直流微網多電壓等級劃分探究

鮑韋晴，郭權利

（沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110000）

0 引 言

近年來，電力電子技術飛速發展，隨之電源側和負荷側也都有直流化的趨勢。光伏發電等新能源分布式電源發展快速，這些電源發出直流電，為減少轉換損耗，電源側逐漸向直流轉變。現在越來越多的設備基于直流進行供電，如電動汽車充電樁、LED照明、數碼產品等智能化、數字化的低壓設備，且隨著數字化時代對電能質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點，如線路成本低、損耗小、安全性高、便于并網等，因此受到了國內外學者的廣泛關注。

怎樣選擇合適的電壓等級，使它能夠適應高速發展的經濟和滿足用戶日益增長的供電需求是電網規劃中具有實際意義的研究課題。現有關于直流配電電壓等級已有一定方向，但具體的設想還應經過工程實踐的驗證。雖然已有一些標準，但這些標準的考慮因素繁雜，仍需一個統一的標準，且民用直流微網的電壓等級可以從以下幾個方面考慮，如國家標準、行業標準以及經濟性等[1-4]。本文從以上方面建立了一個可以適用于民用建筑電壓等級的規范。

1 電壓等級的考慮因素

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

1.1 單相交流負荷的供電需求

目前，大部分低負荷工作方式為單相或三相低壓交流電。為了保證供電質量，直流微網也需根據負荷確定直流電壓等級。直流經逆變為交流，從而可以給交流負荷供電。但單相交流負荷容量較小，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可以解決單相交流負荷的供電需求。一般家庭交流電壓等級為交流220 V，取U%=5%，計算得直流電壓等級應為257 V，因此直流電壓等級建議選取直流260 V。

1.2 直流負荷的供電需求

生活中常用的直流電器有LED燈、手機、熱水器、直流電冰箱以及直流空調等，此外打印機和電腦等辦公設備也可以使用直流電。這些負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行成本，應盡量減少直流電壓等級的變壓次數，也可為各類直流設備提供參考標準。對直流電壓等級的要求應當保證供電效率并符合常見的直流設備，也應當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。對于小功率直流設備，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備或小功率工業設備，采用直流240 V或400 V電壓等級；對于大功率工業制造業設備，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，電壓等級可根據家庭具體直流負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P=UI可得輸送容量與直流電壓成正比。可根據《電能質量供電電壓允許偏差》得出直流線路的電壓損耗率規定值，從而得出線路損耗率。確定線路參數后可計算出供電距離L，從而求出供電容量P。

根據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內電壓等級基本可以為48～100 V。

2.2 根據“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。根據國際電工委制定的電壓等級標準原則，得出相鄰電壓等級比值不小于2。在50～150 kV的電壓范圍內，相鄰電壓等級的比值應大于5。“幾何均值”的作用是降低電網運行費用，提高電網經濟性。因此，要使得電壓等級之間應互為“幾何均值”，以保證各個電壓等級之間的的經濟性。“舍二求三”原則是指各電壓等級之間的倍數應當盡可能接近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缺點。單極傳輸建設成本低，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。雙極傳輸的供電容量和供電距離也遠好于單極傳輸。

3.2 多個電壓等級

對于民用直流電，應根據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行試驗分析，得到最優電壓等級。根據電能質量，可分成1至多個電壓等級，但不應超過3個。民用生活或辦公直流電通常可以設定為兩個電壓等級。根據以上思路，可以選擇24/260 V額定電壓。

4 電壓等級可行性分析

以家庭或農村直流微網為例，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性，將電壓等級的特性賦予指標進行模糊計算。本文主要考慮適應性指標和經濟影響因素，并將這兩種因素進行量化處理，得到更明顯的評估結果，然后將評估結果構成多維模糊評估矩陣。

4.2 綜合評估結果

依據第4.1章節給出的判定指標進行模糊評估矩陣計算，得出評估結果為[0.756,0.816,0.865]。表明雙電壓等級24/260 V方案適應性最強，±30 V方案第二，60 V方案第三。該方法能清楚體現各種輸電方式的優缺點，可以根據用戶的具體需求進行選擇[5]。

5 結 論

本文根據影響直流電壓等級的主要因素，考慮直流輸電的經濟性，將直流電壓等級標準化，確定了直流電壓等級標準化的必要性。考慮新建和擴建直流電網接入原有直流電網的情況并使之成為可能。根據直流輸電容量與輸電距離，將直流電網的投資運行成本、設備制造以及直流電網電流限制等多種因素考慮在內，提出直流電壓等級確定方法，提高了直流微網的適應性和可拓展性，從長遠考慮對直流電網的發展和運行都有一定的積極作用。

此外，根據本文提出的計算方法可計算出任何情況下所適用的不同電壓等級，后再用進行可行性分析得出最終選擇的電壓等級，也可根據項目需求適當修改可行性系數從而得出更加適合項目需求的電壓等級。