷差，如何接收日益增加的可再生能源电力，如何提高我国电源和电网的效率，这是我国能源面临的重大和急迫的问题，需要通过能源生产和消费领域的创新与革命性变化来从根本上解决。因此，本文提出
建筑全直流供电与分布式蓄电的解决思路，以期能够实现电网输人民用建筑的电力在一天内保持稳定，从而消减电力负荷峰谷差，提高风电、光电入网率。
1 可行性分析
目前民用建筑内的各类用电设备实质需要的都已经是直流电。直接供应直流电可以减少目前反复转换所造成的损失，并降低设备成本。例如LED照明采用直流供电可以降低30%成本，并大幅度延长寿命；各类电机（从几百瓦到几十千瓦）都希望变频调节。而直接为变频器提供直流电可以减去交流一直流这一转换环节；各类IT设备也都是需要直流供电。对
于极个别的需要交流供电的设备也可以很容易地通过DC - AC逆变实现。同时电力电子技术的飞速发展也使得不同电压之间的DC - DC变换成为高效、低成本的易于实现的过程。建筑采用直流供电，将会促进各类建筑电器设备的革命性发展和建筑配电与安全系统的根本变化，全面提高建筑设备的用电效率。
本世纪电池技术是能源领域发展最快也是最重要的牵头技术。近十五年来各类新型电池技术不断涌现，蓄电池的成本、可靠性、蓄放电效率、体积、寿命、安全性等各项指标都在不断刷新，不断出现重大革命性变化。在建筑内各个空间分散地布置蓄电池（每户、每个办公室等），与建筑直流供配电系统直接连接，就可以形成分布式蓄电系统。通过智能控制调
节，只要电池容量足够大，就可以通过优化调度蓄放电过程，实现外电网对整个建筑的稳定供电或者是低谷期向建筑供电、高峰期不供电。同时，安装在建筑本身的风电、光电也可以直接接入直流电网，避免逆变环节的损耗。目前蓄电池技术已经使每充放1 kWh电能的电池成本（考虑电池寿命）小于0.5元人民币，按照目前多个城市的电力峰谷电价计算，已经可以产生经济效益。随着电池技术的进一步发展，寿命的进一步延长和成本的进一步降低，分布的电池蓄电方式将更加显出其显著的经济性。
综上所述，建筑直流供电和分布式蓄电技术是从根本上解决城市电力负荷的峰谷差、大幅度提高电源和电网效率，同时全面接受各类可再生电力，彻底扭转目前电力系统效率低下、可再生电力不易上网的困难状况。
2 国内外研究现状
欧美国家面对城市电力负荷峰谷差和可再生电源上网难的问题，发展智能电网和分布式能源技术。然而分布式能源的基础是发电的主要能源为天然气。我国今后燃煤仍将承担能源总量的40%以上，而燃煤的最佳和最清洁的利用方式是大规模发电。因此发电的主要能源仍然是大规模集中的燃煤热电、核电、水电等，以天然气为燃料的分布式能源不可能成为我国
电力的主要生产方式。这样，依靠西方概念中的智能电网也不能完全解决我国电网的峰谷差问题。
实际上，自从1882年爱迪生发明电力以来，以爱迪生为代表的直流供电派与特斯拉(Nikolai Tesla) 为代表的交流供电派孰优孰劣的争论就没有停止过。变压器的发明使得交流电压变化变得很容易也很便宜，因此自1891年起交流电主宰了电力供应技术。但是随着电力电子技术的发展和可再生能源利用量的增加，唤起了人们对直流供电方式的再思考。1954年在瑞典的东海岸，建成并商业化了世界上第一条直流供电网络Gotland 1。我国也于2011年在云南一广东之间建立了供电能力5 000 MW、供电电压±800 kV、供电距离2 071 km的直流供电网络。跟交流供电相比，直流供电具有对于供电能力大、容易控制、电压变换效率高等优点，所以直流供电得到世界各国的重视，据IEEE的电力传输与分配委员会统计，目前世界上已投入使用或在建中的直流供电系统达到130多个。
建筑内直流供电的应用也是近十年来西方各国在能源领域的研究热点。目前美、欧、日各国政府都已布局开展此方向研究，各大相关企业也都在积极开发各类相关产品。目前在美国、日本、欧洲已经至少建立起10座以上的实验性直流供电建筑，关于电压标准、安全性、能效分析、优化调度方法等这一方向的研究文章也高频率出现。目前，建筑内直流供电主要
应用于数据中心IT设备的供电。美国劳伦斯伯克利国家实验室( LBNL)在一个小型数据中心搭建了直流供电系统，实际应用证明直流配电系统的电能传输效率比最先进的交流配电系统高约7%，节省33%的空间，节约6%的投资成本，并能将系统的可靠性提高两倍。美国Universal Electric Corporation推出的数据中心直流供电解决方案能够实现节省初投资15%、节省运行费33%、节约空间33%。日本松下电工建造了全直流供电的住宅，并通过实测比较了全直流供电与交流供电的耗电量，实测显示直流供电比交流供电能节能10.8%（见图3）。在欧洲，飞利浦、西门子等公司联合成立了一个研究课题DCC +G（Direct Current Components+Grid，直流供电器件与电网），旨在研究基于先进半导体技术的集成直流供电技术。美国研究机构Navigant Research预测，全直流供电建筑的市场规模将从2013年的6.1亿美元发展到2020年的97亿美元，将扩大15倍（见图4）。
最近以美国电动汽车制造商特斯拉为代表的美国、德国几家创新企业相继推出专门用于建筑蓄电的蓄电池产品，推动起分布式蓄电的又一热潮。
3需求分析
我国目前是全球低压电器产品的主要供应国。直流供电建筑和分布式蓄电系统将使建筑低压配电系统出现革命性变化，现有配电与供电安全产品系列和标准系列将完全被新的产品和新的标准所替代。及时开展这一领域的相关研究，抓住这一难得的机遇，有可能使我国在这一革命性变化中处在牵头和领先地位。同时还能带动相关的各种建筑用电器设备的升级改造（如LED灯、空调冰箱等白色家电、炊事类黑色家电、IT类电子产品等）。相关领域产品涉及我国目前超过十万亿的年产值。反之，如果失去机遇，不能及时应对挑战，有可能使我国丢掉这一个已经处在国际先进水平的领域，丧失十万亿人民币的市场。
同样的问题也存在于电池领域。电池是本世纪飞速发展和激烈竞争的领域。我国目前的各类电池产量居世界之首但技术水平却未达到国际先进。分布式蓄电会形成对电池的巨大需求，同时也为电池的研究开发提供巨大的实验现场。通过发展直流供电建筑和分布式蓄电，将营造出有利于发展电池技术的难得的环境，从而可以促进我国电池技术的大发展，使我国在这个能源领域的重要技术上领先于世界。
目前现有的直流供电及分布式蓄电的研究与应用，主要着眼于市政电网或微网级别，对建筑内部的直流供电和分布式蓄电涉及甚少。建筑内部的直流供电和分布式蓄电的理论、技术和方法，以建筑内部自然分割的空间为单位，构建面向空间的直流供电和分布式蓄电的技术体系，并对电压等级、配电网拓扑结构、蓄放电控制、标准化等技术的深入研究，亟待进行。有待研究的相关关键技术包括以下六个方面：
a．建筑内直流供电系统形式、电压等级及安全可靠性。
通过对楼内直流电力系统可能形成的电场、磁场以及电流动态变化时电力线形成的等效电容、残余电压及迷流等作用，确定直流供电的电压等级、电缆走向形式、各种可能的触电与火灾危险，以及保证供电安全可靠的措施。在理论研究的基础上，开展大量的模拟分析和实验研究，并通过优化分析，综合安全、经济、节能等各项指标，最终确定电压等级、电路形式、安全可靠要求、保护措施等，形成建筑直流供电系统设计标准与安全规范。
b．直流供电的系列低压电器设备的研究开发和标准制定。
直流供电所要求的各类开关、继电保护、计量等低压电器器件与现在的交流电器系列已经完全不同，应主要依靠电力电子技术，通过固态半导体器件完成各项电路的控制与保护功能。由此就要研究、开发全新的系列开关、保护、计量以及DC - DC电压变换等由于直流供电所出现的新需求、新器件。由于是基于固态半导体器件所发展起来的新系列产品，智能控
制、通讯等功能也就会融于新的器件产品中，从而全面提升建筑内配电与保护系统的智能化水平。在系列产品研发的基础上，制定新的连接标准、通讯标准以及产品标准，形成世界领先水平的建筑低压电器产品和智能化标准体系。
c．建筑直流供电电器产品系列。
配合建筑直流供电，就需要研究开发相应的直流供电的电器产品。包括LED照明、各类变频风机水泵、空调、冰箱、洗衣机、炊事用电器等住宅建筑用电器产品和办公类建筑所需要的中央空调相应产品、电脑等办公产品、服务器等IT产品等。尽管这些产品改为直流供电从原理上并不困难，只是在原有产品基础上的缩减，但仍需要分析研究各类产品的实际特点，协调平衡，确定统一的电压等级标准、电源接口形式、产品安全防触电方法等，从而实现全面的交流向直流的过渡。
d．用于建筑内分布式蓄电系统的蓄电池和电池管理技术。
选择合适的用于建筑内分布式蓄电的电池技术和相应的电池充放电智能管理技术，以延长电池寿命，减缓衰减，并避免电池运行不当出现的意外事故等，都需要进行研究。根据实际的使用需求与条件选择合理的电池技术和研究相应的电池管理与调控方法尤为关键。
e．建筑微电网的智能控制。
在直流供电平台上，开发建筑微电网的智能控制系统，包括用电负荷预测分析，对负荷侧的优化控制，以及对电池和外电网人口的优化控制，最终实现全天外网对建筑的均衡供电或谷期强力供电、峰期零供电，并且有效接收建筑中可再生能源发电，使建筑为电网削峰填谷作出贡献。
f． 支撑直流供电和分布式蓄电技术的政策机制。
为推动这一全新的供电与蓄能技术，还需要相应的系列政策与机制的支撑。尤其是电价计价机制。是采用峰谷电价制还是峰值负荷与累计电量分别收费的二部电价制。深入分析不同的计价机制对电力供应系统的影响和对各类用电部门的调控作用，最终提出科学、公平、可操作的用电末端定价与结算机制。
4社会效益分析
城市民用建筑用电量接近每年2万亿kWh，它所形成的峰谷差所造成的直接和间接损失在每年1000亿度电以上。建筑直流供电和分布式蓄电的全面实施，每年可以节省电力约1000亿度，中国统计年鉴的最新数据显示，我国2012年的电力消耗总量为47 962.6亿度，建筑直流供电和分布式蓄电的全面实施，每年可节省电力为我国目前年耗电总量的2.0%。
形成建筑低压电气与建筑微电网新兴产业。如果每平方米建筑的电力系统改造需直接投入100元，则50%的民用建筑即300亿平方米将形成3万亿元的巨大的内需市场。
极大地推动电池业的发展。由于这一需求对电池的重量要求不高，也容易对电池进行保养、维护和更换。因此全面实施将极大地促进电池业的创新发展，能在电池技术上全面领先，就能在未来的能源领域全面领先。
5结语
本文分析了我国城市电力负荷的峰谷差巨大的现状，认为电力负荷巨大的峰谷变化其根源产生于民用建筑，提出了建筑全直流供电和分布式蓄电的解决思路。分析了建筑全直流供电和分布式蓄电的可行性、发展需求、关键技术、和社会效益。建筑全直流供电和分布式蓄电技术的推广应用，每年可以节省电力约1 000亿度，为我国目前年耗电总量的2.0%，可以
拉动包括低压电气、建筑微电网、电池等产业的超过3万亿的巨大内需市场，并能使我国在这一革命性变化中处在低压电气、建筑微电网、电池等产业的世界牵头和领先地位。
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