В то время как электродвигатели для систем вентиляции и кондиционирования уже давно используют питание постоянного тока, мощные ИТ-системы, системы светодиодного освещения, фотоэлектрические системы с батареями и зарядными системами для электромобилей теперь все чаще используются в современных зданиях. Для всех таких систем требуется питание от постоянного тока. Поэтому очевидным шагом является оснащение современных зданий сетями на основе постоянного тока. В настоящей статье Карстен Меллерс (Carsten Moellers) из компании Abalight обсуждает ряд актуальных вопросов и приводит возможные решения.
Рисунок 1: Пример микросети постоянного тока для коммерческого здания
В последние годы условия производства энергии и ее использования в современных зданиях претерпевают значительные изменения.
Такое развитие обусловлено все большей децентрализацией производства и хранения энергии. Фотоэлектрические системы и батареи, системы хранения, а также топливные элементы, играют важную роль в данных процессах, и все они связаны с выработкой постоянного тока. Значение приборов постоянного тока постоянно возрастает для потребителей. В то время как электродвигатели для систем вентиляции и кондиционирования воздуха уже давно используют постоянный ток, применение мощных ИТ-систем, систем светодиодного освещения и, наконец, не в последнюю очередь, систем зарядки для электромобилей постоянно растет сегодня. При этом для всех таких систем наилучшим образом подходит питание на основе постоянного тока.
Поэтому очевидным шагом является оснащение современных зданий сетями постоянного тока и сокращение потерь энергии при переходе от постоянного тока к переменному, или наоборот. В последние годы были проведены различные исследования [1], полевые испытания, и успешно реализованы проекты в Европе, Северной Америке, Японии и Китае. Снижение потерь в процессе преобразования и реактивной мощности, а также более эффективная передача, обеспечили экономию энергии на 5-10% [2] и даже до 30% в зависимости от области применения. Кроме того, сети постоянного тока способствуют улучшению качества самой сети (обратный ток, связанный с гармониками) и обеспечивают действительно бесперебойную работу при переключении на ИБП-системы.
Однако в ходе осуществления таких проектов возник ряд нерешенных вопросов, в частности в отношении концепций безопасности и защиты, не в последнюю очередь по той причине, что за последние 100 лет был накоплен эмпирический опыт в области использования сетей переменного тока в зданиях, но в меньшей степени в области использования сетей постоянного тока. Немецкая комиссия по электрическим, электронным и информационным технологиям (DKE) совместно с Немецкой электротехнической ассоциацией (VDE) и экспертами изучила данные вопросы и обобщила соответствующие рекомендации по действиям и случаям использования для различных областей применения в Немецкой дорожной карте по стандартизации для низковольтных сетей постоянного тока [3].
Интеллектуальные микросети
При самостоятельном использовании возобновляемых источников энергии существует особая необходимость улучшения координации производства энергии и использования потребителей с возможностью изменения времени и интенсивности (Управление потреблением). Это достигается с помощью так называемых интеллектуальных микросетей, в которых система центрального или децентрализованного управления берет на себя контроль нагрузки и хранения на основе ИТ-коммуникаций. Такая инфраструктура может также использоваться повсеместно для интеллектуальных зданий. Интеллектуальное здание, оснащенное датчиками и приводами, может реагировать на изменения условий окружающей среды и адаптироваться к нуждам потребителя.
Пользователи все чаще прибывают в здание с помощью электромобилей. Аккумуляторы в таких автомобилях также изначально заряжаются от постоянного тока. Распространение использования электромобилей будет в значительной степени зависеть от зарядной инфраструктуры и времени зарядки. Сегодня современные зарядные системы, такие как CCS (IEC 62196-3), CHAdeMo или Supercharger, обеспечивают быструю зарядку от постоянного тока (так называемый Режим зарядки 4). Соответствующие стандарты Международной электротехнической комиссии (МЭК) предусматривают подачу тока в обоих направлениях и соответствующую двунаправленную связь, что позволяет батареям в подключенных транспортных средствах компенсировать будущие колебания нагрузки (в случае комбинированной системы зарядки такая расширенная связь является обязательной в соответствии с требованиями стандарта ISO 15118).
Что именно будет собой представлять такая сеть постоянного тока (микросеть), например, для коммерческих зданий? (Рисунок 1) Вместо оснащения многих устройств индивидуальными выпрямителями, как это происходит сегодня, сеть переменного тока подключается через центральный выпрямитель с сетевым фильтром. Фотовольтаическая система, система хранения батарей и система быстрой зарядки для электромобилей также будут подключены к сети постоянного тока. Для этой цели могут быть использованы различные топологии. Управление может осуществляться через диспетчер сети постоянного тока.
Установленные стандарты напряжения
Поскольку центры обработки данных являются крупными потребителями постоянного тока и предъявляют наиболее высокие требования к стабильности сети, они играют ведущую роль в разработке стандартов (см. также EMerge Alliance). Впервые диапазон напряжения от 260 до 400 В постоянного тока для высоких диапазонов мощности был определен в стандарте ETSI EN 300 132 3-2. Органы по стандартизации совместно с правительствами стран Европы, Северной Америки, Японии и Китая окончательно приняли стандарт напряжения 380 В в качестве опорного напряжения для распределительной сети в коммерческих зданиях. Напряжение 380 В постоянного тока позволяет использовать малые поперечные сечения для линейных проводников и подходит для соединения регенеративных источников энергии, систем хранения и заряда для электромобилей. Данный стандарт помогает отрасли разрабатывать широкий спектр компонентов для экосистемы с напряжением 380 В постоянного тока.
Различные нагрузки можно подключить непосредственно к распределительной сети с напряжением 380 В постоянного тока или через понижающий преобразователь постоянного тока (см. Также IEC 61204-6) с уменьшенным напряжением, например, 12, 24 или 48 В постоянного тока. Такие стандарты напряжения широко распространены в различных областях, таких как авиация, железные дороги, судостроение и автомобильная промышленность, где они испытывались и унифицировались на протяжении многих лет. Ввиду того что напряжение 48 В постоянного находится в пределах значений безопасного сверхнизкого напряжения и, по сравнению с напряжением 12 или 24 В, позволяет использовать более малые поперечные сечения проводов и обеспечивает более низкие линейные потери, данный стандарт не только занимает прочные позиции в области освещения, но и был определен IEC/SEG 4 в качестве рекомендуемого уровня напряжения тока для диапазонов низкой мощности.
В связи с вышесказанным, в данной статье далее рассматриваются возможности применения двух предпочтительных напряжений – 380 В постоянного тока для высокого и 48 В постоянного тока для низкого диапазона мощности – в области освещения коммерчески используемых зданий, и не рассматриваются другие напряжения, такие как 216 В постоянного тока для систем аварийного питания с возможностью переключения на 230 В переменного тока (ср. DIN EN 50171).
Низковольтные сети постоянного тока для осветительных систем
Прежде всего, является очевидным, что используемые сегодня светодиодные осветительные системы должны напрямую питаться от напряжения 380 В постоянного тока, а затем работать с понижающим преобразователем постоянного тока, который позволяет снижать максимальное выходное напряжение и генерирует постоянный ток с обычно требуемыми значениями. Преимущество данного подхода заключается в том, что он может передавать достаточно высокую мощность через линейные проводники с небольшими поперечными сечениями на любое световое пятно. Недостатками являются высокое напряжение до каждого светового пятна и более высокая стоимость компонентов на каждом световом пятне по сравнению с преобразователями для меньших значений входного напряжения. По мере того как необходимые номинальные мощности светодиодных осветительных систем благодаря своей высокой эффективности будут все более и более низкими по сравнению с обычными источниками света, базовое напряжение 48 В постоянного тока будет иметь все большее значение для пониженных нагрузок.
Одним из подходов к передаче через микросети постоянного тока является технология питания по сети Ethernet (Power over Ethernet – PoE), основанная на стандарте IEEE 802.3. В таких сетях кабель передачи данных, предназначенный для связи по Ethernet, используется для одновременного питания потребителей (так называемых силовых устройств) постоянным током через свободные или сигнальные линейные пары, которые в данном случае представлены светодиодной осветительной системой. Технология PoE работает с диапазоном напряжения 37-57 В постоянного тока в зависимости от стандартной версии и длины провода, что означает, что это в узком смысле не является сетью постоянного тока с напряжением 48 В. Питание осуществляется посредством так называемого силового оборудования, питание на которое, в свою очередь, может подаваться через распределительную сеть постоянного тока с напряжением 380 В.
Привлекательность технологии PoE заключается в ее способности отображать передачу данных с прямой IP-адресацией и питанием в рамках одной и той же инфраструктуры. Ограничения данного подхода вытекают из того факта, что передаваемая мощность чрезвычайно ограничена вследствие малых поперечных сечений кабеля, кроме того, они связаны с возникновением относительно высоких потерь мощности. В последние годы производители и организации по стандартизации увеличили максимальную выходную мощность для силового оборудования с 15,4 Вт до 40 Вт по двум линейным парам (Класс 5) и с 60 до 100 Вт по четырем линейным парам (IEEE 802.3 bt-2018). Тем не менее, связанные с этим высокие потери мощности противоречат основной концепции более эффективной передачи энергии через сети постоянного тока.
Весьма перспективный третий подход заключается в попытках компенсировать недостатки прямого использования напряжения 380 В постоянного тока и питания по сети Ethernet. Напряжение 380 В постоянного тока преобразуется в 48 В постоянного тока в центральных точках («локализация к нагрузке») и направляется к источникам освещения через линии достаточно большого размера, трассы низкого напряжения или шинопроводы. Постоянное управление током на светодиодных светильниках может осуществляться с помощью очень компактных преобразователей постоянного тока через входы постоянного тока на 48 В. Через линии с большим поперечным сечением может передаваться мощность до 1 кВт. Такие размеры достаточно хорошо подходят для большого числа светодиодных светильников с типичными показателями мощности. Что касается установки, следует отметить, что сети с напряжением 48 В постоянного тока работают в диапазоне безопасного сверхнизкого напряжения.
В то же время, весьма компактный преобразователь постоянного тока на 48 В соответствует тенденции к миниатюризации светодиодных светильников. Такие преобразователи доступны в виде небольших отдельных плат, которые могут быть легко интегрированы в светильники или адаптеры или уже встроены в светодиодные платы, например, для стандартизированных форматов ZHAGA (см. также Vossloh-Schwabe или Tyco Electronics). Разработанные преобразователи могут не включать электролитические конденсаторы (высыхающие), предназначенные для обычных коммутационных источников питания и имеющие низкий срок службы, что позволяет значительно увеличить циклы обслуживания распределенных точек освещения. Кроме того, разрабатываются первые концепции бескорпусных чипов (Chip-on-Board – COB), которые могут работать непосредственно от 48 В постоянного тока, например через интегрированные линейные регуляторы без дополнительных преобразователей постоянного тока (см. Osram ConVoLED). В связи с растущим использованием напряжения 48 В постоянного тока в других областях, таких как бортовое электропитание современных автомобилей и электромобилей (см. VDA 320), многие соответствующие компоненты доступны по низкой цене [4].
На практике возможно использование концепций светодиодных осветительных систем, сочетающих питание 380 В постоянного тока, технологии PoE и сети с напряжением 48 В постоянного тока. На Рисунке 2 показан проект освещения магазина с использованием линейных светильников с питанием от 380 В постоянного тока (синий) и рельсовых светильников на 48 В постоянного тока.
Рисунок 2: Пример схемы распределения и кабельных соединений для проекта освещения магазина с использованием линейных светильников с питанием от 380 В постоянного тока (синий) и рельсовых светильников на 48 В постоянного тока.
Умные решения для низковольтных сетей постоянного тока
Тем не менее, это еще не дает ответа на вопрос о том, как управлять светильниками и средствами связи, например в сочетании с датчиками, представленными технологией PoE (см. выше). В основном существует три возможных концепции управления и связи: связь по линиям постоянного тока (передача информации по электрическим сетям (Power Line Communication – PLC)), связь по дополнительным линиям управления (например, DALI) или радиосвязь (например, Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth, EnOcean).
Технология PLC отрегулирована только в диапазоне изменения частот от 3 до 148,5 кГц на основе стандарта EN 50061-1 для защиты от помех и обеспечения электромагнитной совместимости. Дальнейшая стандартизация данной технологии отсутствует. Неизбежно, как в других отраслях промышленности, в области освещения с питанием от 48 В постоянного тока появились только отдельные самостоятельные разработки, такие как Bits2Power или DC-String (Tridonic). В принципе, указанные решения структурированы таким образом, что такой протокол, как DALI, который принимается на центральном преобразователе на 48 В постоянного тока, преобразуется в сигнал ПЛК, а затем передается на компактные преобразователи постоянного тока отдельных светильников. В настоящее время такие решения не поддерживают питание центрального преобразователя на 48 В постоянного тока с входным напряжением 380 В постоянного тока – они предназначены исключительно для питания от 230 В переменного тока.
Технология DALI стала цифровым стандартом (En 62386) для линейного управления освещением на основе Манчестерского кодирования. Особенности шины DALI заключаются в том, что для двух линий управления DALI требуется базовая изоляция. Таким образом, они могут быть проложены вместе с токопроводящими сердечниками переменного тока на 230 В в одном кабеле, линия управления DALI может подавать питание на датчики и исполнительные механизмы (максимум 20 мА на потребитель), и система будет защищена от перемены полярности. Сама шина DALI предназначена для работы от 250 мА и максимум 22,5 В постоянного тока, но входы DALI должны быть рассчитаны на 230 В в связи с риском обратной полярности на обычных входах переменного тока. Для питания от 48 В постоянного тока, имеются, например, четырехполюсные шины (см. Eutrac Low Voltage), которые обеспечивают работу DALI или другой технологии линейной связи, например, DMX на 1-10 В. На рынке также доступны соответствующие компактные преобразователи постоянного тока с дополнительными входами DALI. При реализации решений в сочетании с питанием от 48 В постоянного тока важно отметить, что вход компактных преобразователей постоянного тока, как правило, не рассчитан на более высокие напряжения, которые могли бы быть в основном подключены через шину DALI в случае обратной полярности.
В последние годы все большую популярность приобретают стандарты радиосвязи для систем управления освещением (Lighting Management System – LMS) и Интернета вещей (IoT). Помимо Wi-Fi (IEEE 802.11), это в основном стандарты для пониженной мощности, такие как Thread, ZigBee или ZigBee Green (IEEE 802.15.4), Bluetooth (IEEE 802.15.1) и EnOcean (IEC 14543-3-10). Такие беспроводные решения очень легко дополняют основное питание от 48 В постоянного тока управлением освещения и датчиками.
Технологии EnOcean и ZigBee Green даже обеспечивают микроаккумулирование энергии (Micro Energy Harvesting – MEH), исключая потребность в питании для переключающих приводов, благодаря чему они могут быть подключены с помощью беспроводных решений.
Поскольку решения на основе радиосвязи уже находят применение в интеллектуальных зданиях, они могут использоваться для выполнения комплексной автоматизации зданий на основе событий на полевом уровне. Как правило, на полевом уровне различные системы затем объединяются через IP-магистраль (например, BACnet-IP) на уровне автоматизации (BACnet четко определяет протокол ZigBee в качестве уровня связи на полевом уровне). Уровень управления может быть отображен посредством BACnet (см. DIN EN ISO 16484-5), посредством других стандартов управления зданиями, таких как oBIX, или посредством общего стандарта автоматизации OPC-UA (IEC 62541).
Проблемы
Несмотря на многочисленные преимущества, системы постоянного тока также связаны с проблемами, о которых необходимо упомянуть. К ним относятся, в частности, технические проблемы и все еще недостаточно развитая система стандартизации. Обе проблемы тесно связаны между собой, поскольку отрасль может надежно решить некоторые технические проблемы только после устранения определенных пробелов или противоречий в области стандартизации.
Наиболее серьезной технической проблемой является опасность возникновения дуги в связи с отсутствием пересечения нулевого уровня напряжения постоянного тока. Данная опасность возникает, в частности, при извлечении вилки под нагрузкой, во время переключения и в случае неисправности изоляции. При напряжении около 20 В дуга больше не гаснет самостоятельно. В связи с этим к автоматическим выключателям, кабелям, переключателям и вилкам предъявляются особые требования. По этой причине соединения, не имеющие специальных защитных средств или условий, могут быть отключены только без нагрузки и соответственно в обесточенном состоянии. Кабели и проводники должны иметь отдельную цветовую маркировку. Например, новый стандарт IEC 60445: 2018 предусматривает маркировку красным цветом для положительного внешнего проводника, белым – для отрицательного внешнего проводника и розовым – для функционального заземляющего проводника.
Исследования соответствующих неисправностей показывают, что подавляющее большинство проблем с дугой вызвано неисправностями в системе заземления (ср. IEEE Std 493-2007). Таким образом, концепция заземления имеет особое значение для систем постоянного тока. ETSI EN 301 605 описывает две допустимые концепции заземления для систем постоянного тока: ИТ-система и система TN-S.
В низковольтной сети постоянного тока система TN-S работает с заземленным минусом, который подсоединен к центральной точке заземления, и защита обычно обеспечивается условиями выключения устройств защиты от перегрузок по току, за исключением случаев, когда имеется сравнительно сложная система отслеживания остаточного тока (согласно EN 62020 DIN). Таким образом, система TN-S без отслеживания остаточного тока используется только в тех случаях, когда требования к доступности системы не являются слишком высокими.
И, наоборот, в ИТ-системе о первой ошибке сообщает только устройство контроля изоляции (DIN EN 61557-8). Только после этого выполняется заземление, как в системе TN-S, при этом так называемое Высокоомное заземление средней точки (High Resistance Midpoint Grounding – HRMG) является предпочтительным для систем постоянного тока. Это означает, что ИТ-система может продолжать работать на безопасном уровне после того, как произошла первая неисправность, что особенно выгодно, например, в сфере ИТ, обрабатывающей промышленности или на железной дороге. Электромеханические всеполюсные переключатели доказали свою высокую эффективность для ИТ-систем в сочетании с микросетями постоянного тока.
Что касается стандартизации, следует отметить, что существуют специальные стандарты для большого числа областей применения постоянного тока, которые, тем не менее, не предназначены для установки в зданиях. В принципе, устройство сетей постоянного тока регулируется стандартом DIN EN 60364, но не имеется достаточного числа конкретных стандартов в отношении низковольтных сетей постоянного тока для измерения изоляции, разъемов и переключателей. В некоторых случаях необходимо согласовать противоречия между отдельными стандартами, например в отношении оценки расстояний, между основным стандартом DIN EN 60664 и стандартами на кабели, разъемы и устройства.
До тех пор, пока такие стандарты не будут пересмотрены, особое внимание должно быть уделено выбору подходящих компонентов для низковольтных сетей постоянного тока. С увеличением числа амбициозных проектов, реализуемых совместно с известными партнерами, были разработаны передовые решения, которые могут быть использованы в качестве основы для ориентирования. Наконец, вследствие ограниченного опыта работы с низковольтными сетями постоянного тока специалисты-электрики должны пройти специальную подготовку. Например, в 2012 году в стандарт NFPA 70E уже включены специальные требования в отношении работы с системами постоянного тока с напряжением более 100 В.
Прогноз
Европейский Союз признает как ограниченную доступность ресурсов ископаемого топлива, так и опасность, которую представляет для нашей цивилизации парниковый эффект, вызванный выбросами CO2. Поскольку возобновляемые источники энергии являются сравнительно дорогими, ключевым решением будет повышение энергоэффективности. Данное требование соответствует Директиве 2010/31/EU (Энергетическая эффективность зданий) в области стандартов для новых зданий и, таким образом, с 2021 года здания должны иметь практически нулевое энергопотребление.
В рамках поправки EPBD 2018 (2018/844/EU) были также установлены дополнительные цели для энергетического восстановления существующих зданий, интеллектуальных технических систем зданий с целью адаптации к требованиям пользователей и оптимизации общей эффективности и обеспечения зарядной инфраструктуры для электромобилей.
Светодиодные осветительные системы уже обеспечивают экономию энергии и улучшение баланса CO2. Дальнейшая потенциальная экономия может быть использована в будущем главным образом за счет системной оптимизации коммерчески используемых зданий.
В данной статье показано, что системы постоянного тока в низковольтном диапазоне обладают значительным потенциалом в отношении экономии в контексте системной оптимизации и имеют большое количество дополнительных преимуществ. Полупроводниковые светодиодные осветительные системы работают от постоянного тока по определению, а также увеличивают число прочих нагрузок. Это делает их идеальным решением для питания от микросетей постоянного тока.
Кроме того, низковольтные сети постоянного тока могут использоваться для того, чтобы лучше подчеркнуть фактические преимущества светодиодных технологий, такие как миниатюризация и большой срок службы, за счет исключения некоторых критических компонентов для преобразования переменного/постоянного тока. Это открывает широкие возможности для проектирования светодиодных светильников и позволяет увеличить циклы их технического обслуживания.
Благодаря интеграции интеллектуальных решений на основе Интернета вещей светодиодные светильники могут использоваться для определения данных о местоположении в реальном времени с использованием широкого спектра датчиков. Светодиодные светильники можно идеально комбинировать с датчиками, поскольку они обычно помещаются в местах, подходящих для установки датчиков, и, кроме того, светодиоды в любом случае получают питание от сетей постоянного тока. Полученные данные могут быть использованы для различных целей, таких как оптимизация энергопотребления, упрощение управления объектами, индивидуализация портфеля решений по освещению, управление ресурсами или улучшение пользовательского опыта в отношении зданий (услуги по размещению внутри помещений).
Помимо интеграции возобновляемых источников энергии и систем хранения, а также систем зарядки для электромобилей, низковольтные сети постоянного тока имеют еще одно преимущество – данное решение способствует повышению устойчивости сети. Указанный аспект не следует недооценивать, учитывая возрастающие проблемы с загрязнением сетей переменного тока.
Таким образом, в ближайшие годы следует ожидать более широкого использования низковольтных сетей постоянного тока вместе со светодиодными светильниками в коммерческих зданиях – как в виде чистых решений для низковольтных сетей постоянного тока, так и в виде гибридных решений, использующих питание переменного и постоянного тока. Центры обработки данных, скорее всего, сыграют в их продвижении главную роль.
Такому развитию, вероятно, будет способствовать как текущее достижение экономической эффективности внутреннего потребления электроэнергии благодаря новым фотоэлектрическим системам без субсидий, так и внутреннее потребление электроэнергии из существующих систем, для которых субсидии EEG в Германии истекают впервые в 2020 году.
Но микросети переменного тока не только обеспечивают потенциальную экономию, когда речь заходит о системах питания зданий. Поскольку аналогичная потенциальная экономия может быть достигнута в промышленности (70% промышленного потребления электроэнергии приходится на электродвигатели) [5], данная технология, как ожидается, будет использоваться во многих промышленных отраслях. Вместе с прогрессом в области стандартизации это будет стимулировать появление более широкого спектра соответствующих компонентов.
И последнее, но не менее важное: микросети постоянного тока применяются не только в высокоразвитых промышленных странах, но и могут обеспечить автономную электрификацию слаборазвитых сельских районов, например, в сочетании с более дешевыми аккумуляторами и фотоэлектрическими системами.