商业楼宇配电系统：交流or直流，哪种系统能效更好呢？

针对这一问题，清华四川能源互联网研究院、深圳供电局有限公司、珠海格力电器股份有限公司的研究人员李海波、赵宇明、刘国伟、蒋世用、赵政嘉，在2020年第19期《电工技术学报》上撰文，基于商业楼宇交、直流配电系统典型结构，考虑楼宇负荷类型的特殊性和时序性，建立了换流设备的分段线性效率函数及线路动态功率损耗模型，以不同类型分布式电源及负载支路作为评估单元，提出了基于时序仿真的能效评估指标及其方法。最后基于深圳中美中心直流配电示范工程，设计了具备相同边界条件的交流配电系统，进行能效对比分析。

算例分析表明，商业楼宇负载类型对于交、直流配电系统能效水平具有重要影响，随着直流负荷比例与分布式电源接入容量的增加，直流配电系统的能效优势逐渐增大。

随着经济发展与城镇化进程的加速，建筑能耗尤其是商业楼宇能耗在社会总体能耗中的占比逐年增加，商业楼宇能耗高企的问题已逐渐引起社会重视。据统计，商业楼宇能耗费用约占物业管理成本的30%~40%，其中中央空调系统的能耗一般占比40%~65%。研究如何提升商业楼宇的能效水平，不仅可提高楼宇运行经济性，还可推动低碳楼宇发展，实现全社会的节能减排，具有显著的经济与社会效益。

直流配电系统以其具备高效接入分布式电源、储能与直流（或变频类）负荷的优势，近几年得到建筑电气行业的广泛关注。同时，电力电子器件技术的快速发展驱动了直流配电网的发展。商业楼宇配电系统的主要负荷类型是中央空调、电梯等动力用电，目前大多采用变频技术，属于广义直流负载，另外大多数楼宇还配置了光伏及储能等分布式电源。从定性角度考虑，采用直流配电可简化分布式电源、直流负载的并网换流设备，降低系统功率损耗，提高能效。

但是考虑到不同商业楼宇的负载类型和分布式电源配置情况均有所不同，采用直流配电带来的能效提升效果亦不完全相同。因此，亟需要建立一套针对商业楼宇交流和直流配电系统的能效评估方法，从定量角度评估直流与交流配用电系统的能效差异，为未来商业楼宇配电系统规划配置提供指导。

在交流配电网能效评估研究方面，国家标准《中低压配电网能效评估导则》于2015年2月份发布，规定了10（20）kV及以下中低压配电网能效指标计算及评估分析方法，从不同维度定义了多重指标，并给出了各类指标的计算方法。同时，相关专家学者也针对能效评估问题开展了大量研究，相继提出了基于层次分析法的配电网能效指标体系、基于能量价值的多能协同园区能效评估指标、基于层次分析法和灰色关联的变电站能效评估体系以及基于递阶综合评价法的电力用户综合能效评估模型等。

上述研究成果可为楼宇配电能效评估指标建立方面提供一定的借鉴意义，但是由于研究对象不同，还无法直接应用到楼宇能效评估中。

直流配电网的能效评估问题也逐渐引起了国内外学者的关注。国外部分科研团队利用模拟法，对多场景（民用、商业）下的直流配电系统能效水平进行多维度评估，并分析了相对于交流配电系统，直流系统的主要优势及节能效果。同时，还有部分团队采用实验法，对分布式电源接入前后的能效指标进行了定量分析。结果表明，直流配电系统不仅在能效总体水平上优于交流，且光伏组件的转换效率也得到了提升，储能装置对能效的提升也起到了积极作用。

国内团队更加侧重于从指标体系构建和评价方法层面开展研究，有团队沿用交流配电系统能效评估体系思路，基于层次分析法提出了计及电力电子变压器的交直流混合配电网能效评估指标体系。针对分布式电源接入情况，相继有团队开展了光伏-混合储能直流微电网能效评估研究、船舶微电网艏侧推进器运行能效研究等，并提出了能效管理策略。

目前在交流和直流配电系统能效评估研究方面已经取得了一定进展，但综合分析来看，仍然存在以下几方面的不足：

①评估对象方面，现有研究多侧重于中高压配电网或微电网、换流设备能效评估，对商业楼宇尤其是楼宇直流配电能效评估的研究较为缺乏，关于楼宇交流与直流配电形式能效对比方面的探索也较少；

②评估方法方面，现有研究多采用平均值方法进行评估，对于各类型分布式电源出力、负载需求的时序特性考虑不足，也未充分考虑支路实时潮流特性，无法揭示能效指标时空分布的规律。因此，提出准确、全面且客观的商业楼宇交流与直流配用电系统能效评估方法是目前亟需解决的问题。

针对上述问题，清华四川能源互联网研究院等单位的研究人员考虑商业楼宇交流与直流配电系统拓扑结构的差异性，考虑商业楼宇负荷的特殊性与时序性，通过细化低压用电设备类型及其并网换流设备的差异性，建立考虑多支路潮流分布的系统级能效计算模型，提出了计及“源-网-荷-储”在内的全环节能效评估指标和评价方法。

图1  系统能效评估算法流程

图2  算例系统拓扑结构

研究团队针对深圳中美中心低压直流配电系统示范工程，结合实际直流电器设备、分布式电源换流器能效的调研数据，开展了交流和直流配电系统的能效对比分析，主要得出了以下结论：

1）在分布式电源、直流负荷比例较高的情况下，直流配电相比交流配电在能效方面具有优势。从全年平均角度看，直流配电系统的能效水平比交流系统高出约6%；从月份分布来看，各月份直流系统能效均高于交流系统；从典型日分布来看，直流系统在负荷高峰期能效高于交流系统。

2）系统运行效率（损耗）与系统运行工况（可再生能源出力、负荷水平）具有明显的关联性。从时序上看，系统功率损耗呈现明显的周期特性；从空间分布上看，交流系统损耗主要集中在负荷侧换流器中，直流系统损耗则主要分布在主线路上。

3）商业楼宇负载类型对于交、直流配电系统能效水平具有重要影响，随着直流负荷比例的增加，直流配电系统的能效优势逐渐增大。

4）分布式资源接入容量对系统能效水平具有明显影响，且能效变化趋势呈现先增后减趋势，出现了“拐点”。直流与交流系统能效之差随着分布式电源接入容量的增加而增大。

该研究成果可用于低压交直流配电系统规划与评估、基于能效的源网荷储协调优化运行等领域。

本文编自2020年第19期《电工技术学报》，论文标题为“基于时序仿真的商业楼宇交流与直流配电系统能效对比”，作者为李海波、赵宇明等。