DC ELECTRICAL DISTRIBUTION SYSTEMS IN BUILDINGS

8/18/2019 DC ELECTRICAL DISTRIBUTION SYSTEMS IN BUILDINGS

1/5

2 0 0 6 2 n d

I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n P o w e r E l e c t r o n i c s S y s t e m s a n d A p p l i c a t i o n s

DC ELECTRICAL

DISTRIBUTION SYSTEMS IN

BUILDINGS

Huey

P A N G a , E d w a r d L O b , B r y a n PONGa

a

D e p a r t m e n t o f

E l e c t r i c a l

a n d

E l e c t r o n i c

E n g i n e e r i n g , T h e U n i v e r s i t y

o f

Hong K o n g, P o k f u l a m R o a d , H o n g K o ng S A R ,

C h i n a

b

D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l

E n g i n e e r i n g ,

T h e

H on g K on g P o l y t e c h n i c

U n i v e r s i t y ,

Hung Hom, H on g K o ng S A R , C h i n a

A b s t r a c t

W i t h t h e g a i n i n g

o f

p o p u l a r i t y

o f

c o n c e p t

o f

d i s t r i b u t i o n

g e n e r t i o n

( D G )

a n d s u s t a i n a b l e

d e v e l o p m e n t ,

DG

w i t h

r e n e w a b l e

e n er g y

( R E )

sources i s o n e o f t h e

p o s s i b l e ways

f o r b u i l d i n g en ergy

s u p p l y i n

t h e f u t u r e . T h e c u r r e n t

DC-AC-DC r o u t e f r o m DG t o DC l o a d s v i a i n v e r t e r s may

n o t

b e r a t i o n a l f r o m t h e v i e w p o i n t

o f

s y s t e m

s i m p l i c i t y

a n d

en ergy

e f f i c i e n c y ,

a r e v i e w on t h e

c u r r e n t e l e c t r i c a l


s y s t e m s

s h o u l d

b e m a d e . T h i s

paper

r e v i e w s a n d

e v a l u a t e s p o s s i b i l i t i e s

o f

u s i n g

DC

e l e c t r i c a l d i s t r i b u t i o n

s y s t e m s

w i t h

i n c r e a s i n g

RE

resources a n d DC l o a d s . T h e r e

i s

p o t e n t i a l o f i n c r e a s i n g en ergy

e f f i c i e n c y

a n d power

q u a l i t y .

D r a w b a c k s

a n d m e r i t s w i l l a l s o b e i d e n t i f i e d .

K e y w o r d s : d i s t r i b u t e d

g e n e r a t i o n ,

b u i l d i n g d i s t r i b u t i o n s y s t e m ,

e n e r g y e f f i c i e n c y ,

DC s y s t e m , r e n e w a b l e

e n e r g y

INTRODUCTION

AC s y s t e m h a s

b e e n a s t a n d a r d f o r

e l e c t r i c i t y


i n

b u i l d i n g s

f o r

a

l o n g

t i m e . I t i s r a t i o n a l t o

u s e

AC

r a t h e r t h a n DC

a s

t r a d i t i o n a l l y

m o s t o f t h e

l o a d s

( s u c h

a s

m o t o r s , l i g h t i n g ) a d a p t

AC

v e r y

w e l l a n d

i t

i s

c o n v e n i e n t

t o d i s t r i b u t e

p o w e r

f r o m

p o w e r

p l a n t s ,

w h i c h

a r e a l s o

AC i n

n a t u r e ,

o v e r

l o n g

d i s t a n c e .

H o w e v e r ,

w i t h

t h e g a i n i n g

o f

p o p u l a r i t y

o f

c o n c e p t

o f d i s t r i b u t i o n

g e n e r a t i o n

( D G ) a n d

s u s t a i n a b l e

d e v e l o p m e n t ,

i t i s

c l e a r

t h a t DG w i t h r e n e w a b l e

e n e r g y

( R E )

s o u r c e s i s t h e

way

f o r

b u i l d i n g e n e r g y s u p p l y

i n

t h e f u t u r e . From

t h e

s u p p l y

s i d e ,

DG i s c o n s t i t u t e d

b y

s m a l l

s i z e

l o c a l

g e n e r a t o r s

a n d

s t o r a g e

s y s t e m s

t h a t

g e n e r a t e

D C ,

s u c h

a s

p h o t o v o l t a i c s

( P V )

a n d

f u e l

c e l l s .

T h e s e DC

s y s t e m s

u s e

g r i d - c o n n e c t e d

i n v e r t e r s t o i n t e r f a c e w i t h

t h e

AC

g r i d .

F r o m t h e

d e m a n d

s i d e , n u m b e r

o f e l e c t r i c a l

a p p a r a t u s

w h i c h

u s e DC

i s

i n c r e a s i n g

d u e

t o r a p i d d e v e l o p m e n t

o f

e l e c t r o n i c s

t e c h n o l o g i e s .

E x a m p l e s

i n c l u d e c e l l

p h o n e

c h a r g e r s , c o m p u t e r s

a n d n e t wo r k

e q u i p m e n t ,

UPS a n d

e m e r g i n g

LED

l i g h t i n g t e c h n o l o g i e s

w h i c h i s

b e l i e v e d

t o

b e f o r

t h e

f u t u r e i n t e r i o r

l i g h t i n g .

F o r

e x a m p l e ,

K u r t z

[ 1 ]

s t a t e d t h a t

LED

l i g h t i n g

a n d PV h a v e s i m i l a r i t i e s a n d

h a v e

p o t e n t i a l s t o

s a v e e n o r m o u s a m o u n t o f

e l e c t r i c i t y .

C u r r e n t l y

a l l t h e s e d e v i c e s u s e P W M - b a s e d

AC-DC

c o n v e r t e r s

t o

i n t e r f a c e

w i t h

t h e

AC

g r i d .

T h e

DC-AC-DC

r o u t e

f r o m

DG t o DC l o a d s

may

n o t b e

r a t i o n a l

f r o m t h e v i e w p o i n t

o f

s y s t e m s i m p l i c i t y

a n d

e n e r g y e f f i c i e n c y .

T h e r e i s

a n i n c e n t i v e

t o l o o k f o r

a l t e r n a t i v e


s y s t e m s ,

w h i c h h a v e b e e n

s u g g e s t e d

i n

v a r i o u s l i t e r a t u r e s . L a r r u s k a i n e t a l

[ 2 ]

h a s

p o i n t e d

o u t

t h a t DC t r a n s m i s s i o n

h a s

m o r e

a d v a n a t a g e s

s u c h a s

s t a b i l i t y ,

c o n t r o l l e d

e m e r g e n c y

s u p p o r t

a n d n o

c o n t r i b u t i o n t o s h o r t c i r c u i t l e v e l . B r u s h ' s

s u r v e y [ 3 ]

i n d i c a t e d t h e

t r e n d o f

s w i t c h i n g

f r o m c e n t r a l i z e d

p o w e r

t o d i s t r i b u t e d

p o w e r

a r c h i t e c t u r e s . L o c a l DC d i s t r i b u t i o n

n e t w o r k

w i t h

DG r e s o u r c e s

h a s

a l s o

b e e n

p r o p o s e d

b y

B r e n n a

e t

a l

[ h ] ,

t h e r e f o r e

a

r ev i ew o n

c u r r e n t

e l e c t r i c a l


s y s t e m s s h o u l d

b e m a d e

t o

a d a p t

t h e

t r e n d .

DC

l i n k

g r i d

AC

AC g r i d

F i g .

] .

S c h e m a t i c

o f

c u r r e n t b u i l d i n g

k

d i s t r i b u t i o n s

s y s t e m

THE

PPRO CH

A s b o t h t h e

e n e r g y

s o u r c e

a n d

l o a d s a r e

g e t t i n g

t o w a r d s

D C ,

i t i s

l o g i c a l

t o

h a v e a

p r e l i m i n a r y

a n a l y s i s

o n

a DC d i s t r i b u t i o n

s y s t e m

f o r a

b u i l d i n g

a s t h e

f i r s t

s t e p

o f

i n v e s t i g a t i n g

a l t e r n a t i v e s

o f e l e c t r i c a l d i s t r i b u t i o n

s y s t e m s

i n

b u i l d i n g s .

An

a n a l y s i s

o n

t h e

i m p a c t

o f

c h a n g i n g

f r o m

e x i s t i n g

AC

s y s t e m

t o DC

s y s t e m

h a s

b e e n

p e r f o r m e d

b y

a c a s e

s t u d y .

I n o r d e r

n o t t o

c o m p l i c a t e

t h e

a n a l y s i s

a n d

s e r v e s

a s

p r e l i m i n a r y s t u d y ,

w e a s s u m e t h e

e x i s t i n g

220V

( 3 8 0 V

p e a k ) 3 - p h a s e

AC

s y s t e m

i s

r e p l a c e d b y

a

c o r r e s p o n d i n g

c e n t r a l i z e d DC

s y s t e m

r a t e d a t

400V a n d

e v a l u a t e

p o t e n t i a l

e n e r g y

s a v i n g s

t h a t

c a n b e

a c h i e v e d

b y

l o s s r e d u c t i o n

i n


s y s t e m

o f a

3 0 - s t o r e y

( 1 O O m ) h i g h b u i l d i n g ,

w h i c h i s

t y p i c a l

i n

H o n g

K o n g .

1 1 5

o f 2 8 8


2/5

2 0 0 6 2 n d I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e

o n

P o w e r

E l e c t r o n i c s

S y s t e m s

a n d

A p p l i c a t i o n s

D i s t r i b u t i o n l o s s h a s d e c r e a s e d i n DC s y s t e m , a n d

n o s i g n i f i c a n t

a m o u n t

o f

c o p p e r c o u l d

b e

s a v e d ,

s o i s

t h e

c a s e i n

f i n a l c i r c u i t :

g r i

a c

g r i d

AC

F i g . 2 .

S c h e m a t i c o f p r o p o s e d d i s t r i b u t i o n s s y s t e m

E f f i c i e n c y

i m p r o v e m e n t

o n

d i s t r i b u t i o n s y s t e m

s c h e m t i c o f a

b u i l d i n g ' s

e l e c t r i c a l d i s t r i b u t i o n

s y s t e m

i s s h o w n

b e l o w :

T a b l e 3 .

C o m p a r i s o n o f


l o s s

b e t w e e n AC

a n d

p r o p o s e d

DC

s y s t e m

i n

f i n a l

c i r c u i t

T h e o v e r a l l

d i s t r i b u t i o n l o s s i s f o u n d

b y

i n t e g r a t i n g t h r e e s u b - s y s t e m s i n t o o n e :

S u b - m a i n c i r c u i t F i n a l c i r c u i t

F i g . 3 . I l l u s t r a t i o n o f m a i n

c i r c u i t a n d s u b - m a i n

c i r c u i t

o f

a

b u i l d i n g

M a i n c i r c u i t

( l O O m

r u n n i n g

f r o m

Tx

t o

r o o f )

S y s t e m

3 - p h a s e

4 - w i r e

4 0 0 V d c

380A

3 8 0V 4 0 0A 2 - w i r e

s y s t e m

CS A ( m m 2 ) 1 8 5

1 8 5

V o l t a g e d r o p

0 . 2 1 0 . 2 3

(mVlAlm)

D i s t r i b u t i o n

l o s s

2 . 2 2 . 2

T a b l e

1 .



l o s s

b e t w e e n AC

a n d

p r o p o s e d

DC

s y s t e m

i n

m a i n

c i r c u i t

A t

t h i s

p o i n t ,

t h e r e i s n o

s i g n i f i c a n t

d i f f e r e n c e i n

t e r m s o f

e n e r g y

l o s s . T h e n t h e s i t u a t i o n

i n s u b - m a i n

c i r c u i t

w a s

a n a l y z e d :

S u b - m a i n

( 4 0 m

r u n n i n g

f r o m

m a i n

t o d i s t r i b u t i o n

b o a r d )

S y s t e m 1 - p h a s e

2 - w i r e

4 0 0 V d c 55A

220V

I O O A

2 - w i r e

s y s t e m

CS A

( m m 2 )

3 5 1 6

3 5

V o l t a g e d r o p

1 . 2 5 2 . 8 1 . 2 5

(mVlAlm)


l o s s

2 . 2 7 1 . 5 4

0 . 6 9

E f f i c i e n c y

2 2 0 V a c 4 0 0 V d c

( 1 - l o s s )

1 .

M a i n 9 7 . 8

9 7 . 8

2 . S u b - m a i n

9 7 . 7 9 ° 0 9 9 . 3 1

3 . F i n a l c i r c u i t

9 7 . 5 5 ° 0 9 9 . 2 6

O v e r a l l

( I ) x ( 2 ) x ( 3 ) 9 2 . 3 9 6 . 4 1

( 3 . 5 9 0

( 7 . 7 0 l o s s ) l o s s )

D i f f e r e n c e

4 . 1 1 0

A r l d b

T a b l e

4 . O v e r a l l


l o s s

c o m p a r i s o n

R e d uc ti o n o f

d i s t r i b u t i o n l o s s

i s m a i n l y

c o n t r i b u t e d

b y

t h e

s u b - m a i n a n d f i n a l

c i r c u i t ,

o v e r a l l a

3 ° 0


c a n b e

a c h i e v e d .

E f f i c i e n c y i m p r o v e m e n t

o n c o n v e r t e r s

B o t h AC-DC a n d DC-DC

s y s t e m s

r e q u i r e

c o n v e r t e r s

o r

i n v e r t e r s .

T h e y

p l a y

a

k e y

r o l e i n

d e t e r m i n i n g

o v e r a l l

e f f i c i e n c y

o f a d i s t r i b u t i o n

s y s t e m .

s i m p l e s u r v e y

o f

e f f i c i e n c y

o f

d i f f e r e n t

c o n v e r t e r s / i n v e r t e r s

a t d i f f e r e n t

p o w e r r a t i n g s

a v a i l a b l e

i n

c o m m e r c i a l

m a r k e t

h a s

b e e n d o n e .

100

95

65

60 _

1 0

1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0

p o w e r r a t i n g s

( W)

1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0

F i g .

4 .

E f f i c i e n c y

a g a i n s t

power

r a t i n g s

f o r

d i f f e r e n t

c o n v e r t e r s

i n

t h e

c o m m e r c i a l m a r k e t

1 1 6

o f

2 8 8

4 0 0 V d c

g r i d

F i n a l

c i r c u i t

( 2 0 m r u n n i n g f r o m

d i s t r i b u t i o n b o a r d

t o s o c k e t )

S y s t e m

1 - p h a s e 2 - w i r e

4 0 0 V d c

8A

220V

1 5 A

2 - w i r e

s y s t e m

s y s t e m

CS A ( m m 2 )

2 . 5

2 . 5

V o l t a g e d r o p 7 8 7 8

( m V l A l m )


l o s s 2 . 4 5 l o s s ( 5 . 4 V

0 . 7 4 ° 0

l o s s

d r o p )

( 2 . 9 7 V d r o p )

/ R i s i n g

b u s b a r

m a i n

c i r c u i t

L o c a t e d o n

G / F

o f

a

b u i l d i n g

T a b l e 2 .



l o s s

b e t w e e n AC

a n d

p r o p o s e d

DC

s y s t e m

i n

s u b - m a i n

c i r c u i t


3/5

2 0 0 6 2 n d I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n P o w e r E l e c t r o n i c s S y s t e m s a n d A p p l i c a t i o n s

F r o m

t h e

g r a p h , i t

i s

o b s e r v e d t h a t :

( 1 ) b o t h DC-DC a n d AC-DC c o n v e r t e r s

e f f i c i e n c y

i n c r e a s e

w i t h

p o w e r

r a t i n g s .

( 2 )

E f f i c i e n c y

d i f f e r e n c e b e t w e e n DC-DC a n d

AC-DC c o n v e r t e r s d e c r e a s e s a s p o w e r

r a t i n g s

i n c r e a s e s

Load t y p e

a n d


S e c o n d l y

we

a n a l y z e e n er g y u s ag e

i n

d i f f e r e n t s e c t o r s

i n

H o ng K on g [ 5 ] :

U s a g e

A i r O f f i c e

L i g h t i n g

t h e r s

c o n d i t i o n i n g e q u i p m e n t

C o m m e r c i a l

O f f i c e

4 7 . 8 2 1 . 8 1 8 . 9 1 1 . 4 5

O t h e r s

1 7 . 9 1 2 . 7

1 1 . 4 6 7 . 9

S c h o o l *

3 0 . 9

N N N

R e s i d e n t i a l h o u s i n g

P u b l i c

2 2 . 8 5 N

1 9 . 9 5

N

P r i v a t e 2 5 0 0 N 2 4 . 1 5 N

*

d a t a

p r o v i d e d

b y

Ma

Wan P r i m a r y

s c h o o l

T a b l e

5 .

E n e r g y u sa ge b y

d i f f e r e n t

s e c t o r s

i n H o n g K o n g

I t i s c l e a r t h a t

a i r - c o n d i t i o n i n g

c o n s u m e s

m o s t

o f

t h e


i n

H on g K on g

i n

v a r i o u s s e c t o r s . M o s t o f

t h e

c o n s u m e r s

i n

H on g K on g

h a v e b e e n

t r y i n g

h a r d t o

c u t

d o w n

c o n s u m p t i o n f r o m


i n v a r i o u s

w a y s

e i t h e r

b y u s i n g

i n v e r t e r - d r i v e n

s p l i t - t y p e

a i r

c o n d i t i o n e r s

( f o r

r e s i d e n t i a l

c o n s u m e r s )

o r

r e p l a c e s

w i n d o w - t y p e

a i r - c o n d i t i o n e r s t o

c e n t r a l

HVAC

s y s t e m s .

N a s u t i o n

e t

a l

[ 6 ]

s t a t e d t h a t


s y s t e m s

o r i g i n a l l y

o p e r a t i n g

o n

a c o n st an t

s p e e d

m o d e

c a n b e r e t r o f i t t e d

w i t h

a n i n v e r t e r - d r i v e n

s y s t e m

a n d

t h e

e n e r g y

s a v i n g

i s

e s t i m a t e d

t o r e c h

2 5 . 3 .

R e v i e w s

b y

M i t s u b i s h i

H e a v y

I n d u s t r i e s d r a w a s i m i l a r

c o n c l u s i o n

[ 7 ]

w h i c h e s t i m a t e d a

s a v i n g

o f

38

c a n b e d o n e .

I t

c a n

b e

s e e n t h a t

i m p r o v i n g


s y s t e m

h a s

b i g

p o t e n t i a l s

i n

i m p r o v i n g e n e r g y e f f i c i e n c y .

I n

a d d i t i o n t o

t h i s ,

o n e

may r e g a r d

a i r

c o n d i t i o n e r s , s h i f t i n g

f r o m

A C - o p e r a t e d

c o n s t a n t - s p e e d m o d e t o

D C - o p e r a t e d


m o d e ,

a r e

r e t r o f i t s

s i n c e t h e i n v e r t e r s

u s e d a r e

c o m p o s e d

o f AC-DC a n d

DC-AC

c o n v e r s i o n . I t

i s c l e a r t h a t

t h e

s y s t e m

c a n b e

s i m p l i f i e d

b y

e l i m i n a t i n g

AC-DC

p a r t

i f

t h e e n e r g y

s o u r c e i s

a l r e a d y

D C .

S i m i l a r

c a s e s

h a p p e n

i n

o f f i c e

e q u i p m e n t s ,

c o m p u t e r s

a n d

l i g h t i n g .

C u r r e n t l y

t h e r e i s a m i s m a t c h

b e t w e e n

t h e s o u r c e

a n d

t h e s e

e q u i p m e n t s

a s

t h e y

a l l

c o n s u m e D C .

A l t h o u g h

m o d em AC-DC c o n v e r t e r s

a t t a c h e d w i t h t h e s e

e q u i p m e n t s

a r e a l l P W M - b a s e d

b u t

f r o m

F i g .

1

i t i s c l e a r t h a t DC-DC c o n v e r s i o n

h a s

a

h i g h e r e f f i c i e n c y .

I t i s

i n t e r e s t i n g

t o u n d e r s t a n d

e f f i c i e n c y


o n t h e s e

l o a d s

b y c h a n g i n g

t h e


s y s t e m .

s i mp l e s u r v ey a n d a n a l y s i s h a s b e e n d o n e w i t h

t h e i n f o r m a t i o n

f r o m

F i g .

4

E q u i p m e n t AC

DC C h a n g e

n e t w o r k n e t w o r k

I n v e r t e r - d r i v e

AC-DC-AC DC-AC 16

n

8 3

x

9 3 0 = 7 7 0 o 9 3 0 o

A i r - c o n d i t i o n e

r

2 kW

1

I n v e r t e r - d r i v e

AC-DC-AC

DC-AC

12

n

8 7

x

95 =83 9 5 0 0

A i r - c o n d i t i o n e

r

1 O k W

2 )

O f f i c e

s y s t e m AC-DC 4 0 0 V D C 1 4 ° 0

e q u i p m e n t

3 )

78 -

? V D C

92

L i g h t i n g

4 )

AC-DC-AC

DC-AC

26

700 x

8 7

87 =60.9

( 1 ) t y p i c a l

r e s i d e n t i a l

a i r - c o n d i t i o n e r s

i n

H on g K on g

( 2 ) t y p i c a l c o m m e r c i a l a i r - c o n d i t i o n e r s

i n

H on g K on g

( 3 )

A s s u m e

a

t y p i c a l

3 0 0 W AC-DC

c o n v e r t e r

o f

PC

( 4 ) t y p i c a l

2 0 W

f l u o r e s c e n t

t u b e i n

H on g K on g

o f f i c e

T a b l e 6 .

P o t e n t i a l e f f i c i e n c y i m p r o v e m e n t o f

d i f f e r e n t

e q u i p m e n t b y

s w i t c h i n g

f r o m

AC t o n e t w o r k

E f f i c i e n c y i m p r o v e m e n t s

o n e a c h

t y p e

o f

e q u i p m e n t

a r e n o w a v a i l a b l e a n d

i n c o r p o r a t e d

w i t h t h e

w e i g h t

f a c t o r s f r o m T a b l e

5 t o

e s t i m a t e t h e f i n a l

e f f i c i e n c y


( ) o n d i f f e r e n t

b u i l d i n g

s e c t o r s :

L o a d

A / C

O / E

L i g h t i n

O t h e r s

g

O f f i c e

W e i g h t

0 . 4 8 0 . 2 2

0 . 1 9

0 . 1 1

12 14 2 6

0 0 0

P u b l i c

W e i g h t

0 . 1 8

0 . 0 2 7

0 . 1 1 4

0 . 6 7 9

h o u s i n g

1 2 0 1 4 0

2 6 0

0 0 0

S c h o o l s

W e i g h t

0 . 3 0 9 0 . 2 7 0 . 2 2 0 . 1 9

16 14

2 6

0 0 0

A r l d b

± 4 . 1 1

T y p e

O f f i c e

R e s i d e n t i a l S c h o o l s

A r l d b

1 7 . 7 0 9 . 4 9 1 8 . 7 0

T a b l e

7 .

E f f i c i e n c y


o f

d i f f e r e n t

b u i l d i n g

s e c t o r s

c o n s i d e r i n g

t h e

w e i g h t o f

d i f f e r e n t

e l e c t r i c a l

l o a d s u s e d

s i m p l e

c a s e

s t u d y

A s

m e n t i o n e d e a r l i e r , a

DC

s y s t e m

p r o v i d e s

a d v a n t a g e s

f o r r e n e w a b l e

e n e r g y s y s t em s

a s i t

may

s i m p l i f y g r i d - c o n n e c t i o n

i s s u e . I t i s w o r t h w h i l e t o

s t u d y

t h e

p o t e n t i a l

s a v i n g s

o f a

b u i l d i n g

w i t h

RE

r e s o u r c e s .

T h e

Ma Wan

P r i m a r y

S c h o o l i n

H o n g K o n g

i s

a s c h o o l

w i t h a 40kW r a t e d PV

s y s t e m ,

3 3 7 5 6 k W h

o f DC


[ 8 ] ,

o r

8 . 7

o f

t h e s c h o o l ' s

t o t a l

c o n s u m p t i o n ,

h a s

b e e n

g e n e r a t e d

f r o m

S e p t e m b e r

2 0 0 4

t o

A u g u s t

2 0 0 5 .

1 1 7 o f 2 8 8


4/5

2 0 0 6 2 n d I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n P o w e r E l e c t r o n i c s S y s t e m s a n d A p p l i c a t i o n s

An

q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s h a s b e e n d o n e t o

s e e

t h e

p o t e n t i a l

s a v i n g s

i n

f i n a n c i a l t e r m s :

T y p e C o n s u m p t i o n I m p r o v e m e n t

A / C

( 2 k W )

1 2 1 . 8 MWh

23.1MWh

( 1 6 )

O / E

1 0 6 . 3 1 8 . 0 ( 1 4 )

L i g h t i n g

9 0 . 5

2 3 . 5

( 2 6 )

O t h e r s

7 5 . 1

o )

T o t a l

p e r

a n n u m 3 9 3 . 7 6 4 . 7 MWh

t a r i f f = H K D O . 9 6 4 / k W h

_ _

HKD

6 2 4 1 6

( 1 ) a s s u m e n o i m p r o v e m e n t o n

o t h e r l o a d s

T a b l e 8 . e l e c t r i c i t y c o n s u m p t i o n i n Ma

Wan

P r i m a r y

S c h o o l

a n d p o t e n t i a l i m p r o v e m e n t

16

o f

e l e c t r i c i t y c a n

b e

s a v e d

i f

t h e g e n e r i c

DC


s y s t e m r e p l a c e s

c u r r e n t

3 - p h a s e

4 - w i r e AC

s y s t e m .

A l s o ,

i t

h e l p s b o o s t i n g

PV

p e r f o r m a n c e

b y

i m p r o v i n g


o f

p o w e r c o n d i t i o n i n g u n i t ,

w h i c h w i l l

b e

a

DC-DC

c o n v e r t e r

i n s t e a d

o f

a


i n v e r t e r :

A n n u a l

g e n e r a t i o n

( D C )

3 3 7 5 6 k W h

A n n u a l

g e n e r a t i o n

( A C )

2 9 6 3 7 k W h

DC-AC

e f f i c i e n c y

8 7 . 8

DC-DC

e f f i c i e n c y

i f

DC

9 5 0 0

s y s t e m

i s

u s e d

( a s s u m e 4 x 1 O k W )

I m p r o v e m e n t 2 4 3 0 k W h

Power

q u a l i t y

i s s u e s

As

t h e

d i s t r i b u t i o n s y s t e m

i s no w

i n

D C , t h e r e

s h o u l d

b e n o

l o w o r d e r

h a r m o n i c s i n t h e

b u i l d i n g

d i s t r i b u t i o n s y s t e m .

R e l i a b i l i t y

T h e r e i s p o t e n t i a l

i n c r e a s e o f r e l i a b i l i t y

o f DC

s y s t e m o v e r

AC

s y s t e m .

DC s ys te m c a n i n t e r f a c e m o r e

e a s i l y w i t h

l a r g e - s c a l e s t o r a g e f a c i l i t i e s

s u c h

a s

f u e l c e l l

a n d

o t h e r t y p e s o f b a t t e r i e s . P r e m i u m

p o w e r ,

i n

t e r m s

o f q u a l i t y a n d r e l i a b i l i t y , c a n

b e

p r o v i d e d .

T h i s

i s

a l s o

b e n e f i c i a l t o

t h e u t i l i t i e s

a s A s a h a r a e t a l

[ 9 ] p o i n t e d

o u t

t h a t

s t a b l e

p o w e r

s u p p l y t o c u s t o m e r s i s

t h e

m o s t

b a s i c

s e r v i c e a n d

m a i n t e n a n c e

w o r k s , w h i c h

c a u s e s

o u t a g e ,

a r e

c o n s t a n t l y

r e q u i r e d .

S y s t e m s i m p l i c i t y

w i t h

RE

A l t h o u g h

g r i d - c o n n e c t i n g

a

RE

s y s t e m

t o

t h e g r i d

i s a c c e p t e d w o r l d w i d e ,

s o m e c o u n t r i e s

a n d r e g i o n s s t i l l

h a v e

n o

r e l e v a n t

e x p e r i e n c e s

o r l a w s t o e n c o u r a g e s u c h

i n s t a l l a t i o n s . U t i l i t i e s

i n

t h e s e r e g i o n s may

b e

c o n s e r v a t i v e

t o g r i d - c o n n e c t i o n .

I t i s

b e l i e v e d

t h a t a

l o c a l DC d i s t r i b u t i o n n e t w o r k

c a n

f a c i l i t a t e

t h e

g r i d - c o n n e c t i o n o f

a

RE

s y s t e m b y p r o v i d i n g

a

DC

i n t e r f a c e ,

w h i c h may n o t b e p a r t o f

t h e u t i l i t y n e t w o r k .

H o w e v e r ,

t h i s h a s t o

b e f u r t h e r

e x p l o r e d

a s t h i s i n v o l v e s

t h e

a r r a n g e m e n t

o f

m e t e r i n g b y

t h e u t i l i t i e s .

T a b l e

9 . s u m m a r y o f p o t e n t i a l i m p r o v e m e n t

o f

P V s y s t e m


OTHER

MERITS

ND

DR W CKS

F r o m t h e r e s u l t s i l l u s t r a t e d

a b o v e ,

i t i s o b s e r v e d

t h a t

e n e r g y e f f i c i e n c y

c a n b e

a c h i e v e d

b y a l t e r n a t i n g

c u r r e n t

e l e c t r i c a l


s y s t e m s

i n

a

b u i l d i n g .

I n

a d d i t i o n a l t o t h i s

m a j o r

a d v a n t a g e ,

o t h e r b e n e f i t s s h o u l d

n o t

b e

n e g l e c t e d ,

S a v i n g s

i n

m a t e r i a l c o s t

a n d

c a p i t a l e q u i p m e n t

From

t h e

a n a l y s i s

l i s t e d a b o v e

c o n c e r n i n g

t h e

m a i n

c i r c u i t ,

i t

i s n o t e d t h a t

p o t e n t i a l

m a t e r i a l s a v i n g

c a n

b e

a c h i e v e d

b y

r e p l a c i n g

a 4 - w i r e

s y s t e m . S u p p o s e

a

2 - w i r e

DC

s y s t e m

i s

c h o s e n , t h e n

a t

l e a s t

5 0 0 0

o f

c o n d u c t o r m a t e r i a l c a n b e s a v e d a n d t h u s t h e

c o s t .

A s t h e

DC

s y s t e m

e l i m i n a t e s t h e

AC-DC

p a r t

i n


l o a d s ,

t h e r e

s h o u l d

b e

s a v i n g s

i n

m a t e r i a l s

i n t h e

p r o d u c t s

a s n o r e c t i f i c a t i o n o r

p o w e r c o r r e c t i o n

f r o n t e n d

i s n e e d e d . R e du c ti o n o f

b u i l d i n g


s y s t e m

c o s t

may

b e

a c h i e v e d

b y s i m p l i f y i n g

t h e w h o l e


n e t w o r k .

H o w e v e r ,

t h i s i s

o n l y

t h e

c a s e f o r new

b u i l d i n g s .

E x i s t i n g b u i l d i n g s

w i t h AC d i s t r i b u t i o n

n e t w o r k

may

r e q u i r e

h i g h c a p i t a l

c o s t

t o

r e t r o f i t

a DC

n e t w o r k o r

s w i t c h

f r o m AC

t o DC

n e t w o r k .

A l s o

t h e r e

may

b e

e x t r a c o s t f o r

DC

p r o t e c t i o n e q u i p m e n t

( c o m p a r e d

w i t h

AC

o f

s a m e

p o w e r

r a t i n g ) .

O t h e r

p o t e n t i a l

i s s u e s

A l t h o u g h

t h e

p r o p o s e d

g e n e r i c

s y s t e m

h a s

a

s i m i l a r

v o l t a g e

t o t h e

e x i s t i n g


s y s t e m , s a f e t y

i s s u e s

s u c h a s i n s u l a t i o n

r e q u i r e m e n t

i s a l s o a m a t t e r o f

c o n c e r n . C o n t a c t

c o r r o s i o n ,

a l t h o u g h

o u t s i d e t h e

s c o p e

o f

e l e c t r i c a l

e n g i n e e r s ,

i s a l s o a

m a j o r

i s s u e t h a t s h o u l d

n o t

b e

n e g l e c t e d .

CONCLUSION

I n

t h i s

p a p e r ,

a g e n e r i c DC d i s t r i b u t i o n

s y s t e m

w i t h i n

a

b u i l d i n g

h a s b e e n

p r o p o s e d

a n d t h e

p o s s i b i l i t y

o f

r e p l a c i n g e x i s t i n g

AC d i s t r i b u t i o n

s y s t e m

h a s

b e e n

d i s c u s s e d . I t i s c o n c l u d e d t h a t

i n

g e n e r a l

DC

s y s t e m

c a n

i m p r o v e

e n e r g y

e f f i c i e n c i e s

b y

s i m p l i f y i n g

s y s t e m

s t r u c t u r e s

a n d

i m p r o v i n g

c o n v e r s i o n

e f f i c i e n c i e s o f

v a r i o u s

c o n v e r t e r s .

O t h e r

p o t e n t i a l

b e n e f i t s a n d

d r a wb a c k s h a v e a l s o b e e n d i s c u s s e d .

I t

h a s t o

b e

s t r e s s e d

t h a t

t h e

p r o p o s e d

g e n e r i c

DC


s y s t e m

i s n o t

a

f i n a l i z e d

p r o p o s a l

a s t h i s

o n l y

s e r v e s t h e

p u r p o s e

o f

e x p l o r i n g

a l t e r n a t i v e s

o f


s y s t e m s .

F o r

e x a m p l e ,

d e t e r m i n i n g

a p p r o p r i a t e

v o l t a g e

l e v e l ,

r e l e v a n t

s a f e t y

i s s u e s s h o u l d

n o t b e

n e g l e c t e d .

T h e

p r o p o s e d s y s t e m

n o t

o n l y

i n v o l v e s

e n o r m o u s

c h a n g e s

i n

d e s i g n i n g b u i l d i n g

e l e c t r i c a l


s y s t e m

b u t a l s o

i n

d e s i g n i n g

e l e c t r i c a l

a p p l i a n c e s .

I f

t h e

c h a n g e

r e a l l y

o c c u r s ,

t h e r e

may b e

1 1 8

o f 2 8 8


5/5

2 0 0 6 2 n d I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n P o w e r


S y s t e m s

a n d

A p p l i c a t i o n s

p o t e n t i a l c h a o s

i n t r a n s i t i o n a l

s t a g e ,

t h e r e f o r e m o r e

r e s e a r c h e s

s h o u l d b e d o n e t o i n v e s t i g a t e

t h e

p r a c t i c a l i t y

o f

t h i s

p r o p o s e d

s y s t e m

b e f o r e

l o n g - t e r m

a n d p r o f o u n d

c h a n g e i s m a d e .

REFERENCE

[ 1 ]

S a r a h

K u r t z ,

S y n e r g i e s

C o n n e c t i n g

t h e

P h o t o v o l t a i c a n d S o l i d - S t a t e

L i g h t i n g

I n d u s t r i e s ,

P r o c e e d i n g s

o f NCPV a n d S o l a r

P r o g r a m

R e v i e w

M e e t i n g 2 0 0 3 , p p 3 1 5 - 3 1 8 .

[ 2 ] D . M . L a r r u s k a i n , I . Z a m o r a , A . J . M a z o n , 0 .

A b a r r a t e g u i , J . M o n a s t e r i o , T r a n s m i s s i o n a n d


N e t w o r k s :

AC v e r s u s

D C ,

9 t h

S p a n i s h - P o r t u g u e s e C o n g r e s s

o n E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ,

J u l y

2 0 0 5 .

[ 3 ]

L i n n e a B r u s h ,

D i s t r i b u t e d P o w e r A r c h i t e c t u r e

Demand

C h a r a c t e r i s t i c s ,

N i n e t e e n t h A n n u a l

I E E E

A p p l i e d

P o w e r


C o n f e r e n c e

a n d

E x p o s i t i o n ,

2 0 0 4 . APEC ' 0 4 .

V o l u m e 1 , p p . 3 4 2 - 3 4 5

[ 4 ] M o r r i s B r e n n a ,

E n r i c o

T i r o n i , G i o v a n n i U b e z i o ,

P r o p o s a l o f a L o c a l

d c D i s t r i b u t i o n N e t w o r k

w i t h

d i s t r i b u t e d

E n e r g y

R e s o u r c e s ,

p r o c e e d i n g s

o f 2 0 0 4 1 1 t h

I n t e r n a t i o n a l

C on f e r e nc e o n h ar mo n i c s

a n d

Q u a l i t y

o f

P o w e r , p p . 3 9 7 - 4 0 2

[ 5 ] H o n g

Kong E n e r g y

E n d - u s e

D a t a 2 0 0 5 ,

E l e c t r i c a l a n d

M e c h a n i c a l

S e r v i c e s D e p a r t m e n t , Hong

Kong

SAR G o v e r n m e n t .

[ 6 ]

H e n r y

N a s u t i o n

a n d

M a t

N a w i

Wan

H a s s a n ,

P o t e n t i a l e l e c t r i c i t y

s a v i n g s b y

v a r i a b l e s p e e d c o n t r o l o f

c o m p r e s s o r

f o r a i r

c o n d i t i o n i n g s y s t e m s ,

C l e a n

T e c h n o l o g i e s

a n d E n v i r o n m e n t a l

P o l i c y ,

V o l . 8 , N o . 2 ,

May

2 0 0 6 ,

p p . 1 0 5 - 1 1 1

[ 7 ]

H i g h l y

E f f i c i e n t ,

L i g h t ,

a n d

C o m p a c t

I n v e r t e r - D r i v e n

P a c k a g e d A i r - C o n d i t i o n e r ,

M i t s u b i s h i

H e a v y

I n d u s t r i e s

L t d . ,

T e c h n i c a l

R e v i e w

V o l .

4 3 ,

N o . 2 ,

J u n e 2 00 6.

[ 8 ]

PANG

H u e y , C L O S E , J o s i e , LAM,

K . H . ,

P e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n a n d

c o m p a r i s o n

o f a


BIPV s y s t e m

w i t h

d i f f e r e n t

t e c h n o l o g i e s , P V S E C - 1 5 ,

S h a n g h a i ,

C h i n a ,

O c t o b e r

2 0 0 5

[ 9 ]

H .

A s a h a r a ,

Y .

T a k e u c h i ,

H .

S u g i h a r a ,

H .

S a s a k i ,

K .

K a w a h a r a ,

T .

M a s u d a ,

Y . Z o k a ,

N .

Y o r i n o ,

V a l i d a t i o n o f

a Ne w

O u t a g e

W o r k

P l a n n i n g

M e t h o d B a s e d o n

S y s t e m

C o n f i g u r a t i o n S e a r c h i n g T e c h n i q u e

f o r

M a i n t a i n i n g

H i g h s u p p l y R e l i a b i l i t y ,

c o n f e r e n c e

p r o c e e d i n g s

o f

I n t e r n a t i o n a l

C o n f e r e n c e

o n

E l e c t r i c a l

E n g i n e e r i n g 2 0 0 6 ,

K o r e a

1 1 9

o f 2 8 8

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DC ELECTRICAL DISTRIBUTION SYSTEMS IN BUILDINGS