IEC TR 63282《LVDC系統標準電壓和電能質量要求評估》標準解讀

摘 要：文章針對IEC TR 63282《LVDC系統標準電壓和電能質量要求評估》，分析了標準制定的背景，介紹了低壓直流電壓帶、電能質量的劃分原則，介紹了中國同里和荷蘭阿姆斯特丹的LVDC系統案例。文章敘述內容能幫助讀者更好地理解該標準。

關鍵詞：IEC TR 63282，標準電壓，電能質量，標準

0 前 言

近年來，隨著分布式發電的快速發展以及電力電子變換技術的進步與成本降低，越來越多的直流配電項目投入商業運營，直流配電議題受到了世界各國的廣泛關注[1-5]。在電源是直流源，負荷是電腦、變頻空調等直流用電設備的情況下，LVDC系統可減少大量不必要的交直流轉換環節，電源接入更加靈活，電力輸配更加可靠，負荷利用更加高效。LVDC系統對于發展中國家而言，能夠解決其電力獲取困難的難題，對于發達國家而言，能夠為其發展綠色、可持續能源，促進節能減排等問題提供優質的解決方案，同時也大大提升了LVDC系統的商業價值。

然而，與交流系統相比，目前LVDC系統還未劃分明確的標準電壓等級，這是目前制約其發展、推廣的關鍵問題之一。目前的LVDC系統由于地理位置和應用方式的差異，存在各種各樣的電壓標準，難以支撐相關電氣設備制造行業的發展以及系統的設計。制定明確的LVDC系統電壓等級，有助于推動可再生能源、電力電子、智能家電、綠色建筑等產業的發展，有助于促進交流配電網向直流配電網轉變，助力能源轉型，建設以新能源為主體的新型電力系統。目前，國內外已建設有多個LVDC系統的試點示范工程，國內有江蘇同里直流配電工程、國網雄安新區直流示范屋、深圳“光儲直柔”建筑供配電系統，國外荷蘭建有阿姆斯特丹可持續樓宇示范項目等。

目前交流系統對電能質量的研究已經相當完善，而直流配電系統的許多電能質量現象和電磁兼容（EMC）還未建立標準的評估體系。交流系統的電能質量現象與LVDC系統的電能質量現象不同，但也存在可以借鑒和參考的地方，如何準確評估LVDC系統電能質量現象及其對各類電氣設備的危害影響有待進一步研究。

1 IEC TR 63282 標準簡介

目前IEC在低壓直流方面的標準化剛剛起步，SyC LVD系統委員會為主導，可以分為基礎技術標準、系統分析、典型應用等標準化方向，涉及TC8、TC64、TC82等眾多系統委員會。

IEC TR 63282 《LVDC systems - Assessmentof standard voltages and power quality requirements（LVDC系統標準電壓和電能質量要求評估）》，由IEC TC8 JWG9 低壓直流工作組牽頭編寫，由TC8System aspects of electrical energy supply電能供應系統技術委員會和SyC LVDC 低壓直流系統委員會聯合組織。該標準2017年正式立項，2021年第一版本ED1正式發布，2024年修訂后的第二版本ED2正式發布。

標準針對低壓直流標準電壓的劃分、電能質量問題的定義進行了詳細介紹，創新性提出電壓帶的概念，準確反映低壓直流系統電壓工作運行狀態。標準正文主體分為4個部分，低壓直流系統結構、低壓直流電壓劃分、電能質量現象、限值參考建議。后續修訂將在電能質量測量以及中壓直流用例方面進行補充。

I E C 63282目前已形成系列標準，IEC T R63282-101《LVDC systems： DC power distributionsystem for typical scenarios （低壓直流系統：直流供配電系統典型場景）》、IEC TR 63282-102《LVDC systems： Technical report for low-voltage DCelectric island power supply systems （低壓直流系統：低壓直流獨立供電系統技術報告）》目前已在編制中，相關工作為TC8 MT1/WG11、SyC LVDCWG2等工作組標準提供技術支撐。后續，在IECTR 63282 ED2的基礎上，將在低壓直流電壓和電能質量方面開展進一步深化研究。

2 LVDC系統的構成

2.1 LVDC系統拓撲結構

按照連接方式，LVDC系統可以分為單極和雙極直流系統，單極直流系統設計有兩條輸出線路，雙極直流系統設計有3條輸出線路。按照接地方式，又可進一步細分為TN-S直流系統和IT直流系統。

2.2 控制方式

2.2.1 無源直流系

無源系統的控制策略通常采用主從控制，系統的能量平衡通過控制電壓圓的方式實現。正常工作狀態下，無源直流系統產生電壓波動的范圍很小。

2.2.2 有源直流系統

有源直流系統的控制策略通常采用下垂控制，通過跟蹤設備中配置的U-I曲線自動實現系統的能量平衡。正常工作狀態下，有源系統的電壓波動的范圍比無源系統更大，我們將這個波動范圍定義為電壓帶。電壓帶越寬，對系統和設備的要求就越高。

3 電壓等級劃分

3.1 電壓帶

對于有源直流系統，在系統電壓從零到最大值之間分出6個電壓等級U1～U6，以及系統正常工作狀態下的額定電壓Un，電壓帶B1～B7表現為兩個電壓等級之間的范圍，如圖3所示。

B1：供電中斷帶

長時間將導致系統停機，一般在系統啟動時短暫出現。

B2：緊急電壓帶

系統承受負載過大，電壓低于正常工作電壓。

B3：額定電壓帶

此電壓帶為正常工作的電壓范圍（U2和U3之間）。

B4：開關和保護裝置操作電壓帶

電流的突然變化會導致電壓過沖或升高。

B5：過電壓保護裝置非工作電壓帶

浪涌保護裝置不會在該電壓帶內限制電壓。

B6：過電壓保護裝置工作電壓帶

浪涌保護裝置在該電壓內限制電壓。

B7：禁止運行電壓帶

設備可能會出現永久性的損壞。

3.2 運行范圍

為了體現系統運行狀態與電壓和時間的關聯，定義了4個范圍R1～R4，其中，狀態R1～R3為瞬態及暫態，狀態S4為穩態。系統工作狀態A1～A7與電壓和時間的關系如圖4所示。

S1：瞬態

此狀態時間很短，系統經過短暫的該狀態后恢復為穩態。

S2：故障狀態

此狀態涉及系統電路或設備故障。在這種狀態下，通常需要通過斷開相關斷路器，將故障電路立即從電力系統切斷。

S3：電壓控制狀態

此狀態內，需要采取措施來解決系統平衡問題。

S4：穩態

系統可以長期保持這種狀態。

3.3 工作狀態

電壓帶配合時間范圍，反映系統的工作狀態。

A1：停電狀態

電壓無法支持系統長時間運行。

A2：應急狀態

負載雖然能夠保持穩態運行，但無法滿足負載的所有性能要求。

A3：正常工作狀態

系統正常運行。

A4：異常工作狀態

在特殊情況下，系統可能長時間處于異常工作狀態。設備在設計時就應考慮該種狀態，但可能會出現設備性能降低。

A5：保護未動作的過電壓狀態

開關或保護裝置的動作導致電壓升高。過電壓保護裝置不動作。

A6：保護動作的過電壓狀態

開關或保護裝置動作導致過壓，過電壓保護裝置動作。

A7：禁止運行狀態

設備可能會遭受永久性損壞，應切斷所有電源。

4 電能質量現象

電能質量是指系統中特定點處的電特性，某些事件可能會導致直流電壓或電流一段時間內偏離正常值。圖5顯示了直流系統中電壓帶、電能質量和時間的關系。

當對具有特定阻抗參數和控制參數的系統施加擾動時，低壓直流系統可能會出現振蕩現象。振蕩不能定義為電能質量現象，但它會影響低壓直流系統電能質量。振蕩的常見原因主要是系統受到特定頻率干擾影響，以及多個設備之間控制參數的不匹配。

標準中詳細介紹了低壓直流系統中常見的電能質量現象，給出詳細的波形，具體包括電壓偏差、紋波、電壓暫升、電壓暫降、供電中斷、快速電壓變化、浪涌、電壓不平衡等。

5 參考建議

5.1 電壓等級

低壓直流系統電壓的定義需要考慮不同的因素，包括拓撲結構、負載距離、絕緣、電纜經濟性、控制策略、保護要求、設備特性等不同因素。該標準在對電壓等級進定義時，按照場景分為配電域和設備域，如圖6所示。配電域主要應用于高功率、長距離的配電場景，設備域主要應用于終端用戶或者生產設備供電的場景。不同場景的電壓推薦值如表1和表2所示。

提出的電壓推薦值考慮配電和用電兼容性，一個低壓直流場景可能會包含這兩種電壓推薦域。配電域中電壓推薦值選取，考慮傳輸容量，尤其是較長距離的配電線路，在不同工況下（包括故障情況）為設備提供穩定電力供應。而設備域的電壓推薦值選取，應考慮低功率設備供電以及操作人員的人身安全。

5.2 EMC和兼容性等級

電能質量要求與電磁兼容的概念類似，可參考IEC TS 62749中對交流電能質量的描述，如圖7所示。兼容性水平要求和抗擾度水平要求參考現有相關標準：IEC 61000-2-2、IEC 61000-2-12、IEC61000-2-4、IEC 61000-4-13、IEC 61000-4-19、IEC 61000-4-17、IEC 61000-4-29、IEC 61204-3、IEC TS 62053-41、IEC 61869-14：2018、IEC61869-15：2018。

5.3 電能質量

電能質量要求參考現有相關標準：IEC 60092-101、IEC 61000-4-29、IEC 61204-3等。

5.4 計量方法

5.4.1 DC系統RMS值的積分時間

DC系統RMS值積分時間或測量窗口長度應根據電能質量現象定義。

（1）穩態值建議設置為200ms到10min；

（2）快速均方根值（參考交流系統半周波RMS值）可用于暫態電能質量指標測量。

5.4.2 DC電能質量計量方法

對于0～9kHz頻率范圍內LVDC電能質量指標測量，可參考交流系統低頻傳導干擾標準中的方法（參見IEC 61000-4-30：2015，IEC 61000-4-15：2010）。對于高于9kHz頻率的LVDC電能質量指標測量，可參考交流系統低頻傳導干擾，根據特定環境要求進行測試。

6 案 例

6.1 中國同里綜合能源示范工程

中國同里綜合能源示范工程由國網江蘇電力打造，基于2017年國家重點研發計劃研究成果，整個系統包含±750V、±375V、220V 不同直流電壓等級，以電力電子變壓器為核心，可實現靈活的功率控制和多種能源的互聯互補，如圖8所示。

該項目旨在實現高滲透地區分布式綠色能源的綜合利用，探索不同的供電模式，開發高效直流配電設備，展示低能耗直流建筑的建設方式。

6.2 阿姆斯特丹綠色辦公樓宇

位于阿姆斯特丹的綠色辦公樓宇占地3000平方米，該辦公樓可以提供正常辦公環境，通過太陽能發電和電池儲能來實現碳中和的目標，系統拓撲如圖9所示。

該DC直流系統的主要工作電壓在320～380V的電壓帶內，當系統內部電源供電功率不足時，AC/DC變換器可以作為電源向系統供電。系統中所有的設備，包括變換器、開關、充電器，均具備電流或功率雙向操作功能。系統內有LED照明設備和USB-C電源插座（5/12/20V至100W）。功率大于100W的用戶接入350V電壓等級。

7 總 結

IEC TR 63282為低壓直流系統電壓和電能質量給出標準化規定，定義低壓直流電壓帶概念和劃分原則，并對低壓直流電能質量標準化提出標準化建議。目前在低壓直流領域，63282已經發展成為系列標準，后續將加強與其他標準和技術委員會的合作與交流，為低壓直流標準化奠定技術基礎，明確后續標準化發展方向。

參考文獻

[1]IEC TR 63282： LVDC systems – Assessment of standard voltages and power quality[S].2020.

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