蔡冰倩， 贾利虎， 朱永强， 王银顺

(新能源电力系统国家重点实验室， 华北电力大学， 北京 102206)

直流微电网电压等级序列选择的影响因素研究

蔡冰倩， 贾利虎， 朱永强， 王银顺

(新能源电力系统国家重点实验室， 华北电力大学， 北京 102206)

直流微电网是未来智能电网的重要组成部分。目前，国内外关于直流微电网电压等级选择的研究还不够深入。本文在借鉴传统交流配电网电压等级序列优化选择的基础上，分析了负荷的供电需求、分布式电源的接入需求、直流设备的制造水平、供电问题、绝缘接地问题以及电磁兼容问题等影响因素，给出了在考虑各影响因素下的电压等级制定建议，并从经济性层面上介绍了电压等级序列与成本之间的关系。最后，以家用型直流微电网为例，设计了其电压等级序列，说明了其经济性优势，这也为其他类型的直流微电网设计提供了借鉴。

直流微电网； 直流电压等级； 影响因素； 经济性分析

1 引言

随着电力电子技术和可再生能源发电技术的发展，直流配电系统重新引起了人们的关注，尤其是作为其重要组成单元的直流微电网也成为近年来的研究热点。但目前针对直流微电网电压等级选择的研究还不够成熟，尚未形成一定的理论体系，相关研究文献也较少。

国外文献对于直流微电网的电压等级选择进行了一定的研究，但多集中在对某一实际应用场合下的电压等级进行设计。例如，文献[1]中指出DC380V可以给交流配电网、厨房负荷以及其他家用电器供电，且多存在于输入端有功率校正装置的家用电器设备，以匹配工业标准中的中间直流电压；DC48V可以向小型桌面设备、娱乐设备、LED照明设备等供电，且和标准的通信电压等级一致，具有使用方便、效率高的优点。文献[2]对居民用电和商业用电的电压等级进行了分析，得出DC400V是商业用电的最佳电压等级，DC48V是居民用电的最佳电压等级。文献[3]研究了广泛应用于电信领域的DC260V和DC400V直流微电网电压等级。

国内文献对于直流微电网电压等级选择的研究还处于起步阶段，多集中在一些理论的广义分析，缺少建设性研究。例如，文献[4]指出当前直流配电网电压等级的选择方法尚未有定论，需进一步的探索研究。文献[5,6]从不同电压等级的换流站造价、电缆造价、传输损耗、运行费用、总工程投资以及投资回报等经济性指标出发，对于直流输电网电压等级序列的选择问题进行了一定的研究，但是针对低压直流配电网中电压等级序列的研究较少。文献[7]以负荷需求为基本出发点，提出了高中低压相配合的直流配电网电压等级序列，但对于低压直流微电网内部电压等级选择方面的分析较少。

合理选择电压等级能够降低网损、减少资源损耗、节约土地、提高配电网运行的稳定性和经济性。本文在借鉴传统交流配电网电压等级选择经验[8](如经典的“几何均值”规律和“舍二求三”原则)的基础之上，结合国内外直流供电工程，分析了影响直流微电网电压等级序列选择的各种因素，并以家用型直流微电网为例，设计了其电压等级序列，验证了其经济性优势，也为其他应用场合中的直流微电网电压等级序列设计提供了借鉴。

2 直流微电网电压等级选择的影响因素

直流微电网电压等级序列的合理设计关系着整个配电系统的运行效率，并影响着未来电网的发展。直流微电网的电压等级选择涉及多个因素，本文将从以下几个方面展开讨论。

2.1 负荷的供电需求

(1)交流负荷的接入问题

按照目前已有低压负荷的供电方式考虑，可知大部分负荷的工作电压为单相或者三相低压交流电。为了保证这些负荷的正常供电，直流微电网应存在相对应的直流电压等级，在其逆变后可直接给交流负荷供电。

1)三相交流负荷的供电需求

直流微电网与三相交流负荷之间的变流器选择三相逆变器，以满足三相负荷的供电需求。已知三相变流器的交、直流侧电压关系为Ud=Ul/0.816(其中，Ul为交流线电压)[9]，若考虑线路的电压降落要求，则直流线路电压Ud0_3的取值应满足：

(1)

式中，ΔU%为电压损耗率。例如，三相交流负荷的工作电压为AC380V，取ΔU%=5%，则三相变流器所接线路直流电压Ud0_3的范围为：

因此，建议选用DC500V。

2)单相交流负荷的供电需求

单相交流负荷有两种供电方式：①由三相交流负荷的供电侧直接供电；②由直流线路经单相逆变器进行供电。方式①仅适用于直流微电网中含有三相交流负荷，且单相交流负荷容量相对较小的情况；当单相交流负荷容量较大时，考虑到三相平衡问题，其供电方式应采用方式②。

已知单相变流器的交、直流侧电压关系为Ud=Uo/0.9(其中，Uo为交流电压)[9]，则单相变流器所接直流线路电压Ud0_1的取值应满足：

(2)

例如，单相交流负荷的工作电压为AC220V，取ΔU%=5%，则由式(2)可知直流线路的电压等级范围为：

因此，建议选取DC260V。

(2)直流负荷的供电需求

按照应用场合的不同，直流微电网中的直流负荷可分为民用负荷、办公负荷和商用负荷。

1)民用负荷、办公负荷

常见的民用直流负荷有LED灯、手机、热水器、直流电冰箱、直流空调等。打印机、电脑等办公设备也可以使用直流电。这些负荷多为小功率负荷，可接入DC24V、DC48V[10]的直流线路。

2)商用负荷

商用负荷一般为大功率直流负荷，例如小型直流电动机、有轨电车、舰船、企业数据中心、电动汽车等，调研发现不同类别的商用直流负荷的工作电压相差较大，同类商用直流负荷的工作电压也大小不一，如表1所示。

表1 常见商用直流负荷的工作电压Tab.1 Supply voltage of common DC loads in commerce

为了规范各类直流负荷的生产标准，并本着尽可能减少电能变换的次数、降低投资成本的原则，所制定的直流微电网电压等级应尽量符合一些常见负荷的接入需求，且便于不符合接入标准的负荷进行调整。本文建议，对于民用和办公用的小功率直流负荷接入，制定DC24V、DC48V电压序列；针对中小功率的商业负荷，制定DC240V、DC400V电压序列；对已有成熟制造产业的大功率直流负荷，制定DC690V、DC750V电压序列。

2.2 分布式电源的接入需求

分布式电源(Distributed Generation，DG)是直流微电网的主要供电电源，其输出电压一般不满足直接入网要求，多经变流器变压后接入直流电网。这不仅造成了能源损耗，增加了故障源，也增大了微电网的建设成本。

为了缓解上述不足，满足DG接入需求，直流微电网所制定的电压等级应与DG的输出电压相匹配。常见的DG有风力发电、光伏发电和储能装置，其输出电压如表2所示。

大功率风电输出交流电，需经三相变流器整流后接入直流电网，由式(1)可以得出大功率风电所接直流线路的电压应大于890.1V(ΔU%=5%)，建议选取DC900V。

表2 常见DG的输出电压Tab.2 Output voltage of common DGs

小功率风电的内部集成有变流器，输出直流电。但由于生产厂家较多，且缺少统一标准，其输出电压大小不一(见表2)。光伏发电系统由多个光伏组件串、并联，其输出电压与单个组件电压及其串联数量有关，因此光伏发电系统的输出电压可根据并网点电压进行调整，且一般接入高电压等级线路。铅酸蓄电池、超级电容器和飞轮储能也输出直流电，但单个储能装置的输出电压较小，一般采用多个装置串、并联后直接接入或经过DC/DC变换器变压后接入连接点，因此储能装置可接入多个直流电压等级线路。

由上述分析可知，光伏发电、储能装置的输出电压可变，接入需求低，可不作考虑。因此，为满足小功率风电的直接接入需求，建议制定DC48V、DC96V、DC120V和DC240V直流电压等级序列。

2.3 直流设备的制造水平

直流微电网的设备组成与交流电网相似，包括直流断路器、变流器、直流控制设备和保护设备。直流设备的工作电压范围直接影响着直流微电网电压等级的选择，同时，确定的直流电压等级也就决定了这些设备的电压设计和制造标准。本文以变流器和直流断路器为例，说明直流设备对直流电压等级制定的影响。

(1)变流器的工作电压

在直流微电网中，变流器是各母线之间、DG和母线之间、负荷和母线之间的重要桥梁，包括AC/DC变换器和DC/DC变换器。AC/DC变流器用于交流负荷、交流输出DG与直流线路的互联，DC/DC变流器用于各直流线路之间、直流输出DG和线路之间、直流负荷和线路之间的互联。当前变流器的制造水平较为成熟，工作电压范围大，基本可以满足各种直流电压等级的需求[11]，例如ABB公司生产的DCS800整流器的输入电压为AC230V～AC1200V，输出为DC310V～DC1590V。

(2)直流断路器的工作电压

在直流微电网中，直流断路器是承载正常供电电流，并在规定时间内开断直流运行回路正常电流以及故障电流的开关设备[4]。鉴于直流微电网的起步较晚，适用于微电网的直流断路器还处于发展阶段，其中文献[12]指出DC800V及以下的直流断路器技术相对成熟，例如北京开关厂生产的DC250V、DC500V、DC750V和西门子公司的DC220V、DC440V、DC800V直流断路器。

2.4 供电问题

(1)供电能力

供电能力是指线路供电容量和供电距离。根据直流输电线路功率表达式P=UI可知，在线路电流一定的情况下，输送容量与直流电压成正比。由文献[7]可知，直流线路的电压损耗率和线路损耗率在数值上是相等的，可根据《电能质量供电电压允许偏差》得出直流线路的电压损耗率规定值。因此，当线路参数确定时，可根据式(3)计算出供电距离L，将L代入式(4)求出线路的供电容量P。

(3)

(4)

式中，lloss为线路损耗率；ρ为电阻率(Ω·m)；J为经济电流密度(A/mm2)；UN为直流电压等级(V)；S为线路截面积(mm2)。

假设线路为铝芯电缆，ρ=2.826×10-8Ω·m，J=1.92A/mm2，lloss=ΔU%=5%，可估算出直流微电网中各电压等级的供电距离和供电容量，如表3所示。

表3 各直流电压等级的供电容量和距离Tab.3 Capacity and distance of power supply for different DC classes

(2)供电电压质量

直流线路采用单极式供电时不涉及无功功率，线路的电压降落表达式为ΔU=PR/UN，可以看出，如果保持线路参数和输送容量不变，电压等级提高一倍，电压降落变为原来的1/2。例如家庭用户功率为6kW，若采用线路电阻约为0.5Ω的DC400V进行供电，则其电压降落为7.5V，电压损耗率为1.875%，而采用具有相同线路电阻的DC200V供电时，其电压降落为15V，电压损耗率为3.75%。

2.5 绝缘接地问题

(1)直流系统接地设计

直流系统中的接地方式按照接地极性分为正极接地和负极接地，其中正极接地可能使保护及自动装置误动作，负极接地可能使保护自动装置拒绝动作。由此看出直流系统接地故障的危害很大，不仅对设备不利，也会对整个系统的安全构成威胁。我国《特低电压(ELV)限值》规定，无高度触电危险建筑物的安全电压值为AC65V，因此需要对直流微电网中相对高于此限值的部分进行接地保护设计。

美国电力研究协会 (Electric Power Research Institute，EPRI)给出的直流电网接地保护方案如图1所示。采用三线制供电，将400V直流电压分解为+200V和-200V，这样可以使正负极对地电压减小为两线制时的一半；变压器二次侧中性点、整流器的中性点和电气设备的外壳通过地线连接后，经接地电阻与大地相连。由IEC23EWG2可知，采用±200V中线接地的直流系统的安全性优于220V交流系统。

图1 直流微电网的接地保护设置Fig.1 Ground protection installation for DC microgrid

因此，为保证用户安全和电器安全，给出以下建议：以DC48V为分界线，超过部分设置接地保护，低于部分不再设置接地保护。

(2)直流线路绝缘设计

由于直流微电网多建设在城市地区，而城市地上空间有限，采用架空线路会占用过多的空间资源，因此直流微电网多采用直流电缆供电。根据直流电缆的电场分布特性和绝缘特性可以得出，电压U增大，电场强度E增大，绝缘材料的电阻率ρ变小，电缆的绝缘性减弱；而过压时，绝缘材料易被击穿。另外，直流线路的绝缘特性还与线路电流、环境温度有较大关系，通过电流过大时，热效应明显，线路的绝缘材料容易老化。

参考交流低压电缆绝缘设计规范，给出了直流电缆绝缘水平选择的参考值，如表4所示。其中U0为缆芯对地额定电压值，U为正负极缆芯之间电压的额定值。

表4 直流电缆的绝缘水平参考Tab.4 Reference of insulation level for DC cable

2.6 电磁兼容问题

直流微电网中使用了大量变流器。在工作过程中，变流器中的二极管、IGBT等开关器件的高频开关动作会产生很大的du/dt和di/dt冲击，而电脑、手机等直流敏感设备极易受到电磁干扰的影响。据此本文给出以下建议：采用高电压的大功率电动调速设备以及大容量的变流器，应与敏感性负荷保持一定的安全距离，以减少电磁干扰。但直流微电网线路的电压等级较低(小于1000V)，因此其对用电负荷的电磁干扰可不予考虑。

3 经济性分析

为了提高直流微电网的经济性，在考虑各种影响因素下制定的直流电压等级序列所对应的直流微电网应具有经济优越性。这里的经济性是指微电网的建设成本、运行成本和维护成本[5]相对较少。

(1)建设成本

直流微电网的建设成本指电缆、变流器和直流断路器等设备的购买成本。在过流能力相同时，直流电缆的电压等级越高，其输送容量越大，能够供电的负荷功率就越大，造价也就越高。假设电缆的单价为m0，输送距离为L，则电缆的购买总成本Cl=m0L。

调研发现，在通流能力一定的情况下，变流器的额定电压越高，容量越大，相应的成本也就越高。因此，变流器的价格与其额定电压呈正相关关系。若变流器的单位容量价格为mv，额定容量为Pv，则单个变流器的购买成本Cv=mvPv。

直流线路的电压等级直接决定着直流断路器极数选择，且电压越高，所需极数越多，价格也就越高；另外直流断路器的通断电流能力与其工作电压也呈正相关关系，耐压和过流能力越高，成本也越高。若直流断路器的额定电压为Ur，则单个购买成本Cr=mrUr，其中mr为相关系数。因此合理选择直流微电网的电压等级能够有效减少直流设备的投资，降低建设成本。直流微电网的建设成本Cb为：

Cb=Cl+Cv+Cr=m0L+mvPv+mrUr

(5)

(2)运行维护成本

1)运行成本

直流微电网的运行成本主要指能量损耗成本，包括线路损耗和变流器损耗两个方面。

已知线路损耗ΔPl_loss=llossPl，Pl为线路输送容量。设单位千瓦时的价格为m1，系统运行年限为n，则线路损耗成本Cl_loss为：

在保持线路参数和输送功率不变的情况下，电压等级提高1倍，线路损耗成本减少为原来的1/4。

变流器损耗主要指开关损耗和导通损耗，开关损耗受控制方式影响，导通损耗则与流过的电流有关。当变流器传输功率不变时，电压等级越高，电流越小，导通损耗也就越小。已知变流器损耗率ηloss和变流器转换效率ηc的关系为：ηloss+ηc=1，则变流器损耗成本Cc_loss为：

可知，变流器的转换效率越高，损耗成本越小。

变流器的转换效率与电压等级有关，但由于变流器的转换效率受器件制造工艺、控制技术、应用环境等因素的影响，因此很难确定两者之间的数学表达式。本文经过大量的调研得出在不同场合、不同电压等级下的变流器损耗率，如表5所示。在传输功率一定的情况下，对于相同结构的变流器组合，电压等级越高变流器转换效率越大。

表5 各种应用场合下不同电压等级的变流器损耗率Tab.5 Converter loss rate in different applications and DC classes

2)维护成本

已知微电网的维护成本与输送功率近似呈正相关关系。考虑到直流微电网的电压等级较低，输送功率较少，因此直流微电网的维护成本可近似表示为Cm=0.02m1Ptn，其中Pt为系统的输送功率。

综上所述，直流微电网系统的运行维护总成本Closs为：

(6)

(3)直流微电网的经济性分析

从上述分析可知，电压等级越高，直流电网的建设成本越高，运行维护成本则越小。因此，在制定直流微电网的电压等级时，应充分考虑其与建设成本、能量损耗成本之间的关系，使所设计的直流微电网总成本较少，以提高系统的经济性。直流微电网的总成本Ct可表示为：

(7)

式中，i代表电压等级序数；m为电压等级总个数。

4 家用型直流微电网电压等级序列的选择

本文以家用型直流微电网为例，在综合考虑直流微电网电压等级序列选择的各种影响因素下，设计了其直流电压等级序列，并说明了该电压等级序列的经济性优势。

4.1 直流电压等级序列的选择

家用型直流微电网中的负荷主要包括小功率的LED灯、手机、电脑和大功率的电动汽车等直流负荷，以及冰箱、洗衣机等单相低压交流负荷；DG有小功率的风电、光伏电池和储能装置。

为了便于上述直流负荷、DG接入直流微电网，为其选择DC24V、DC48V、DC260V、DC400V的电压等级序列。其中，DC24V和DC48V用于小功率直流负荷和小功率风电的接入；DC260V用于单相低压交流负荷经变流器变换后接入；DC400V用作各家庭用户之间互联的母线，也用于具有相同工作电压的电动汽车的直接接入，另外，光伏发电系统和直流储能装置的输出电压也可按相近的电压水平设计，并经DC/DC变流器后接入此电压等级。此外，考虑到高电压等级变流器的损耗率小，因此线间变流器的高压侧也与DC400V母线相连。调研发现，市场上已有DC250V和DC440V的直流断路器，这也验证了所选直流电压等级序列的可行性。

在接地保护方面，DC48V、DC260V和DC400V线路以及外壳导电的设备通过地线相连后，再经由主接地条(MGB)与大地相连。本例中的家用型直流微电网结构如图2所示[13]。

图2 家用型直流微电网结构图Fig.2 Structure chart of home DC microgrid

4.2 直流微电网的经济性分析

通过对当前直流设备生产厂家的调研，列出了所选直流电压等级序列对应的YJV电缆、变流器和直流断路器的单位投资成本、输电容量和距离，如表6所示。

表6 直流微电网的单位投资成本、 输电容量和距离Tab.6 Unit investment, transmission capability and distance of DC microgrid

参照表5，取DC260V及以下电压等级中的变流器损耗率为8.6%。若设m1=0.4883元/(kW·h)，将表6中的电缆单价(m0)等数据代入式(5)、式(6)，可计算出家用型直流微电网的建设总成本Cb和年运行维护总成本Closs_a分别为：

Cb=m0L+mvPv+mrUr=39.54(万元)

Closs_a=m1(llossPl+ηlossPv+0.02Pt)=4.68(万元)

因此，采用本例所选电压等级序列时，家用型直流微电网的总成本为：

Ct1=39.54+4.68n

值得注意的是，当家用型直流微电网中的负荷工作电压和DG输出电压较小时，可省去DC400V电压等级，此时系统的Cb=13.39万元，Closs_a=1.7万元，对应的微电网总成本Ct2=13.39+1.7n。当微电网中无超低压直流负荷，则可去掉DC24V电压等级，对应的Cb=39.15万元，Closs_a=4.63万元，微电网系统总成本Ct3=39.15+4.63n。

而采用当前工程中常用的DC750V、DC400V、DC48V、DC24V电压等级序列时，家用型直流微电网总成本为：

Ct4=121.12+11.90n

经比较可知，考虑各种影响因素下选择的电压等级序列所对应的直流微电网总成本明显低于目前工程中常用直流电压序列的微电网成本，验证了其经济性优势。另外，在实际应用时，可根据所设计场景的具体需求增减电压等级，例如，无大电压负荷的直流微电网可省去DC400V电压等级、无超低压负荷的微电网可不用DC24V电压等级，这不仅能降低直流微电网成本，同时也增加了系统的可靠性。

5 结论

借鉴传统交流配电网电压等级制定方法，结合对当前直流微电网工程的调研，本文详细分析了负荷的供电需求、分布式电源的接入需求、直流设备的制造水平、供电问题、绝缘接地问题和电磁兼容问题等直流微电网选择电压等级序列的影响因素，同时给出了考虑上述影响因素时选择电压等级的建议。另外，从直流微电网的建设成本、运行维护成本出发，对电压等级序列的经济性进行了分析，给出电压等级与直流微电网总成本之间的关系。最后以家用型直流微电网为例，设计了其电压等级序列，并与目前工程中常用电压等级序列的微电网成本进行了比较，说明了其经济性优势，也为其他类型的直流微电网电压等级的制定提供了参考。

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Research on influence factor of voltage class series option in DC microgrid

CAI Bing-qian, JIA Li-hu, ZHU Yong-qiang, WANG Yin-shun

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources,North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

DC microgrid is an important part of future smart grid. Recently, researches on the selection of voltage class series in DC microgrid are not profound enough at home and abroad. Based on the references of optimum option of voltage class series in traditional AC distribution network, this paper analyzes various kinds of influence factors, such as the power demands of the loads, the access requirements of the DGs, the manufacture levels of the DC equipments, the power supply problems, the insulation and grounding problems, and the electromagnetic compatibility problems, etc. The paper gives some advices for the selection of voltage class considering the above influence factors, and then introduces the relation between voltage class series and cost from the aspect of economy. Finally, taking home microgrid as an example, the paper designs its voltage class series, and verifies its economy superiority, which will provide references for designs of other types of DC microgrids.

DC microgid; DC voltage class; influence factor; economy analysis

2015-12-11

中国-丹麦政府间科技合作项目(2014DFG72620)

蔡冰倩(1991-)， 女， 河南籍， 硕士研究生， 研究方向为微电网运行与控制技术； 贾利虎(1988-)， 男， 河北籍， 博士研究生， 研究方向为新能源发电与并网技术、 微电网运行与控制技术。

TM727

A

1003-3076(2016)12-0045-07