建筑物內(nèi)的主配電因電壓等級和規(guī)格而異，這些因素取決于應用需求、安全性和歷史等因素。對于交流配電，標稱電壓和頻率至關重要，全球標準會影響不同的電壓等級。

簡 介

我們習慣于從墻上插座輸出的交流電(AC)，但情況并非總是如此。在電氣化早期，直流電(DC)也得到了廣泛應用。愛迪生和特斯拉之間交流電與直流電的競爭歷史由來已久，特斯拉的交流電系統(tǒng)最終成為全球公認的標準。當今瞬息萬變的工業(yè)格局要求電源系統(tǒng)具有更高的靈活性和效率，而直流電正強勢回歸——尤其是在許多可再生能源技術（例如太陽能電池板和家用電池系統(tǒng)）本身就依賴直流電的情況下。

建筑配電中的交流電與直流電

說到建筑中的主配電，你會發(fā)現(xiàn)各種電壓等級、規(guī)格、外形尺寸和公差。確定交流電或直流電配電要求的邏輯通常基于應用需求、安全性、經(jīng)濟性、歷史背景，以及理想情況下的實際考慮。即使我們只關注交流電配電，也存在由各種全球標準定義的眾多電壓等級和范圍。定義電壓母線的最基本特性是其標稱電壓和頻率（而最大額定電流則與導體、基礎設施和相關組件的尺寸更相關）。圖1總結了全球交流電源的簡要概覽。

提供穩(wěn)定且調(diào)節(jié)良好的柵極電壓（獨立于主電源）是隔離式DC/DC轉換器的另一個優(yōu)勢。在典型的柵極驅動電路中，主電源使用線性穩(wěn)壓器或自舉電路產(chǎn)生柵極電壓。線性穩(wěn)壓器雖然實現(xiàn)簡單，但通常效率低且功耗高，尤其是在輸入和輸出電壓差較大的情況下。這種過大的功耗可能導致熱管理挑戰(zhàn)，可能需要額外的散熱器或主動冷卻。

相比之下，自舉電路使用電荷泵機制以半橋配置為高端晶體管提供柵極電壓。在這種配置中，選擇合適的自舉電容大小至關重要，以確保在整個導通時間內(nèi)有足夠的電荷來驅動晶體管柵極。占空比和開關頻率直接影響性能，如果沒有得到適當考慮，可能會導致電壓下降或不穩(wěn)定。

仔細研究全球電壓標準，可以發(fā)現(xiàn)其電壓范圍一般為100–240VAC，頻率為50Hz或60Hz。這可能意味著，支持整個電壓和頻率范圍的單個電源應該具有普遍兼容性——但事實并非如此。請參見圖2中經(jīng)認證且全球發(fā)貨的電源安全標簽示例。

支持盡可能廣泛的電壓范圍看似理所當然，但正如生活中的任何事物（尤其是電源）一樣，在針對特定應用或用例優(yōu)化解決方案時，需要考慮各種權衡。設計還必須考慮容差，以應對非理想工作條件。就電壓而言，這包括針對過壓情況的保護（通常用于保護人身安全和設備）、欠壓情況（用于最大限度地延長正常運行時間并保護設備）以及平衡多相系統(tǒng)中的相電流。就線路頻率而言，需要考慮電能質量和電網(wǎng)穩(wěn)定性。

實現(xiàn)這些保護措施的具體機制和方法超出了本文的討論范圍，但在RECOM AC/DC知識手冊：用戶實用技巧中進行了詳細介紹，該手冊可免費獲取。通過應用 ±10%的通用公差值，我們可以定義90–264VAC和47–63Hz的廣泛工作范圍——這在電源安全標簽上很常見。此示例展示了如何將不同的國際標準整合到更普遍支持的范圍中，盡管它并未探討各個區(qū)域電源規(guī)范背后的動機。軍事和工業(yè)環(huán)境也存在其他支持范圍，例如飛機和艦船電力系統(tǒng)中使用的400Hz標準。在三相交流配置中，可以通過相位角分隔多個單電壓源，以最大限度地提高功率輸出，同時最大限度地降低電流負載。

最終，大多數(shù)終端系統(tǒng)和負載都將使用直流電（交流電機是明顯的例外），因此直流電壓電源的標準甚至比交流電標準更多，盡管通常不適用于設施或樓宇規(guī)模的配電系統(tǒng)。高壓定義為>1,000/1,500V（分別為交流/直流），但出于安全考慮（人體接觸），幾乎任何≥60VDC的電壓都被視為高壓，也稱為安全特低電壓(SELV)。

雖然對于通常所說的高壓數(shù)據(jù)中心（HVDC，不要與高壓直流混淆），沒有單一的標準（實際上，全球存在許多標準），但許多標準定義了300-400VDC范圍內(nèi)的配電架構。其邏輯是：如果服務器/網(wǎng)絡硬件和支持基礎設施都設計為支持帶有功率因數(shù)校正（PFC）AC/DC電源的通用交流輸入，那么相同的設備就可以接受來自整流交流波形的直流電壓——這證明了消除轉換階段的合理性（以及消除轉換階段所帶來的所有好處）。

24VDC配電在工業(yè)環(huán)境中很常見，其中包含小型繼電器、斷路器、電機以及針對標準機械尺寸（例如DIN導軌標準）優(yōu)化的系統(tǒng)。其他常見的直流配電包括通用串行總線(USB，5-20VDC)和以太網(wǎng)供電(PoE，44-57VDC)，它們也將電源與數(shù)據(jù)導體結合在混合電纜中。設施主配電電壓的選擇受多種因素影響，這些因素與資本支出和運營支出（分別為CAPEX/OPEX）的決策相關，而不僅僅是需要接入的設備。安全性幾乎始終是確定配電架構的關鍵因素，必須根據(jù)操作員暴露、導體間間距以及操作環(huán)境限制等最壞情況進行考慮。

整合電壓配電總線架構具有多種優(yōu)勢，包括簡化設備采購(CAPEX)和更高效地利用設備和機器(OPEX)。從上游電源（例如公用電網(wǎng)、儲能等）到終端負載（例如系統(tǒng)、ASIC、電機等）的轉換階段越少，簡化基礎設施和利用規(guī)模經(jīng)濟的潛力就越大。通用性還可以幫助緩解凈負載動態(tài)變化，通過降低不可預測性來提高能效，并為智能電源管理(IPM)技術開辟更多機會。

通用主電源或配電架構的優(yōu)勢遠不止本文所能全面闡述的，但還有一些其他方面值得關注。能夠保持更可預測的維護計劃并管理更少的零件數(shù)量，可以帶來顯著的短期和長期成本節(jié)約。減少需要更換或管理的零件數(shù)量具有諸多明顯優(yōu)勢，從節(jié)省用戶在消費點的工作量到降低替換零件的管理費用和運輸成本。

隨著我們向未來的智能樓宇和工廠轉型，通過通用的外形尺寸實現(xiàn)可配置性和靈活性對于成功至關重要。從質量角度來看，系統(tǒng)（尤其是組件和電機）在更受約束、更可預測的環(huán)境條件和維護周期下運行時，其使用壽命會更長。這些一階優(yōu)勢會級聯(lián)成一系列二階優(yōu)勢，具體取決于對系統(tǒng)分析的深度。例如，通用配電架構可以減少對昂貴的備用電源或儲能解決方案的需求，這些解決方案原本會充當中間電壓的緩沖器。即使輸入到輸出功率轉換效率的小幅提升（僅僅幾個百分點），也能帶來可觀的資本支出節(jié)省，其益處將從負載點一直延伸到發(fā)電廠。

分布式能源資源 (DER) 改變格局

分布式能源(DER)的概念并非新鮮事物，但它正被現(xiàn)代社會所采用，以支持向更可持續(xù)的世界轉型。其核心理念是構建許多規(guī)模較小、模塊化的公用事業(yè)解決方案模塊（例如電源、配電、轉換、存儲等），這些模塊在本地進行控制和使用——統(tǒng)稱為微電網(wǎng)。

由DER組成的微電網(wǎng)通常具有完全獨立運行（“獨立”或“孤島”模式）的能力，同時也能夠在并網(wǎng)情況下運行。

將過去的電網(wǎng)升級為具有智能電源管理的未來智能電網(wǎng)所需的許多技術已經(jīng)存在多年。然而，即使在世界上許多最發(fā)達的國家，推動公用事業(yè)規(guī)模基礎設施多代升級所需的宏觀經(jīng)濟勢頭仍然難以捉摸。例如，光伏(PV)太陽能電池板已投入商業(yè)化應用近50年，但用于處理雙向電力流動的電網(wǎng)基礎設施仍然是一個相對較新的概念。遺憾的是，先進儲能技術的投資往往落后于負載側的投資，而負載側的系統(tǒng)發(fā)展速度更快，成本效益也更高。

儲能技術在多種應用場景中的應用——既可用于關鍵能源備份，也可用于間歇性能源（如風能或太陽能）的經(jīng)濟性優(yōu)化——正在引發(fā)人們對升級現(xiàn)有基礎設施和構建面向未來的設施的新思考。分布式能源(DER)的模塊化特性使得儲能需求能夠根據(jù)特定應用進行合理調(diào)整，并與大容量儲能需求分離。這一原則應應用于儲能部署的各個方面。

例如，儲能技術可以發(fā)揮純粹的經(jīng)濟作用，在發(fā)電量高、實時能源成本低的時期捕獲多余的可再生能源，然后在價格上漲時釋放這些能源。除了關鍵能源備份等傳統(tǒng)作用外，新興應用還包括“調(diào)峰”，即本地儲能技術處理不頻繁的能源峰值。這種方法使得基礎設施（例如“虛擬發(fā)電廠”）的設計更接近最大穩(wěn)態(tài)而非絕對峰值，從而顯著節(jié)省資本支出(CAPEX)和運營支出(OPEX)。

分布式能源(DER)有可能徹底顛覆我們目前所知的電力公用事業(yè)的經(jīng)濟性。傳統(tǒng)上，電網(wǎng)全天用電時間關系遵循所謂的“鴨子曲線”，該曲線因需求峰值在早晚呈現(xiàn)雙峰分布而得名，形狀類似于鴨背。電力經(jīng)濟學基于這些時段的峰值需求，而兩者之間的需求較低。但是，當所有設備都變得“智能”并能夠在這些午間低谷期優(yōu)化其用電情況時，會發(fā)生什么？從控制系統(tǒng)的角度來看，這引入了一個悖論。曾經(jīng)可預測的鴨子曲線可能會反轉——如果足夠多的智能負載共同將用電延遲到低谷期，它們的總需求可能會完全翻轉曲線。這對動態(tài)能源市場有何影響？在動態(tài)能源市場中，電價每小時可能會根據(jù)需求波動多次。