2022版《民用建筑直流配电设计标准》解读.docx

民用建筑直流配电设计标准解读目录1 .序言1.民用建筑直流配电设计标准引入诸多新概念、新思想、新系统！ 22. 1.光储直柔22. 2.用电柔性32.2. 1.建筑用电柔性32.2. 2.用电设备柔性32. 3.建筑电力交互43. 4.建筑电动汽车交互44. 5.功率主动响应43.标准主要条款介绍53. 1.直流系统配置53. 2.逐时负荷计算53. 3.系统容量配置53. 4.柔性用电电器73. 5.直流系统运行控制73. 6.电压等级选择73. 7.系统拓扑选择83. 8.变换器选型93. 9.运行控制策略103. 10.直流系统保护113. 10. 1.装置中交直流两个供配电系统间的隔离113. 10.2.装置中各处保护元件的保护类型121.序言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。第1页共12页110%1()(>%90%80%70%高于 107% 目jWlOms490%105%80% 107%(不含90% 105% )低于 80%Wwl0m§50%50%图例：正常工作匚二1可适当降额运行0 图8直流配电系统设备的工作电压范围同时，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624条、625条、626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。3. 9.运行控制策略第10页共12页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，有助于降低建设本钱和维护要求。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 标准第条设定的电压带，通过系统的调试，在能量管理策略中设定 624条、625条、626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。3. 10.直流系统保护随着新能源及智能网络的迅猛开展，直流配电系统重新引起了人们的重 视，大中小各类直流配电系统开始出现在我们的生活中，由于有百余的开展的 交流配电系统已经深入到人们现代生活的每一个角落，现在出现的直流配电系 统很难不与成熟的交流供用电体系发生联系，因此在设计直流配电系统的电气 平安保护时，一定需要考虑相关系统及设备的平安关联。根据IEC60364标准的定义，我们可以把这些配电系统视为完整的，交直 流电气装置的保护设置也要从以下两个方面考虑：5. 10. 1.装置中交直流两个供配电系统间的隔离装置中交直流两个供配电系统间的隔离设计符合IEC61558-2隔离变压器 隔离要求的完全电气隔离时，即使变流器本身故障交直流配电系统间故障不会 直接传递。如隔离设计只满足电气分割，在变流器本身正常时，系统两侧的故 障可能通过耦合传递但不会直接传递，但在变流器本身绝缘故障时，交直流两 侧电源直接短路，直接影响装置全部的平安。如隔离设计没有设计满足电气分第11页共12页 割时，那么系统两侧的任意故障都可影响装置全部的平安。根据上述的分析，完 整的交直流电气装置应根据两供配电系统间的隔离形式，在交直流两侧设置必 要的保护。5.10. 2.装置中各处保护元件的保护类型在交直流电气装置中，系统两侧的故障及系统间的故障均会在两侧的系统 间才产生相互影响，这样势必影响配电系统设置的保护元件的故障检测与保护 开断，例如交直流两侧电源没有实现功能性分割的装置中直流电源侧出现了接 地故障，交流侧的剩余电流保护电器(RCD)一定会流过含有直流接地故障电流 的复合电流，如果RCD没有选用可以甄别分断直流剩余电流的B型RCD,此 接地故障有可能不能迅速有效的分断。昌晖仪表据此分析，交直流电气装置中 安装的保护电器，应充分考虑到系统中出现各类故障的电流特性，选用合适特 性的保护电器。今天的直流配电系统不可能是一个独立的仅含有直流成分的配电系统，对 电池充电，DC-DC间的电压转换中都有一定会有交流的介入和分量电流的产 生。因此在直流配电系统设计时应按交直流配电装置的整体考虑保护电器的设 置和保护电器的保护特性。第12页共12页L! (3)监控系统i-图1直流配电系委的组成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。变电所 维电保护5建筑储罐MM：口除海林收他国口惊海未涉及敏阳4IJ光伏设计6工鳖出番，线维6工鳖出番，线维7保护与防护6 4川电0稿图2民用建筑直流配电设计标准章节设置2.民用建筑直流配电设计标准引入诸多新概念、新思 想、新系统！中国建筑节能协会标准民用建筑直流配电设计标准T/CABEE 030- 2022于2022年3月1日实施，尽管这个标准是团体标准，但具有里程碑意 义，引入诸多新概念、新思想、新系统。该标准从2018年开始历经四年多时 间终于公布实施。2. 1.光储直柔光储直柔简称 PEDF,是 solar photovoltaic, energy storage, direct current第2页共12页 and flexibility的缩写，即配置建筑分布式光伏和储能，采用直流电气系统，且 末端用电设备具备调节能力的新型建筑能源系统。图3光储直柔示意图光储直柔是编制组屡次研讨、碰撞，最后由清华大学江亿院士总结、归纳 而成，具有我国自主知识产权的新系统。光储直柔配电系统有望我国建筑业实 现碳中和！2. 2.用电柔性用电柔性是光储直柔的灵魂，其概念包括建筑用电柔性和用电设备柔性。2. 2. 1.建筑用电柔性建筑用电柔性是建筑及其使用者，通过电器设备、电化学储能、储热 （冷）、建筑围护结构热惰性以及用电行为调整等手段，实现建筑用电功率随 时间变化的能力。建筑用电柔性用建筑用电柔度描述，即建筑根据诱导调节信号，自身运行 功率主动变化的幅度与不接受诱导调节信号状态下的用电功率的比值。2. 2. 2.用电设备柔性用电设备柔性是用电设备根据诱导调节信号，主动调节自身运行功率的能 力。第3页共12页用电设备柔性用用电设备柔度描述，即用电设备根据诱导调节信号，自身 运行功率主动变化的幅度与不接受诱导调节信号状态下的基准功率的比值。a.可中断负荷根据用电设备柔性特征，可分为可中断负荷、可迁移负荷、可比例调节负 荷三种类型。参与调节的只能是三级负荷，二级及以上等级的用电设备不可调 下。七一 Pio ' J k 加时间b.可迁移负荷图4用电设备柔度负荷分类2. 3.建筑电力交互建筑电力交互是建筑电力用户响应电网调峰、调频、备用等各类辅助服务 市场的调度指令，通过建筑柔性用电改变建筑电力消费模式，实现供给侧与 需求侧的动态平衡。建筑电力交互强调电力供给侧与需求侧的动态平衡！通过建筑柔性用电提 升两者间的平衡及灵活性，促进可再生能源有效消纳，提高电力系统的可承受 性和可靠性。3. 4.建筑电动汽车交互建筑电动汽车交互是根据电力系统的供给状况，在建筑配电系统控制下， 可以通过充电桩为电动汽车充电，也可以通过充电桩从电动汽车取电，实现建 筑用电与电动汽车充放电的耦合及其耦合后用电规律的优化。建筑电动汽车交互与V2G （电动汽车与电网协同技术）有相似之处，更有 根本性的不同，前者是车与建筑的电力交互，后者是车与电网交互。4. 5.功率主动响应功率主动响应简称APR,是active power response的缩写，即用电设备 根据直流母线电压的变化，对系统功率调整需求主动做出响应，通过改变其工 作状态来改变用电功率。由此可以看出，上述概念与传统的建筑电气概念完全不同，是全新的新系 统、新技术，需要大家逐渐理解，不断学习，最终通过实际工程应用逐渐完第4页共12页善、提升。3.标准主要条款介绍4.1. 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。5. 2.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423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5所示。二者关系四者关系图5电气设计能量平衡关系图目前，分布式光伏系统具备良好的经济性。但屋顶租金占总系统本钱的比 例也逐步上升，产权清晰、结构平安、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 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本钱占第5页共12页 比拟高的情况下，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异。屋顶光伏系统的 设计应以应装尽装为原那么，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，到达提高光伏发电消纳 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、配置和平安保护进行了论述。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：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；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Px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。第6页共12页5.1. 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，大局部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)o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641条、 642条和643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6所示。(a)可中断负荷(a) Interruptible load(b)可迁移负荷(b) fransferable load图6按照柔度特性的负荷分类(C)可比例调节负荷 (c) Proportional load3. 5.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当着给终端用 电电器供能的任务，也承当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。5.6. 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，但一些基本原那么已经比拟清楚：1) 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；2)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；3)三是控制电击事故可能带来的人身伤害后果。第7页共12页标准在GB/T 35727-2017中低压直流配电电压导那么的基础上，从民用 建筑用电负荷容量、配电距离、用电设备开展趋势与产业支撑，以及系统平安 性等因素综合比拟确定，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 Vo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，0.515 kW的设备宜采用DC 375 V。对于小 功率或对用电平安要求较高的场景，例如办公设备、照明、【T设备或工业控制 器供电，500 W以下的用电设备宜采用具备平安性更高的特低电压DC 48 Vo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。3. 7.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，防止多级变换造成电能损耗以及供电平安性和可 靠性损失。在此原那么的基础上，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、断路器和线缆耐压第8页共12页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7所不。单极IT+ ZL.J F I I I L图7单极和双极系统示意图3.8. 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，还承当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621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.L1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8所示。第9页共12页