基于雙碳背景下的變電站低壓直流電源系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)研究

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.06.014

中圖分類號(hào)：TM73；TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on the Development Technology of Low Voltage DC Power Supply System for Substation Based on Dual Carbon Background

ZHANG Meiqi，WANG Xinwei （State Grid InnerMongoliaEasternElectricPowerCo.，Ltd.TongliaoPowerSupplyCompany，Tongliao028，China）

Abstract： This article analyzes the importance of low-voltage DC power supply system in substations under the dualcarbon background，points out itskeyroleinachieving energy conservation and emission reduction goals，and explores thedevelopment technologyofthesystem，includinghigh-eficiencypowerconversion technology，intelligent energy management and control technology，high reliability and redundancy design，and green energy access and integration technology，in order to provide practical reference for relevant personnel.

Keywords： dual carbon background; substation; low voltage DC power supply

近年來，“雙碳”目標(biāo)的提出促使各國能源轉(zhuǎn)型不斷深入，推動(dòng)各國在實(shí)現(xiàn)碳中和與碳達(dá)峰方面積極努力。電力行業(yè)作為能源消耗及碳排放的重要領(lǐng)域，面臨著重大變革壓力。變電站作為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其低壓直流電源系統(tǒng)的開發(fā)與優(yōu)化對(duì)提升能源效率、減少碳排放意義重大。

力發(fā)電機(jī)等可再生能源通常產(chǎn)生直流電。使用直流系統(tǒng)可以減少轉(zhuǎn)換步驟，實(shí)現(xiàn)更高效的能源集成。這種直接連接不僅減少了能量損耗，還降低了系統(tǒng)復(fù)雜性和設(shè)備成本。此外，直流系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)分布式能源的接入，支持微電網(wǎng)和智能電網(wǎng)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供技術(shù)支撐。

1.1提高能源效率與減少碳排放

將低壓直流電源系統(tǒng)應(yīng)用于變電站，可顯著提升能源效率。傳統(tǒng)交流電源系統(tǒng)在傳輸與轉(zhuǎn)換過程中，尤其是整流和逆變環(huán)節(jié)，會(huì)產(chǎn)生較大能量損耗。而直流電源系統(tǒng)通過減少這些轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，降低了能量損耗，提高了整體系統(tǒng)的效率。這種提高效率的做法直接減少了能源消耗，從而降低了碳排放。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)至關(guān)重要。此外，直流系統(tǒng)的高效能還意味著在相同的電力需求下，可以使用更少的能源，進(jìn)一步減少對(duì)化石燃料的依賴，降低溫室氣體排放。

1.2支持可再生能源的集成

隨著可再生能源的快速發(fā)展，變電站需要更靈活的電源系統(tǒng)來適應(yīng)多樣化的電力輸入。低壓直流電源系統(tǒng)在這方面具有顯著優(yōu)勢，因?yàn)樘柲芄夥搴惋L(fēng)

2 雙碳背景下變電站低壓直流電源系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)

2.1高效能電源轉(zhuǎn)換技術(shù)

在雙碳背景下，開發(fā)高效能的變電站低壓直流電源系統(tǒng)需要采用先進(jìn)的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)能效的最大化和碳排放的最小化。其中，功率因數(shù)校正技術(shù)和高頻開關(guān)電源轉(zhuǎn)換技術(shù)是關(guān)鍵。

功率因數(shù)校正技術(shù)在提升電能利用效率中起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的整流電路通常導(dǎo)致功率因數(shù)偏低，進(jìn)而造成電能浪費(fèi)和電網(wǎng)負(fù)擔(dān)。在變電站低壓直流電源設(shè)計(jì)中，采用有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)是提高功率因數(shù)的有效方法。APFC電路通過控制輸入電流的波形，使其與輸入電壓保持同步，從而實(shí)現(xiàn)接近1的高功率因數(shù)。在一些實(shí)際應(yīng)用中，APFC電路可以將功率因數(shù)從傳統(tǒng)整流電路的0.7＼～0.8提升至0.99以上。這種顯著提升不僅減少了無功電流的輸送，還降低了電網(wǎng)損耗，提高了整體電能質(zhì)量。對(duì)于一個(gè)額定功率為 10kW 的電源系統(tǒng)，提升功率因數(shù)至0.99意味著無功功率從約7kVA減少到不到1kVA，顯著降低了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。

高頻開關(guān)電源轉(zhuǎn)換技術(shù)通過使用高頻開關(guān)器件（如MOSFET）實(shí)現(xiàn)電源的高效轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)的低頻線性電源相比，高頻開關(guān)電源可以在更高的頻率下工作，這使得變壓器和電感等磁性元件的體積可以大幅度減小，從而實(shí)現(xiàn)電源模塊的小型化和輕量化。例如，工作頻率從50Hz提高到 100kHz 時(shí)，變壓器的體積可以減少至原來的1/20。這種小型化不僅節(jié)省了空間，還降低了材料成本和運(yùn)輸能耗。同時(shí)，通過采用軟開關(guān)技術(shù)，如零電壓開關(guān)（ZVS）或零電流開關(guān)（ZCS），可以有效降低開關(guān)過程中的損耗。ZVS技術(shù)通過在開關(guān)管電壓為零時(shí)進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，減少開關(guān)損耗，提升轉(zhuǎn)換效率。采用ZVS技術(shù)的高頻開關(guān)電源轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到 90% 甚至更高。

在具體實(shí)施中，設(shè)計(jì)者需要對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行精確的參數(shù)優(yōu)化，例如，選擇合適的開關(guān)頻率、開關(guān)管型號(hào)以及控制策略，以確保系統(tǒng)在不同負(fù)載條件下均能保持高效運(yùn)行。對(duì)于一個(gè)額定功率為 5kW 的高頻開關(guān)電源系統(tǒng)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到 95% 。這意味著在滿載情況下，損耗功率僅為250W，大大降低了系統(tǒng)的散熱需求和能耗。此外，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性和效率，設(shè)計(jì)中還需考慮電磁兼容性（EMC）和熱管理。在電路板設(shè)計(jì)中合理布置元器件，增加適當(dāng)?shù)臑V波和屏蔽措施，可以有效降低電磁干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時(shí)采用高效的散熱方案，如熱管或液冷技術(shù)，可以確保系統(tǒng)在高效運(yùn)行時(shí)保持適宜的溫度，提高設(shè)備的使用壽命。

2.2智能能量管理與控制技術(shù)

變電站低壓直流電源系統(tǒng)的開發(fā)需要高度智能化的能量管理與控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高效、可靠的電力供應(yīng)和資源利用。其中，分布式能量管理系統(tǒng)的構(gòu)建是關(guān)鍵。在變電站中部署多個(gè)智能能量管理單元，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)電源模塊和儲(chǔ)能設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。這些管理單元通過高精度傳感器和通信模塊，能夠以毫秒級(jí)的速度采集電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)。基于這些數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整電源的分配。例如，當(dāng)某一負(fù)載區(qū)域的需求突然增加時(shí)，系統(tǒng)能夠在0.1秒內(nèi)響應(yīng)，通過快速啟用備用電源模塊以確保供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。這樣的快速響應(yīng)能力依賴于先進(jìn)的算法和高效的通信協(xié)議，如MQTT和IEC61850，這些協(xié)議支持高效的數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備間的互操作性1。

智能充電與放電控制技術(shù)在儲(chǔ)能設(shè)備管理中扮演著重要角色。采用先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)（BMS），能夠精確監(jiān)測電池的狀態(tài)。對(duì)于鋰電池系統(tǒng)，通常要求電壓精度達(dá)到 ±0.01V ，溫度檢測精度達(dá)到 ±1^°C 。根據(jù)電池的實(shí)時(shí)狀態(tài)，系統(tǒng)可智能調(diào)節(jié)充電電流和電壓，避免過充和過放現(xiàn)象，延長電池的使用壽命。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷處于低谷期時(shí)，系統(tǒng)能以最大0.5C的充電倍率對(duì)電池充電，而在高峰期，則可通過調(diào)度算法以0.2C的放電倍率釋放電能，從而實(shí)現(xiàn)削峰填谷的效果。這種操作不僅提高了儲(chǔ)能設(shè)備的利用效率，還有效支持了電網(wǎng)的負(fù)荷平衡。

結(jié)合大數(shù)據(jù)分析和預(yù)測技術(shù)，系統(tǒng)能夠進(jìn)行負(fù)載預(yù)測和能量需求分析。通過對(duì)歷史負(fù)載數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合天氣預(yù)測、用戶行為模式等信息，系統(tǒng)可以預(yù)測未來24小時(shí)的負(fù)載需求。采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如長短期記憶（LSTM）網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測精度可以達(dá)到95% 以上。這些預(yù)測結(jié)果可用于優(yōu)化電源和儲(chǔ)能設(shè)備的調(diào)度策略。例如，在預(yù)測到未來某時(shí)段負(fù)荷將達(dá)到峰值時(shí)，系統(tǒng)可以提前30分鐘啟動(dòng)儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行預(yù)充電，以確保在負(fù)荷高峰期有足夠的電能供應(yīng)。系統(tǒng)還需要考慮電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和市場電價(jià)波動(dòng)。通過與電網(wǎng)調(diào)度中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)能夠在電價(jià)較低時(shí)增加充電量，并在電價(jià)較高時(shí)增加放電量，優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益。在此過程中，使用線性規(guī)劃或混合整數(shù)線性規(guī)劃等優(yōu)化算法，可以確保在滿足供電安全和穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)成本的最小化[2]。

2.3高可靠性與冗余設(shè)計(jì)

冗余電源模塊配置是提高系統(tǒng)可靠性的核心策略。配置多個(gè)相同規(guī)格的電源模塊可以確保系統(tǒng)在單個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)仍能正常供電。可以采用 N+1 冗余配置。例如，若系統(tǒng)需要4個(gè)電源模塊正常供電，則配置5個(gè)模塊，其中4個(gè)模塊正常工作，1個(gè)備用模塊處于熱備用狀態(tài)。一旦某個(gè)模塊故障，備用模塊能夠在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)無縫切換投入運(yùn)行。

關(guān)鍵部件的熱備份與容錯(cuò)設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。對(duì)于控制器而言，需設(shè)置主從控制器架構(gòu)。主控制器負(fù)責(zé)日常操作，而備用控制器則實(shí)時(shí)同步主控制器的數(shù)據(jù)，并在主控制器故障時(shí)迅速接管。這種設(shè)計(jì)要求主從控制器之間的數(shù)據(jù)同步延遲不超過10毫秒，以確保切換時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行無縫銜接。此外，熔斷器等保護(hù)元件應(yīng)采用可恢復(fù)式熔斷器或冗余配置。可恢復(fù)式熔斷器能夠在故障解除后自動(dòng)恢復(fù)，減少人工干預(yù)，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

除了上述設(shè)計(jì)，還需考慮系統(tǒng)的監(jiān)測與預(yù)警機(jī)制，通過安裝高精度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測電源模塊的電壓、電流和溫度等參數(shù)，確保系統(tǒng)在任何異常情況下能夠及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)。數(shù)據(jù)采集頻率應(yīng)達(dá)到每秒1000次，以保證監(jiān)測的實(shí)時(shí)性和精確性。結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以預(yù)測可能出現(xiàn)的故障并提前進(jìn)行維護(hù)，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。為了實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)也需要具備高可靠性，采用光纖通信或工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，確保控制器與電源模塊之間的通信延遲不超過1毫秒，并具備抗干擾能力。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)采用環(huán)形或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以便在某一通信線路故障時(shí)，信號(hào)能夠通過其他路徑繼續(xù)傳輸。

系統(tǒng)的物理布局也需合理規(guī)劃。電源模塊和控制器應(yīng)分布在不同的機(jī)柜中，以降低因單一故障造成的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)柜內(nèi)部需配備高效的散熱系統(tǒng)，確保設(shè)備在環(huán)境溫度 40^°C 以下穩(wěn)定運(yùn)行[3]。對(duì)于關(guān)鍵設(shè)備，還可增加防塵、防潮等保護(hù)措施，以延長設(shè)備使用壽命。在設(shè)計(jì)過程中，需嚴(yán)格遵循國際和國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如IEC62040系列標(biāo)準(zhǔn)，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)范性和安全性。同時(shí)應(yīng)定期進(jìn)行系統(tǒng)測試和維護(hù)，特別是冗余模塊的切換測試，確保在實(shí)際故障情況下系統(tǒng)能夠按設(shè)計(jì)要求正常運(yùn)行。

2.4綠色能源接入與融合技術(shù)

“雙碳”目標(biāo)背景下，變電站低壓直流電源系統(tǒng)的綠色能源接入與融合技術(shù)的開發(fā)需要精細(xì)化的設(shè)計(jì)和執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)可再生能源的高效利用和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。光伏發(fā)電作為主要的可再生能源之一，其接入需要一系列技術(shù)支持。選擇合適的光伏電池板是關(guān)鍵。通常優(yōu)先選擇轉(zhuǎn)換效率在 20% 以上的單晶硅光伏組件，以提高單位面積的發(fā)電能力。最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制器的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，采用先進(jìn)的算法如擾動(dòng)觀察法或增量電導(dǎo)法，可以在不同的光照和溫度條件下實(shí)時(shí)調(diào)整光伏系統(tǒng)的工作點(diǎn)，使其始終在最大功率點(diǎn)附近運(yùn)行。

在實(shí)現(xiàn)光伏電能與傳統(tǒng)直流電源系統(tǒng)的融合時(shí)，需要設(shè)計(jì)合理的直流母線架構(gòu)，例如，采用380V直流母線電壓標(biāo)準(zhǔn)，可以有效減少傳輸損耗。能量管理策略的設(shè)計(jì)則需要考慮多種因素，包括光伏發(fā)電的波動(dòng)性和負(fù)載需求的變化。構(gòu)建基于模糊邏輯或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能能量管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電能和傳統(tǒng)電源電能的動(dòng)態(tài)分配和調(diào)度，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。當(dāng)光伏發(fā)電量超過負(fù)載需求時(shí)，系統(tǒng)可將多余電能存儲(chǔ)于儲(chǔ)能設(shè)備中，而在光伏發(fā)電不足時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備則可釋放電能以維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

除了光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電和生物質(zhì)能發(fā)電也是重要的綠色能源來源。風(fēng)力發(fā)電的接入需要考慮其不穩(wěn)定性和波動(dòng)性。通過與儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)同工作，可以實(shí)現(xiàn)能量的平滑輸出。例如，鋰離子電池和超級(jí)電容器的結(jié)合使用，可以在毫秒級(jí)響應(yīng)風(fēng)力波動(dòng)，鋰電池提供長時(shí)間的能量支持，而超級(jí)電容器則用于短時(shí)功率補(bǔ)償。儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)通常需要滿足系統(tǒng)在極端天氣條件下至少2小時(shí)的滿負(fù)荷運(yùn)行需求，以確保系統(tǒng)的可靠性[4]。

在多種綠色能源的協(xié)同控制方面，開發(fā)綜合能源管理系統(tǒng)（EMS）是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)能源組合的關(guān)鍵。EMS可以根據(jù)實(shí)時(shí)的能源價(jià)格、負(fù)載需求和設(shè)備狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)整各能源的輸出比例。通過引入預(yù)測算法如時(shí)間序列分析，EMS可以提前預(yù)測短期內(nèi)的負(fù)載需求和可再生能源發(fā)電量，從而優(yōu)化調(diào)度計(jì)劃。此外，通信和控制技術(shù)的集成也是確保系統(tǒng)高效運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。可通過部署物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各能源設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集；結(jié)合5G通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的控制響應(yīng)，確保系統(tǒng)的快速調(diào)整能力。數(shù)據(jù)分析平臺(tái)可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行中的潛在問題，并提供優(yōu)化建議。

3 結(jié)束語

綜上所述，基于“雙碳”目標(biāo)的變電站低壓直流電源系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)研究，不僅為電力行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型提供了新思路，也為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本研究旨在通過探索高效、智能化的直流電源解決方案，推動(dòng)了低碳電網(wǎng)的建設(shè)和優(yōu)化。在未來的發(fā)展中，隨著更多創(chuàng)新技術(shù)的引入和應(yīng)用，變電站低壓直流電源系統(tǒng)將能夠繼續(xù)在提高電力系統(tǒng)整體能效、減少碳排放方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

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