趙志剛，唐文強(qiáng)，張雪芬，蔣世用，袁金榮，南樹功

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東珠海 519070）

0 前言

1882年，發(fā)明家愛迪生采用直流供電系統(tǒng)，率先將華爾街的J.P摩根大樓點(diǎn)亮，為夜晚帶來了光明和溫暖，當(dāng)時(shí)是直流供電一統(tǒng)天下的年代。隨后，交流電出現(xiàn)，選擇交流還是直流，100多年前的人們對(duì)此進(jìn)行了激烈的爭(zhēng)論［1-2］。最終，于1895年采用特斯拉發(fā)明的交流電技術(shù)的電力設(shè)備，將在尼亞加拉大瀑布的世界上第一座水力發(fā)電站的電力傳輸?shù)?5公里之外，結(jié)束了這場(chǎng)著名的“電流之戰(zhàn)”，此后交流供電技術(shù)發(fā)展迅速并全面取代直流供電技術(shù)，走上歷史舞臺(tái)，各類電氣設(shè)備基本上也都使用交流電力驅(qū)動(dòng)。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流供電技術(shù)和直流電氣產(chǎn)品克服了原先的缺點(diǎn)，在某些領(lǐng)域重新取得優(yōu)勢(shì)。高壓直流輸電以其傳輸容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、可控性強(qiáng)、可靠性高等的優(yōu)勢(shì)，在世界各地得到了越來越多的應(yīng)用，特別是我國(guó)近幾年在高壓直流輸電及特高壓直流輸電領(lǐng)域研究成果斐然，在我國(guó)“西電東送”和全國(guó)聯(lián)網(wǎng)中起著主導(dǎo)作用［3-6］。低壓直流用電在家居環(huán)境的應(yīng)用也逐步得到關(guān)注，荷蘭能源研究中心（ECN）的專家在1997年，系統(tǒng)地提出在住宅中采用直流供電技術(shù)的實(shí)施方案，國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA）對(duì)此予以肯定，美國(guó)電力研究會(huì)（EPRI）也對(duì)民用建筑實(shí)施直流供電的技術(shù)也給予高度關(guān)注。隨后在歐洲和日本等地陸續(xù)進(jìn)行了相關(guān)的研究和開發(fā)工作［7-10］，在歐洲出現(xiàn)了采用直流300V供電的體育場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目，采用直流350V住宅供電試驗(yàn)項(xiàng)目。日本政府于2008年宣布提供住宅直流系統(tǒng)技術(shù)的政策咨詢，并逐漸起到了帶動(dòng)一系列驗(yàn)證性項(xiàng)目，在隨后幾年的日本電子展中展示了“直流生態(tài)住宅”技術(shù)和產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)的廣東白色家電產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟于2009年成立了直流家電技術(shù)工作組，對(duì)直流家電相關(guān)技術(shù)進(jìn)行調(diào)研、跟蹤和預(yù)研，為下一階段的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備，并在當(dāng)年10月，初步確定以48V和350V作為住宅直流供電標(biāo)準(zhǔn)電壓的基礎(chǔ)上，試制了一系列采用直流供電的家用電器樣品，包括分體式房間空調(diào)器、電冰箱、小型半導(dǎo)體冷藏箱、洗衣機(jī)、LED燈等［11-12］。

近幾年，隨著光伏新能源、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，帶動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷成熟［13-15］。新興的能源互聯(lián)網(wǎng)模式下，要求橫向上多形式能源并行實(shí)現(xiàn)“多源互補(bǔ)”，并以可再生能源為優(yōu)先；縱向上實(shí)現(xiàn)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”各環(huán)節(jié)高度協(xié)調(diào)。分布式能源與用電側(cè)設(shè)備相結(jié)合，提供一種更清潔高效的新型供能模式，同時(shí)催生一批清潔化、電替代化的新能源電器，實(shí)現(xiàn)分布式能源與用電側(cè)設(shè)備的無縫對(duì)接，直流電能的直接利用成為這種新型模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以此為基礎(chǔ)，本文分析了家用電器技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，研究了家用電器原理特點(diǎn)及直流化應(yīng)用可行性，闡述了分布式能源與電器設(shè)備逐步向直流化過度的趨勢(shì)，提出一種高低壓分區(qū)的家居安全用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及未來家居供用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，搭建了一套采用直流方式組織電源、光伏、儲(chǔ)能、直流負(fù)載及能源管理裝置構(gòu)成的家居直流供用電系統(tǒng)，論證了家庭直流安全、高效供用電系統(tǒng)應(yīng)用的可行性。

1 家用電器的演變及直流化

1.1 家用電器的演變

為了迎合消費(fèi)者對(duì)生活品質(zhì)不斷提高的需求，家電廠商不斷的推陳出新，將各種新興技術(shù)應(yīng)用于家用電器產(chǎn)品開發(fā)，促使家用電器的種類更豐富、功能更多樣、控制更精細(xì)、體積更輕便。從對(duì)電能應(yīng)用角度講，家用電器的演變過程可以概括為：“功能化——精細(xì)化——輕便化（適配化）——直流化”四個(gè)階段的發(fā)展過程。

“功能化”階段指種滿足基本功能應(yīng)用需求的階段；

“精細(xì)化”階段指電器功能多樣和控制精細(xì)的階段；

“輕便化”階段指電器結(jié)構(gòu)優(yōu)化輕便和采用電源適配，滿足交直流混合應(yīng)用的階段；

“直流化”階段指適應(yīng)各種新能源和儲(chǔ)能直接接入應(yīng)用，滿足消費(fèi)者安全、高效應(yīng)用需求的階段。

燈泡是最先發(fā)明的電器，經(jīng)歷從白熾燈到熒光燈、再到可以實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)的LED燈的發(fā)展，完美演繹了電器的“功能化——精細(xì)化——輕便化”發(fā)展過程。最初為了解決手術(shù)室環(huán)境溫度問題發(fā)明了空調(diào)，隨后從開關(guān)控制到定頻控制，再到變頻控制，發(fā)展到溫濕度獨(dú)立控制；20世紀(jì)90年代開始電飯煲普及，改變了傳統(tǒng)煮飯方式，隨著日本電飯煲熱，電飯煲從單純的煮飯模式發(fā)展為智能電飯煲，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同品種大米的精細(xì)化烹飪及不同烹飪模式，充分詮釋了電器的“功能化——精細(xì)化”發(fā)展過程。第一臺(tái)電腦誕生需要幾個(gè)房間才能裝下，發(fā)展到可以放在桌面上臺(tái)式電腦，帶適配器的直流供電的便攜式筆記本電腦，完美演繹了電器的“功能化——精細(xì)化——輕便化——直流化”發(fā)展過程。

總的來講，一種電器的發(fā)明是最初是為了解決人們?nèi)粘Ｖ械男枨?，這種滿足基本需求后，為了提高舒適性、高效性、智能化等各方面的需求，便開始“精細(xì)化——輕便化”的演繹之路。雖然這種應(yīng)用方式的更新給人們生活帶來改變，但對(duì)安全用電和新能源直接接入缺乏考量，然而直流化可以從某種意義上可以有效解決這個(gè)問題，也是電器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的內(nèi)生訴求，光伏、儲(chǔ)能的發(fā)展是直流化生態(tài)改革的兩支翅膀。

1.2 電器直流化分析

對(duì)于家用電器直流化分析，首先根據(jù)家用電器的應(yīng)用功能對(duì)其進(jìn)行分類，可以分為“電—光”、“電—熱”、“電—影”、“電—聲”、“電—?jiǎng)印钡?種類型，不同類型的電器精細(xì)化控制上都有不同程度的發(fā)展，也為電器直流化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。對(duì)于大部分類型電器設(shè)備來說，其本身已經(jīng)采用直流供電工作，為了接入現(xiàn)行交流電網(wǎng)必須帶有一個(gè)整流單元或者電源轉(zhuǎn)換單元，從圖1到圖3可以看出，若能提供直流源，電器設(shè)備則可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低成本投入，減少轉(zhuǎn)換能源損耗。

圖1 “電—?jiǎng)印彪娖髦绷骰?/p>

圖2 “電—熱”電器直流化

圖3“電—光”、電—影”、“電—聲”電器直流化

對(duì)不同類型的典型電器產(chǎn)品的電路及發(fā)展趨勢(shì)分析：“電—光”類型電器典型代表LED燈，高效的LED冷光照明技術(shù)的普及全面取代電阻絲式熱源式照明，直流LED照明技術(shù)促使直流在照明領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［16］；電磁爐、電飯煲是“電—熱”類型電器的典型代表，渦流加熱設(shè)備滿足消費(fèi)者多樣的精細(xì)化的烹飪需求［17］，同時(shí)也推動(dòng)直流“電—熱”應(yīng)用；直流化的液晶顯示技術(shù)全面應(yīng)用，直流在“電—影”的顯示技術(shù)上成為主導(dǎo)；音響設(shè)備數(shù)字化的普及，直流化應(yīng)用在“電—聲”上成為主流趨勢(shì)；高效節(jié)能的需求推動(dòng)直流電機(jī)和變頻設(shè)備廣泛應(yīng)用，促進(jìn)“電—?jiǎng)印痹谥绷骰较蚩焖侔l(fā)展［18］；光伏、儲(chǔ)能等本體直流化的電源廣泛應(yīng)用［19］，快速推動(dòng)“電—源”直流化進(jìn)程。

雖然從大趨勢(shì)講，大部分類型電器主控制回路已經(jīng)或已經(jīng)具備直流化，但將原有交流電器改造為直流供電還需要考慮電器內(nèi)部保護(hù)、采樣、控制、通信等外圍電路和關(guān)鍵器件適應(yīng)性等多種因素。

1.3 典型電器直流化實(shí)施

通常來講，交流家用電器要改造為直流供電需要考慮以下三個(gè)方面：首先，確認(rèn)電器的工作主回路能否對(duì)直流兼容，大部分電器通過整流電路供電，可以直接接入直流，部分帶有工頻變壓器的電器則不能直接接入直流；其次，確認(rèn)弱電供電回路能否對(duì)直流兼容，智能化控制以后，弱電供電回路對(duì)直流兼容性較好，弱電供電大部分從整流橋直流側(cè)取電，支持直接接入直流；再次，確認(rèn)采樣、保護(hù)、通信等外圍電路能否對(duì)直流兼容，此處是整個(gè)電器改造里面最復(fù)雜的，原有交流系統(tǒng)的過零檢測(cè)、相位檢測(cè)等等典型的交流檢測(cè)電路無法兼容直流。通過以上三方面分析測(cè)試即可確認(rèn)電器直流化改造可行性及相應(yīng)改造方案。

本文以典型的“電—熱”型負(fù)荷電飯煲為例，進(jìn)行直流化改造和分析，電飯煲工作原理如圖4所示。

圖4 電飯煲原理圖

根據(jù)國(guó)家對(duì)電飯煲工作電壓要求，工作電壓范圍為AC160V-270V，在不改變保護(hù)條件下，理論上可工作直流電壓范圍為DC220-380V。實(shí)際上直接接入以上范圍直流電電飯煲無法正常工作，經(jīng)過分析主要有以下幾點(diǎn)原因：

1）電壓保護(hù)失效，報(bào)過壓保護(hù)故障，電壓采樣電路如圖5所示，在AC220V供電時(shí)，檢測(cè)電路輸出電壓約3V；當(dāng)直流輸入電壓超過DC260V時(shí)，電壓保護(hù)故障啟動(dòng)，需要校核調(diào)整檢測(cè)電路分壓電阻。

圖5 電壓采樣電路

2）電流采樣失效，功率無法反饋，控制失效。電流采樣電路如圖6所示，檢測(cè)交流側(cè)電流通過互感器采樣檢測(cè)交流側(cè)電流，對(duì)于直流接入無法采集輸出電流值，需要采用分壓電阻采樣方式。

圖6 電流采樣電路

3）通過技術(shù)對(duì)外圍電路故障進(jìn)行屏蔽處理，采用固定占空比脈寬控制，雖然實(shí)現(xiàn)直流供電下電飯煲加熱，但電器的設(shè)置功能全部失效，同時(shí)發(fā)現(xiàn)不同電壓等級(jí)下輸出功率發(fā)生變化。從理論上講，對(duì)于輸入電壓改變對(duì)負(fù)載輸出功率有一定影響，負(fù)載輸出功率可以通過P=U2/R計(jì)算，當(dāng)電壓由AC220V變?yōu)镈C310V，輸出功率將提升到原來的2倍。

對(duì)電飯煲在不同電壓下工作功率輸出進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖7所示，對(duì)于電飯煲直流化改造，當(dāng)采用不同直流電壓輸入時(shí)，輸出功率會(huì)隨之變化，故設(shè)計(jì)直流供電電飯煲需要根據(jù)選定的電壓等級(jí)對(duì)功率輸出控制邏輯重新校核。

圖7 電飯煲不同電壓的功率輸出

基于以上分析，對(duì)于電飯煲直流化改造基本上要對(duì)電控部分進(jìn)行重新的方案設(shè)計(jì)，并且具備可實(shí)施性。而對(duì)于空氣凈化器、LED燈、電視機(jī)等采用開關(guān)電源供電的家用電器，電器末端已經(jīng)基本完成直流化，對(duì)于直流兼容性好，采用DC200-350V供電均可正常工作；對(duì)于直流電風(fēng)扇、筆記本電腦掃地機(jī)器人等帶適配器的電器，直接去掉適配器直流供電，但低壓直流側(cè)電壓制式各異；而對(duì)于空調(diào)等變頻化電器，考慮到對(duì)電網(wǎng)友好性，通常前級(jí)具備PFC功能，直流母線電壓為DC380V-430V。

電器直流化過程中直流電壓等級(jí)選擇與標(biāo)準(zhǔn)制定，需要充分考慮電器本身器件特性，保證直流供電使設(shè)備運(yùn)行可靠性和能效得到提高，這樣才具有更好的推廣意義。另外，直流電器標(biāo)準(zhǔn)化接入系統(tǒng)還需要考慮兩個(gè)重要問題，第一、配置標(biāo)準(zhǔn)化直流接口，滿足熱插拔功能；第二、直流系統(tǒng)本身呈現(xiàn)容性，大部分電器也呈現(xiàn)容性，直接接入系統(tǒng)會(huì)存在瞬時(shí)沖擊問題，直流電器接入系統(tǒng)需要考慮軟啟動(dòng)功能。

通過上述對(duì)電器發(fā)展及電器直流化可行性分析，以及未來直流用電場(chǎng)景不斷豐富，可以看出直流電器將是未來電器發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于電器直流化技術(shù)上不存在大的瓶頸，現(xiàn)行直流電壓等級(jí)、標(biāo)準(zhǔn)化直流接口及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等缺失才是制約直流電器發(fā)展的重要因素。

2 家居直流系統(tǒng)思考與設(shè)計(jì)

2.1 直流用電安全性

對(duì)于家居用電環(huán)境來說，用電安全始終是最關(guān)注的問題，安全電壓是評(píng)價(jià)電對(duì)人體安全的重要標(biāo)準(zhǔn)。安全電壓是指不致使人直接致死或致殘的電壓。安全電壓主要取決于人體電流和人體電阻，通過人體的電流量的大小起決定作用，它與加在人體上的電壓和人體電阻有關(guān)，而人體電阻又較大程度地受環(huán)境、溫度和濕度的影響［20-22］。

對(duì)人體安全電壓標(biāo)準(zhǔn)體系溯源，對(duì)人體安全電壓標(biāo)準(zhǔn)的最早是1994年頒布的IEC/TS 60479和2007年頒布的IEC/TS 61201，給出了直流電、交流電作用于人體時(shí)產(chǎn)生的電擊效應(yīng)曲線［21］，如圖8所示（圖中各曲線直流用于電流通路為“縱向向上”，以下簡(jiǎn)稱參考通路；交流用于電流通路為“從左手到雙腳”）。圖中區(qū)域III與區(qū)域IV的分界線為室顫曲線，即通過人體能引起心室纖維性顫動(dòng)（電擊事故中最主要的致命原因）的最小電流值，很明顯的產(chǎn)生相同生理效應(yīng)需要的直流電流比交流電流大。從室顫曲線的最小值可看出，直流電的室顫閾值約為120mA，交流電的室顫閾值約為40mA，交流電更容易引發(fā)心室纖維性顫動(dòng)，而直流電更具安全性。

圖8 不同電流形式的時(shí)間/電流效應(yīng)

表1 各區(qū)域的生理效應(yīng)

images/BZ_9_394_425_501_460.pngimages/BZ_9_1346_425_1493_460.pngimages/BZ_9_429_506_464_531.pngimages/BZ_9_653_500_2164_536.pngimages/BZ_9_429_603_464_628.pngimages/BZ_9_726_567_2185_604.pngimages/BZ_9_654_620_1039_655.png

表2 交流電與直流電效應(yīng)對(duì)比

通過IEC/TS 60479-1標(biāo)準(zhǔn)中電流對(duì)于人體效應(yīng)的對(duì)比分析，如表2所示，對(duì)在電流對(duì)人體的作用的安全特性上直流具有優(yōu)勢(shì)，利用這一優(yōu)勢(shì)提高電能應(yīng)用保護(hù)的安全性。電特性決定其安全特性，電特性對(duì)應(yīng)的安全是相對(duì)的，可靠的保護(hù)措施是解決安全問題的關(guān)鍵，相對(duì)于交流，直流電對(duì)人體特性具有更高的閥值，更保護(hù)閥值有利于制定更高可靠的安全保護(hù)措施。

2.2 多電壓等級(jí)的安全家居直流用電

對(duì)家用電器應(yīng)用場(chǎng)景、功率等級(jí)及區(qū)域分布進(jìn)行分析研究，在臥室區(qū)、客廳區(qū)、書房區(qū)和餐廳區(qū)等區(qū)域家用電器主要以500W以下的小功率電器為主；在衛(wèi)浴區(qū)和廚房區(qū)等區(qū)域家用電器主要以500W以上的大功率電器為主，特別的大功率空調(diào)布置在臥室屋頂區(qū)域，日?；顒?dòng)人接觸很少。對(duì)于家居環(huán)境中電器功率分布圖劃分，如圖9所示，可以家居環(huán)境中電器功率和分布呈現(xiàn)明顯的區(qū)域劃分。

圖9 家居電器功率區(qū)域分布圖

根據(jù)家用電器功率分布和電器直流化發(fā)展趨勢(shì)對(duì)直流電器進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，優(yōu)化電器功率和電壓匹配，并提出一種高低壓分區(qū)的家居安全用電設(shè)計(jì)理念。對(duì)直流家居環(huán)境分為兩個(gè)區(qū)域：低壓安全區(qū)和高壓動(dòng)力區(qū)，低壓安全區(qū)為上述人頻繁活動(dòng)的臥室區(qū)、客廳區(qū)、書房區(qū)和餐廳區(qū)等區(qū)域，采用本質(zhì)安全的直流安全特低電壓供電，提高家居用電安全性，優(yōu)化電器功率和電壓匹配，提供用電效率；高壓安全區(qū)為上述功能區(qū)域的屋頂區(qū)域、衛(wèi)浴區(qū)和廚房區(qū)等區(qū)域，日?；顒?dòng)人接觸少或者特定功能環(huán)境使用群體接觸，采用直流動(dòng)力母線供電，滿足大功率用電需求，技術(shù)上重點(diǎn)加強(qiáng)安全保護(hù)設(shè)計(jì)，以提高家居用電安全性、高效性。

通過上述對(duì)直流電安全特性的優(yōu)勢(shì)分析，以及通過直流化對(duì)家用電器及家居用電環(huán)境進(jìn)行重構(gòu)，提出一種本質(zhì)安全的家居供用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的構(gòu)想。

3 本質(zhì)安全的家居直流系統(tǒng)

3.1 光伏空調(diào)及家居直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2013年格力電器推出光伏直驅(qū)變頻空調(diào)，作為電器直流化應(yīng)用的先驅(qū)，打破民用電器完全依賴交流市電局面，實(shí)現(xiàn)新能源與家用電器的無縫結(jié)合，把新能源引入民用消費(fèi)領(lǐng)域［23］。光伏直驅(qū)變頻空調(diào)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示，光伏所發(fā)直流電直接接入光伏直驅(qū)變頻空調(diào)的直流母線，交流接口與市電網(wǎng)連接，光伏直驅(qū)變頻空調(diào)具有5種工作模式實(shí)時(shí)切換，保證機(jī)組優(yōu)先使用光伏直流電，當(dāng)光伏發(fā)電輸出波動(dòng)或者壓縮機(jī)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，機(jī)組通過實(shí)時(shí)模式切換，市電實(shí)時(shí)的吸納光伏發(fā)電或者補(bǔ)充負(fù)荷耗電，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖10 光伏直驅(qū)變頻空調(diào)結(jié)構(gòu)圖

此系統(tǒng)中光伏發(fā)直流電優(yōu)先地直接給壓縮機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)電器設(shè)備對(duì)新能源直流電的直接應(yīng)用，開創(chuàng)電器直流化應(yīng)用先河。光伏空調(diào)通過開放變頻模塊的直流母線，兼容直流接入，為構(gòu)建基于光伏空調(diào)為能源中心的家居直流供用電系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

為了滿足分布式新能源更高效就近利用，光伏空調(diào)開放的直流母線作為能量交換媒介，兼容光伏發(fā)電和儲(chǔ)能接入，并給直接給直流負(fù)荷供電，減少能量的中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，從而構(gòu)建基于光伏空調(diào)為能源中心的家居直流供用電系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖11所示。

圖11 以光伏空調(diào)為中心的家居直流供用電系統(tǒng)

考慮到接入系統(tǒng)的光伏發(fā)電、儲(chǔ)能電池和直流負(fù)載等特性差異，各個(gè)部分通過變流器實(shí)現(xiàn)接入直流母線，實(shí)現(xiàn)母線電壓匹配和自適應(yīng)控制。為保證系統(tǒng)長(zhǎng)期高效穩(wěn)定運(yùn)行及新能源高效應(yīng)用，通過能源管理系統(tǒng)（IEMS）對(duì)各板塊進(jìn)行系統(tǒng)能源調(diào)度控制，各部部分實(shí)時(shí)響應(yīng)控制系統(tǒng)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)21種運(yùn)行模式實(shí)時(shí)切換，滿足以光伏直驅(qū)變頻空調(diào)為能源中心的家居直流供用電系統(tǒng)整體調(diào)度優(yōu)化運(yùn)行。

圖12 IEMS架構(gòu)

3.2 家居直流供用電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

格力光伏未來屋項(xiàng)目是格力電器及國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室新能源部專設(shè)的科研項(xiàng)目，開展家居直流化技術(shù)研究。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用移動(dòng)集裝箱模擬家居生活環(huán)境，按時(shí)上述分區(qū)理念進(jìn)行家居環(huán)境進(jìn)行安全分區(qū)設(shè)計(jì)，實(shí)施高低壓分區(qū)獨(dú)立布線和區(qū)域供電方式，搭建以光伏直驅(qū)變頻空調(diào)為能源中心的家居直流供用電系統(tǒng)，率先實(shí)現(xiàn)的高低分區(qū)的本質(zhì)安全的家居直流用電應(yīng)用示范。

家居直流供用電系統(tǒng)示范光伏未來屋分三期建設(shè)，現(xiàn)已完成前兩期建設(shè)。I期由3個(gè)集裝箱展現(xiàn)光儲(chǔ)用的直流家居場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)百千瓦級(jí)三維度系統(tǒng)；II期由6個(gè)集裝箱展現(xiàn)辦公、光伏墻、光儲(chǔ)車庫(kù)組成的社區(qū)場(chǎng)景，開展直流化響應(yīng)調(diào)度、NQI直流計(jì)量、直流系統(tǒng)接地方式、直流故障隔離和保護(hù)等技術(shù)研究工作。

家居直流供用電系統(tǒng)示范光伏未來屋I期采用室內(nèi)低壓DC24V和動(dòng)力DC200V供電，展現(xiàn)家居供用電環(huán)境，如圖13所示，吧臺(tái)、臥室區(qū)域全部采用低壓DC24V供電，布置風(fēng)扇、加濕器、空氣凈化器、多媒體中心等直流電器；廚房區(qū)域采用動(dòng)力DC200V供電，布置電飯煲、電磁爐等直流電器，詳細(xì)設(shè)備配置清單如表3所示。

表3 光伏未來屋I期配置

圖13 家居直流用電場(chǎng)景

經(jīng)過運(yùn)行數(shù)據(jù)分析和技術(shù)調(diào)研論證，DC24V在供電能力方面存在不足，DC200V對(duì)于大功率電器瞬時(shí)輸出能力受限，綜合安全、系統(tǒng)效率、器件、電器功能等各種因素，提出直流電壓等級(jí)與電器設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，采用直流DC48V和DC400V電壓等級(jí)，并提出“低壓追求安全，高壓追求效率”設(shè)計(jì)思想。家居直流供用電系統(tǒng)光伏未來屋II期采用優(yōu)選的室內(nèi)低壓DC48V和動(dòng)力DC400V供電，優(yōu)化系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖14所示，同時(shí)配置DC48V和DC400V直流電器，詳細(xì)設(shè)備配置清單如表4所示。

圖14 家居直流系統(tǒng)光伏未來屋II期系統(tǒng)架構(gòu)

表4 光伏未來屋II期配置

圖15 家居直流系統(tǒng)光伏未來屋II期

目前采用家居直流供用電系統(tǒng)光伏未來屋II期方案的全直流家居系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于國(guó)家級(jí)示范新區(qū)雄安新區(qū)示范項(xiàng)目和西藏軍區(qū)光伏集裝箱營(yíng)房。

4 總結(jié)與展望

以新能源安全、可靠、高效應(yīng)用為目標(biāo)的直流系統(tǒng)應(yīng)用具備可行性，構(gòu)建光伏等清潔能源替代和電及直流電替代、更加安全可靠和高品質(zhì)的能源供給、能自給自足的分布式能源體系，是逐漸被定義和賦能的能源互聯(lián)網(wǎng)所追求的目標(biāo)之一，直流化供需聯(lián)動(dòng)工程實(shí)踐的研究將對(duì)交直流百年技術(shù)變革、發(fā)用電行業(yè)融合帶來更多的創(chuàng)新機(jī)會(huì)，如直流電計(jì)量評(píng)價(jià)等效、直流變換器規(guī)?；⒙?lián)運(yùn)行、紋波突變及基于直流的載波通訊等新科學(xué)和技術(shù)問題，將促進(jìn)對(duì)電本質(zhì)特征的探索和直流化配電技術(shù)發(fā)展，為電器設(shè)備產(chǎn)業(yè)升級(jí)和能源環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造契機(jī)，重構(gòu)一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)和能源生態(tài)體系。

日常工作生活所需的功能設(shè)備化升級(jí)以及配電網(wǎng)直流化方能較好推廣，即重構(gòu)直流化生態(tài)遭遇協(xié)同齊步走的問題，要求同步開發(fā)統(tǒng)一軟硬件接口的家用電器設(shè)備，另民用設(shè)備功率種類多、使用頻度、場(chǎng)景多樣，基于需求側(cè)行為特性重定位的電器設(shè)備如光儲(chǔ)空調(diào)等正處于重定位和發(fā)展中，無可循標(biāo)準(zhǔn)。

需突破原交流配電體系與標(biāo)準(zhǔn)，要求詳盡分析原發(fā)用電及安全標(biāo)準(zhǔn)和建筑規(guī)范等，借鑒但批判建立新直流化的設(shè)備研發(fā)、檢驗(yàn)和工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。家居直流供用電系統(tǒng)研究和應(yīng)用對(duì)孵化引領(lǐng)光伏等清潔能源消費(fèi)習(xí)慣和高效用能模式，宣貫綠色環(huán)保理念和引導(dǎo)簡(jiǎn)約的消費(fèi)方式，節(jié)約資源和能源，打造綠色環(huán)保家居具有重要意義，亦是實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保事業(yè)、創(chuàng)領(lǐng)電器設(shè)備產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要組成部分。

電器及家居供用電的直流化是產(chǎn)業(yè)和消費(fèi)升級(jí)的內(nèi)生述求，而光伏和儲(chǔ)能的發(fā)展是直流生態(tài)繁榮的兩支翅膀，需要各產(chǎn)業(yè)攜手，共同建設(shè)一個(gè)更加清潔、安全、可靠、舒適、高效的人居生活工作環(huán)境。