直流微網(wǎng)多電壓等級劃分探究

鮑韋晴，郭權(quán)利

（沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110000）

0 引 言

近年來，電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，隨之電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)也都有直流化的趨勢。光伏發(fā)電等新能源分布式電源發(fā)展快速，這些電源發(fā)出直流電，為減少轉(zhuǎn)換損耗，電源側(cè)逐漸向直流轉(zhuǎn)變。現(xiàn)在越來越多的設(shè)備基于直流進(jìn)行供電，如電動(dòng)汽車充電樁、LED照明、數(shù)碼產(chǎn)品等智能化、數(shù)字化的低壓設(shè)備，且隨著數(shù)字化時(shí)代對電能質(zhì)量和供電可靠性的要求，配電室直流化是必然趨勢。除此之外，直流還有非常多的優(yōu)點(diǎn)，如線路成本低、損耗小、安全性高、便于并網(wǎng)等，因此受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

怎樣選擇合適的電壓等級，使它能夠適應(yīng)高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)和滿足用戶日益增長的供電需求是電網(wǎng)規(guī)劃中具有實(shí)際意義的研究課題。現(xiàn)有關(guān)于直流配電電壓等級已有一定方向，但具體的設(shè)想還應(yīng)經(jīng)過工程實(shí)踐的驗(yàn)證。雖然已有一些標(biāo)準(zhǔn)，但這些標(biāo)準(zhǔn)的考慮因素繁雜，仍需一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，且民用直流微網(wǎng)的電壓等級可以從以下幾個(gè)方面考慮，如國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)性等[1-4]。本文從以上方面建立了一個(gè)可以適用于民用建筑電壓等級的規(guī)范。

1 電壓等級的考慮因素

直流微網(wǎng)的效率跟設(shè)備容量與電壓等級密切相關(guān)。同時(shí)，合理的民用直流電壓等級也決定了民用直流設(shè)備的發(fā)展方向，因此本文將從以下方面對直流電壓等級的選擇進(jìn)行討論。

1.1 單相交流負(fù)荷的供電需求

目前，大部分低負(fù)荷工作方式為單相或三相低壓交流電。為了保證供電質(zhì)量，直流微網(wǎng)也需根據(jù)負(fù)荷確定直流電壓等級。直流經(jīng)逆變?yōu)榻涣鳎瑥亩梢越o交流負(fù)荷供電。但單相交流負(fù)荷容量較小，可忽略三相平衡問題直接由直流供電。

直流的電壓等級受到交流電壓等級的影響，同樣說明直流微電網(wǎng)可以解決單相交流負(fù)荷的供電需求。一般家庭交流電壓等級為交流220 V，取U%=5%，計(jì)算得直流電壓等級應(yīng)為257 V，因此直流電壓等級建議選取直流260 V。

1.2 直流負(fù)荷的供電需求

生活中常用的直流電器有LED燈、手機(jī)、熱水器、直流電冰箱以及直流空調(diào)等，此外打印機(jī)和電腦等辦公設(shè)備也可以使用直流電。這些負(fù)荷的額定電壓一般不高，所接入額定電壓基本為直流24 V或48 V。

為了降低投資成本和運(yùn)行成本，應(yīng)盡量減少直流電壓等級的變壓次數(shù)，也可為各類直流設(shè)備提供參考標(biāo)準(zhǔn)。對直流電壓等級的要求應(yīng)當(dāng)保證供電效率并符合常見的直流設(shè)備，也應(yīng)當(dāng)具有一定的電壓變換靈活性，使特殊電壓等級通過電壓變換接入系統(tǒng)。對于小功率直流設(shè)備，建議采用直流24 V或48 V電壓等級；對于民用大功率直流設(shè)備或小功率工業(yè)設(shè)備，采用直流240 V或400 V電壓等級；對于大功率工業(yè)制造業(yè)設(shè)備，建議采用直流690 V或750 V電壓等級。由于本文針對民用建筑，電壓等級可根據(jù)家庭具體直流負(fù)荷的額定電壓選擇適合的額定電壓。

2 電壓等級的選擇

2.1 根據(jù)供電能力選擇

線路的供電容量和供電距離決定了這條線路的供電能力，根據(jù)P=UI可得輸送容量與直流電壓成正比。可根據(jù)《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》得出直流線路的電壓損耗率規(guī)定值，從而得出線路損耗率。確定線路參數(shù)后可計(jì)算出供電距離L，從而求出供電容量P。

根據(jù)家庭總用電器的平均最大功率，建筑面積和供電距離可確定電壓等級的范圍。民用建筑300 m2內(nèi)電壓等級基本可以為48～100 V。

2.2 根據(jù)“幾何均值”和“舍二求三”原則

電壓等級的選擇通常要考慮“幾何均值”，并符合“舍二求三”原則。根據(jù)國際電工委制定的電壓等級標(biāo)準(zhǔn)原則，得出相鄰電壓等級比值不小于2。在50～150 kV的電壓范圍內(nèi)，相鄰電壓等級的比值應(yīng)大于5。“幾何均值”的作用是降低電網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用，提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性。因此，要使得電壓等級之間應(yīng)互為“幾何均值”，以保證各個(gè)電壓等級之間的的經(jīng)濟(jì)性。“舍二求三”原則是指各電壓等級之間的倍數(shù)應(yīng)當(dāng)盡可能接近3倍，并不能采用電壓等級比值小于2倍的電壓等級。

3 輸電方式的選擇

3.1 單極傳輸和雙極傳輸

直流電的傳輸方式分為單極傳輸和雙極傳輸，兩種傳輸方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。單極傳輸建設(shè)成本低，但傳輸容量容易受到入地電流的制約，可靠性較低；雙極傳輸建設(shè)成本高，但容量大，靈活性好和可靠性高。雙極傳輸如圖1所示。

圖1 雙極傳輸圖

若考慮成本則選擇單極傳輸60 V，若考慮穩(wěn)定性則選擇±30 V，選擇±30 V可以方便以后加入直流24 V的電器。雙極傳輸?shù)墓╇娙萘亢凸╇娋嚯x也遠(yuǎn)好于單極傳輸。

3.2 多個(gè)電壓等級

對于民用直流電，應(yīng)根據(jù)家用電器的功率來確定直流電壓等級，將多種常見家用電器的功率進(jìn)行試驗(yàn)分析，得到最優(yōu)電壓等級。根據(jù)電能質(zhì)量，可分成1至多個(gè)電壓等級，但不應(yīng)超過3個(gè)。民用生活或辦公直流電通常可以設(shè)定為兩個(gè)電壓等級。根據(jù)以上思路，可以選擇24/260 V額定電壓。

4 電壓等級可行性分析

以家庭或農(nóng)村直流微網(wǎng)為例，所用直流電器多為12 V和24 V，交流電器多為220 V。綜上電壓等級的選擇有3種方案：一是直流60 V，成本較低；二是±30 V，穩(wěn)定性高，便于接入24V電器；三是24/260 V，便于接入24 V和交流電器。

4.1 適應(yīng)性評估

評估直流60 V、±30 V以及24/380 V電壓等級方案的適應(yīng)性，將電壓等級的特性賦予指標(biāo)進(jìn)行模糊計(jì)算。本文主要考慮適應(yīng)性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)影響因素，并將這兩種因素進(jìn)行量化處理，得到更明顯的評估結(jié)果，然后將評估結(jié)果構(gòu)成多維模糊評估矩陣。

4.2 綜合評估結(jié)果

依據(jù)第4.1章節(jié)給出的判定指標(biāo)進(jìn)行模糊評估矩陣計(jì)算，得出評估結(jié)果為[0.756,0.816,0.865]。表明雙電壓等級24/260 V方案適應(yīng)性最強(qiáng)，±30 V方案第二，60 V方案第三。該方法能清楚體現(xiàn)各種輸電方式的優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)用戶的具體需求進(jìn)行選擇[5]。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)影響直流電壓等級的主要因素，考慮直流輸電的經(jīng)濟(jì)性，將直流電壓等級標(biāo)準(zhǔn)化，確定了直流電壓等級標(biāo)準(zhǔn)化的必要性。考慮新建和擴(kuò)建直流電網(wǎng)接入原有直流電網(wǎng)的情況并使之成為可能。根據(jù)直流輸電容量與輸電距離，將直流電網(wǎng)的投資運(yùn)行成本、設(shè)備制造以及直流電網(wǎng)電流限制等多種因素考慮在內(nèi)，提出直流電壓等級確定方法，提高了直流微網(wǎng)的適應(yīng)性和可拓展性，從長遠(yuǎn)考慮對直流電網(wǎng)的發(fā)展和運(yùn)行都有一定的積極作用。

此外，根據(jù)本文提出的計(jì)算方法可計(jì)算出任何情況下所適用的不同電壓等級，后再用進(jìn)行可行性分析得出最終選擇的電壓等級，也可根據(jù)項(xiàng)目需求適當(dāng)修改可行性系數(shù)從而得出更加適合項(xiàng)目需求的電壓等級。