韦巍教授:关于直流配电网低压侧电压等级选择的研究
发表时间 2018-09-11 14:10 来源 本站原创

  韦 巍

  浙江大学 电气工程学院, 浙江省杭州市 310027



韦巍教授

  摘要:直流电网成为一种高功率密度、低损耗、稳定控制简单等优点已经成为新颖的电能传输方式,它既能满足大量分布式电源并网简单接入的需求,又能适应越来越多的直流负载电器,是实现源网荷经济运行的最佳模式。然而,直流配电网的电压标准还没有形成统一意见,严重影响直流配电网的推广应用。本文从直流用电的电压需求出发,论述了目前国内外若干个主要直流用电的电压标准,并结合“高密度分布式能源接入交直流混合微电网关键技术”国家863项目的研究成果,提出了用户侧低压直流配电网的电压等级的一种选择方法,并在示范工程中得到应用。

  关键词: 直流配电网 电压等级

  0、引言

  我国是新能源规模最大、发展最快的国家,近5年来太阳能光伏的发电装机容量增长100倍,其中太阳能光伏的分布式接入尤为突出。在未来10年左右,新能源发电的电量占比还将增加一倍以上,预计会超过16%以上。此外,这几年来分布式太阳能光伏接入配电网的比例呈现指数增长。如何应对目前交流配电网供电系统面临的电能质量、供电效率以及供电稳定性等难题是有源配电网面临的挑战。然而,直流配电网具有:电能传输能力和传输质量可以提高,线路压降和线损可以下降,无功、谐波、负序、零序等问题可以减小,分布式新能源发电接入简便,变频变压等用电的成本降低等优点,已经成为解决分布式光伏等直流型新能源接入和消纳的有效途径,因此也引起国内外学者的广泛关注。国际电工委员会(IEC)成立的研究小组TC-57,研究未来直流电网的管理和信息交互问题。同时,国际大电网组织(CIGRE)2010年以来也先后成立柔性输电和直流电网的工作组,专门研究直流电网的规划、控制、保护以及电压等级等。此外,在研究机构,2011年美国北卡罗来纳大学提出了“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management(FREEDM)”系统结构,以直流供电为基础用于构建未来自动灵活的可再生能源传输和管理网络。2012年浙江大学【1】系统论述了直流配电网的发展展望。然而直流配电网低压侧的直流电压等级一直处于无序状态,由于多种用户侧直流电压等级的共存,导致直流配电网的标准化和直流电器的标准化存在困难,严重影响直流电网的推广应用。可喜的是,在我国相关高校和电力公司的推动下,国家科技部在2013年、2015年相继启动了863项目“基于柔性直流的智能配电关键技术研究与应用”和“高密度分布式能源接入交直流混合微电网关键技术”,尤其是“高密度分布式能源接入交直流混合微电网关键技术”项目实现了交直流10KV并网和560VDC用户动力和照明供电的应用,真正实现直流电网落地运行。它标志着我国直流配电网技术完成了核心装备的技术攻关、交直流配电网的系统集成和应用示范。然而,直流配电网的电压等级标准还处于调研和论证阶段,还未形成国家或行业标准。直流电压等级的确定是推广直流电网应用的主要瓶颈。目前国内讨论直流电压等级确定比较多的思路是依据目前国外特殊行业已存的直流电压等级标准,尤其是直接引用通讯行业、电动汽车充电等特殊行业的直流电压标准,这些标准直流电压难以适应国内直流电网的规模化使用,尤其是直流动力电源驱动的相关设备互联,导致动力电器改造费用增加、推广乏力,经济性和科学性存在质疑。本文全面分析了我国配电网用电范围和数量等现状,并结合国家863项目的研发实践,系统讨论了目前直流用电的若干个行业标准,探讨适应我国直流配电网供电的低压侧电压特征,提出了一种低压直流配电网的电压等级序列确定方法。该方法提出的低压侧配电网电压序列在经济性、兼容性和适应性方面都具有推广性,可以为直流配电网低压侧标准制定提供参考。

  1 国内外直流用电若干电压标准的回顾

  目前我国直流用电主要领域是轨道交通、电信与通讯、舰船供电以及最近电动汽车直流充电等。由于这类供电基本从交流供电的变换获取,考虑到行业特性没有形成统一的供电标准。



韦巍教授

   电信和数据中心的电源是目前直流供电系统的一个重要应用领域。大量电信中心、无线基站、数据中心和用户机房内的信息和通信技术(ICT)设备需要直流供电电源,早期的通讯直流电源一般为48VDC。考虑到安全、可靠性、节能和效率等因素,国际电联(ITU)制定了电信和数据通信(ICT)设备输入端电源标准ITU-T L.1200 ,规定最高直流电压为400VDC 的直流供电接口,正常电压工作范围可为260VDC -400VDC。由于不同电压等级的高压直流供电系统已有一些地区性的应用,ITU-T L.1200 提出了必要过渡期和过渡方案。明确规定过渡方案的正常电压范围为192VDC -288VDC。目前该接口电源是由市电(高/ 低压)和备用发电机组组成的交流220/380V 低压配电系统变换而来,也备有电池供电的UPS直流电源。400VDC提供数据中心直流电源已经得到很好的应用,应用表明比常规380VAC供电节省电能损耗10-20%。

  城市轨道交通也是当前直流配电的主要应用领域之一。世界各国城市轨道交通的供电电压基本都在DC500V-DC3000V之间,但其档级很多,这是由各地不同的交通形式,不同历史发展时期造成的,其中最常用的电压等级为750VDC和1500VDC。为了规范各国城市轨道交通的电压制式,国际电工委员会(IEC)、国际铁路联盟(UIC)和欧洲标准化委员会(EN),以及各国都提出了相应的标准。国际电工委员会制定的国际标准为IEC850,见表1所示。

  表1:轨道交通供电电压IEC850标准

  我国的城市轨道交通供电规范遵照《地铁设计规范》(GB50157-2003)中明确规定,国内城市轨道交通的供电制式为DC750V和DC1500V,受流方式为第三轨方式和架空接触网方式。其中:DC1500V电压较多的应用于架空接触网;DC750V电压较多的应用于接触轨。此外,随着技术的不断进步,接触轨开始推广釆用钢销复合导电轨技术,并开始采用DC1500V电压等级。

  舰船等移动载体也是直流电压供电的重要用户。在美国舰船供电中,多采用750VDC直流进行供电。但是,随着舰船电力系统容量的增大,大型舰船的出现,各种新式探测设备和武器装备的应用,都对舰船电力系统容量和生命力提出了非常高的要求。目前,中压电力系统己广泛用在大型工程舰船等。IEEE给出了舰船上中压直流电力系统的建议,指出系统的直流电压由发电机电压、推进电极电压、换流器设计、负载、标准电缆等级、效率、电弧故障共同决定,并给出建议的直流电压等级序列:1.5kV,3kV,6kV,12kV,18kV,24kV,30kV。其中1.5kV和3kV是己经投入使用的直流电压等级。其他电压等级为以后大型舰船电力牵引需求提供预留。

  直流电源的电压等级确定与应用领域的输电距离、输电功率以及经济性、可靠性、安全性等都有关系。直流配电系统将是一个包含有多个电压等级的综合配电系统。公共直流配电电压等级应适应国民经济不同行业和领域,以及人民生活的需要。从直流配电网角度来建设直流电网,应该充分考虑绝大部分用电设备的用电电压需求以及兼容性的要求,同时兼顾已有直流配电领域的应用,包括通信、铁路、舰船等行业的需要,从而全面提高电力系统的经济和社会效益。

  2 面向分布式新能源发电接入的直流配电网低压侧电压等级的思考

  目前国际上对直流输电的电压等级有很好的研究积累。直流输电电压等级的确定主要依据输电距离、输电容量以及经济性来确定,包括±320VDC 到±110VDC。然而直流配电网的电压等级还没有引起足够的重视。不过国内外相关研究组织和机构已经做了一些研究工作。瑞典哥德堡市查尔姆斯理工大学电气工程学院研究提出了四种直流电压等级:326V、230V、120V、48V。其中326V是采用目前瑞典交流配电电压等级230VAC的峰值。美国弗吉尼亚理工大学CPES研究中也提出的"Sustainable Building Inactive"直流的微网结构,其设计目的旨在满足未来居民用电的需求。该系统结构包含48VDC和300VDC两种电压等级的直流母线,使不同电压等级的负荷能够直接接入符合自身电压等级的母线,减少电力变换装置,降低损耗。文献【10】在分析各种变流器效率的基础上,重点讨论了家用或商用直流配电网的电压等级选择。研究表明在同样家用电器用电的条件下,直流120VDC和48VDC条件下的能耗比交流230VAC下可节省15%左右,尤其在没有空调等大负荷电器条件下,48VDC是一个比较节能的电压等级。在商用用电场合,400VDC直流供电下冬季和夏季的节能效果都比230VAC提升10%左右。因此,文献【10】建议400VDC和48VDC作为商用或家用直流供电电压。日本NTT公司开发出了适用于400V直流电的插排和电源插头,解决了直流电开断电弧放电及威胁人身安全的问题,致力于推动380V直流电压的标准化。我国也有提出采用传统行业低压直流标准电压的建议,包括电信行业等广泛使用的直流电压等级400VDC。此外,国家电网公司电动汽车充电设施典型设计提出二档500VDC、350VDC的标准也在考虑之列。文献【11】也较详细地分析了现有直流系统的电压应用情况,其电能使用行业还是局限于数据中心、轨道交通、通讯等特殊领域。对目前交流系统应用的广大电器装备的考虑十分少,尤其是对目前大量存在的动力电源的电压需求考虑较少。因此,本文认为,这种直流电压标准的确定缺乏普遍适用性,很有必要提出我们的思考。

  我国直流配电网低压侧直流电压等级的确定应该首先考虑现有用电设备的电压现状。我们知道,我国电能消耗主要是动力用电,约占64%,且以三相异步电动机为主。驱动三相异步电机主要采用变频调速技术,也即在目前交流供电的情况下采用交-直-交方式供电。其次是电光源用电,约占15-16%,由交流直接供电的白炽灯已趋于淘汰。节能电光源如节能灯、LED灯、无极荧光灯等均需要将交流供电经过交-直-交的变换(驱动器)后才可使用。还有其他一些供电需求,比如电动汽车充电、数据中心供电电源等。从上面分析可以看出,目前用电方式大都呈现直流形态,且主要负荷是变流器驱动的动力负荷。因此,直流配电网低压侧电压的确定首先应该考虑动力负荷的需求,以满足兼容性、可靠性和经济性的要求。考虑到工业动力用电和家庭电器用电的需求,以及与传统电器供电电压的兼容性,作者建议直流配电网电压为三线二相制,即±280VDC, 线电压560VDC刚好适合动力用电电压等级需求,280VDC可供给家庭或办公用电,也满足国际电联(ITU)制定的标准,且与交流配电网的380VAC和220VAC兼容。与国际上相关研究一致,我们提出的560VDC电压等级接近目前国家已有的400VDC电压等级,在节能和安全性方面都有优势,且在适用性方面更加突出。与文献【10】研究结论一致,对于家庭或办公用电可以继续提供48VDC电源,用于低功率家用电器供电。从制定直流配电网低压侧电压等级的原则、约束条件和理论计算等与文献【11】类似,不再展开。下面仅从安全性、经济性、兼容性、适应性四个方面分析本文提出的直流配电网电压等级序列是合理的。

  1) 安全性: ±280VDC电压等级与目前使用的380VAC交流供电电压等级处于同一生理伤害效果区域,对人的伤害风险基本相近。且这个电压适用于当前系统,并可以使用现有电缆等电气安全设备。

  2) 经济性:560VDC电压等级的绝缘、保护等完全与380VAC系统一致,可以全部使用目前大批量生产的电缆、断路器、开关等电器元件,没有增加额外的制造与生产成本。

  3) 兼容性: 兼容性是本文提出的电压等级序列的关键因素。因为我国目前64%的电能消耗在于动力电源,而动力电源大都采用变频技术的AC-DC-AC技术,实现直接DC-AC供电是直流配电网的最大优势。因此,考虑与380VAC直流母线电压537VDC兼容是实现动力设备简单替代的重要保证。这样既可以大大节省用电设备的改造成本,又可以提高直流配电网的兼容性。

  4) 适应性:考虑2个方面:一是适应目前负荷特性,如LED、家用电器直流供电等的需求;二是适应分布式新能源发电与接入的需求,比如各类分布式光伏发电电源、储能电源等的直接接入,以及交流380V配电网与该直流配电网双向输电需求,要求中间的逆变或变频环节的直流侧电压高于交流系统峰值电压。因此,560VDC既能满足逆变成交流380VAC常规电源的要求,又可满足分布式光伏等电源电压变换的需求。

  前面详细论述了低压侧直流供电电压等级确定的思想和方法。对于电压等级序列的选择应重点考虑3个因素:直流配电系统的供电半径;电气绝缘和保护;系统成本和设计难度。不同于低压直流配电系统,中压直流配电系统在各行业领域直接应用较少。因此,直流供电系统的中压电压等级选取首先需要考虑直流配电的技术特点与技术发展的适应性,既要考虑输电长度、绝缘等因素,也要考虑与现有交流中压系统的兼容性。所以,直流配电网的中压电压等级可以取10KV或12KV等。

  3 结论

  本文提出的直流配电网低压侧电压供电方式为2相3线制,电压等级为±280VDC,可以分别提供560VDC的动力直流供电电源和280VDC的家用直流供电电源。与现有低压侧交流电网具有良好的兼容性,无需电缆、开关以及驱动变流装置的改造,是直流配电网实现无缝切换应用的最佳选择。本文提出的低压侧直流配电网电压序列已经在国家863项目“高密度分布式能源接入交直流混合微电网关键技术”得到应用。其直流配电网应用示意图如图1所示。

  图1 直流配电网工业负荷供电应用示意图

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  本文得到国家电网公司科技项目,项目编号:SGZJ0000BGJS1600312,浙江省重点研发计划项目2017C01039的资助。

  A Suggestion of DC Voltage Levels for Low Voltage DC Distribution System

  Wei wei

  College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou

  Abstract: DC grid is a new efficient power transmission system with high power density, low loss and simple steady control. It either meets requirement of grid connection with the distributed new energy resources, or suitable for the larger household appliances. So, DC distribution system is one of the important application fields after the high-voltage DC transmission, and it lay the foundation for the DC grid. Starting from the usage of the DC power, the paper present a serials of DC voltage level for low voltage DC distribution system after the review on several main DC power voltage standard. The method is successfully applied in national 863 project of “Key Technique Research on High-density distribution source grid connection AC/DC hybrid micro-grid”.