直流配電系統典型供用電模式研究及監控產品選型

 劉丹

安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定 201801；

 

摘 要：隨著充電設施、5G基站、直流家電等新型直流負荷及光伏等直流電源的快速發展，研究兼具安全、可靠、高效特性的直流配電網具有巨大的市場潛力和應用價值。提出了中壓直流配電網網架結構及低壓直流用電系統母線結構，分析了單極接線、雙極接線的特點及其適用情況，提出了由兩電平換流器、MMC換流器構成的偽、真雙極直流配用電系統的接地方式。最后，以數據中心、居民樓宇等直流負荷集中區應用場景為例，從電壓等級、網架結構、接線方式和接地方式等方面構建其典型供用電模式。

 

關鍵詞：直流配電；網架結構；接線方式；接地方式；典型供用電模式

 

0引言

隨著新型基礎設施建設的大力推進，大型數據中心、新能源汽車充電樁、5G基站等新型直流用電需求的大規 模發展，以及光伏等直流電源的大量接入，直流化將成為未來配電系統的重要特征之一。直流配電技術在能效、可靠性、供電容量以及可控性等方面具有較好的理論性能，是未來配電網的發展趨勢，也是落實“新基建”部署、解決新能源和多元負荷接入的關鍵環節。與交流配電方式相比，直流配電方式在理論上具有更大的傳輸容量、更長的供電半徑、更高的運行效率、更好的電能質量、可閉環運行、節省走廊資源等優勢。目前，直流配電快速發展，勢頭強勁，但受限于電力電子設備高昂的造價、核心設備制造工藝及控制保護系統技術的不成熟，其高效、高可靠性等理論優勢尚未能很好地體現，現階段具有一定的局限性。

近年來，國內外針對直流配電技術的電壓等級、應用場景、設備研制、控制保護策略等進行了大量研究和探索。國外如美國弗吉尼亞大學CPES中心提出了SBN系統、北卡羅來納大學提出了FREEDM系統，日本大阪大學提出了±170V雙極直流系統等。國內也已開展了交直流混合配電網的試點建設，如杭州江東新城直流配電工程、張北阿里巴巴數據中心交直流配電工程、蘇州中低壓直流配用電系統示范工程等。

本文研究了中低壓直流配電網的網架結構、換流器接線方式、不同換流器類型的中低壓直流配電系統的典型接地方式，明確了直流配用電系統的典型應用場景， 并以直流負荷集中區典型應用場景為例，構建了數據中心、電動汽車充換電設施及居民樓宇直流配電的典型供用電模式，以期為直流配用電系統的規劃設計提供有益參考。

 

1 中低壓直流配電系統網架結構

1.1中壓直流網架結構

未來很長一段時間內，直流配電網和交流配電網是共存共生的關系，在局部形成交直流混合配電網。交直流混合配電網直流側中壓網架結構可分為輻射式結構、單端環式結構、雙端式結構、多端式結構、多端環式結構等。

輻射式結構（見圖1）取自單個上級電源，通過單路或雙路輻射出線。單路輻射結構不能滿足“N–1”校核，適用于電動汽車充換電設施等可靠性要求一般的場所；雙路輻射結構滿足“N–1”校核，適用于可靠性要求較高的場所。

 

 

單端環式結構（見圖2）與輻射式結構類似，取自單個上級電源并采用雙路出線形成環型供電網絡，該拓撲滿足“N–1”校核，可靠性較輻射式結構高，該拓撲結構特別適用于分布式電源（DG）的多點分散接入。

 

 

雙端式/多端式結構（見圖3）取自2個及以上上級電源，采用單路或雙路出線形式，單個電源故障所有負荷不失電。該拓撲滿足“N–1”校核，具有很高的供電可靠性，可滿足多點DG接入及高可靠供電需求。通過直流進行背靠背的交流供電系統也可采用雙端式結構。

 

 

多端環式結構（見圖4）是在多端式結構的基礎上， 將多電源點出線形成環形網絡閉環運行，供電容量大、可靠性高、運行方式靈活，滿足“N–1”校核，是直流配電系統發展后期的網絡形態。可滿足多點、大容量DG 的分散接入及高可靠供電需求。

 

1.2低壓直流母線結構

低壓直流母線結構主要包括單母線結構、雙母線結構、分層式母線結構。

低壓直流單母線結構（見圖5）與現有交流配電類似，所有用電設備掛接在一條母線上，但在給計算機等低壓設備供電時，由于需要給每個低壓設備單獨配置DC/DC變壓器，增加了該方案的社會成本，降低了系統運行效率，適用于負荷需求單一的場所。

 

雙母線結構（見圖6）的電源一般采用真雙極接線， 正、負極母線取自單獨的換流器，可單母線運行，也可雙母線配合運行，具有多個電壓等級、供電容量大、供電方式靈活等特點。適用于多電壓等級及高可靠供電需求的場所。

 

 

分層式母線結構是對單母線結構的擴展，在單母線結構的基礎上，通過DC/DC變壓器引出低電壓的母線。例如，母線電壓為DC375V，入戶后經過直流變壓器配置出一條DC 48 V母線作為二級母線，見圖7。該種母線結構將與用戶接觸較多的用電設備采用更低一級電壓供電，提高了用戶用電安全性，同時集中式DC/DC變壓器較單母線結構的分散式DC/DC變壓器，提升了系統運行效率，降低了方案的社會成本。

 

 

 

 

2 換流器接線形式

換流器的接線形式包括單極結構（分為非對稱單極和偽雙極）和雙極結構（又稱真雙極結構）非對稱單極主要用于地鐵牽引供電系統中。已建或在建的直流配電工程大多采用圖8所示的偽雙極接線方式，該種接線方式的正、負極線路出自同一個換流器，并通過鉗位電阻或鉗位電容等方式構建接地點，使直流側對外呈現出幅值相同、極性相反的雙極電壓。

 

   偽雙極接線降低了聯結變壓器的直流應力及設備的絕緣要求，減少了對現有配電系統的影響。當正常運行時，接地點無工作電流，不需要設置專門的接地極；當系統的某一極發生久性故障時，整個系統將全部停運，無法單極運行，可靠性較真雙極接線低。但是，通過采用多端供電的拓撲結構、故障前加速、網絡重構等手段可提升可靠性，因此偽雙極接線是目前直流配電工程應用最多的換流器接線形式。

真雙極接線方式見圖9，該接線方式具有獨立的正、負極換流器，可單極運行，具有傳輸容量大、可靠性高、運行方式靈活等特點。由于分別設置了正、負極換流器，其造價更高、占地面積更大、控制保護系統也更加復雜。

 

 

 

換流器接線形式一般可選擇偽雙極結構，對于可靠性要求高的地區，可選擇真雙極結構，并經技術可 行性論證和比選后確定最終接線形式。

3 接地方式

3.1 中壓直流典型接地方式

直流配電的上級電源一般取自交流變電站，交流側接地方式對直流配電接地方式的選擇有一定影響。此外，還要考慮換流器的不同類型及不同接線的影響，包括MMC-偽雙極系統、兩電平-偽雙極系統、真雙極系統，由于其短路電流通路不同，其接地方式也有所差別。

文獻對接地方式進行了較為深入的研究，主要從限制故障電流、加快故障恢復速度角度出發，對不同換流器類型、接線形式的中壓直流配電系統進行了分析，其結論見表1。

 

 

3.2 低壓直流典型接地方式

低壓直流系統接地方式分為功能性接地（電源側）和保護性接地（用戶側），無論是功能性接地還是保護 性接地，首要原則是確保用戶安全用電，此處主要討論 的是功能性接地。

低壓直流系統功能性接地包括浮地（不接地）、中 點經高電阻接地、中點直接接地和單極接地等方式。對于低壓直流系統，無論是真雙極接線還是偽雙極接線，其他接地方式都可等價為浮地運行方式發生故障的一種狀態（如單極接地相當于浮地系統發生單極母線金屬性短路），即浮地運行方式較其他接地方式多了一層保護層級，具有更高的安全性。由于發生單點接地不會引起剩余電流設備（RCD）動作，因此，單點故障不會引起停電事件，可靠性更高。浮地系統需要在系統側配置絕緣監測設備（IMD）才能發揮其優勢，一定程度上增大了方案的投資及配置復雜度。

對于真、偽雙極的低壓直流配電系統，其接地方式均推薦采用浮地運行方式（見圖10），并且在系統側配置IMD，用于發現并告警單點接地事件；在用戶側配置RCD，作為單點故障未及時清除情況下發生人身觸電的后備保護，提升用戶用電安全。

 

圖10 低壓直流的典型接地方式

 

4 直流配電的典型供用電模式

4.1 典型應用場景

不同的應用場景對應不同的電壓等級、網絡拓撲、接線及接地方式等，滿足不同的源荷需求。根據現階段 的示范工程情況及未來發展需求預測，直流配電的典型應用場景主要包括直流負荷集中區直流配電、工業園區直流配電、交流配電網分區互聯、集結可再生能源發電的直流配電等。其中，直流負荷集中區直流配電又可分為數據中心直流配電、電動汽車充換電設施直流配電和居民樓宇直流配電等。此外，直流配電的應用場景還包括通信系統、船舶配電、地鐵牽引系統及航天動力系統等，其研究及應用均已較為成熟。

4.2 典型供用電模式

由于篇幅所限，此處以直流負荷集中區典型應用場景為例，從電壓等級、網架結構、接線方式和接地方式等方面構建其典型供用電模式。直流負荷集中區主要屬于低壓直流用電場景，其上級電源既可以來自中壓交流配電網，也可以取自中壓直流配電網。

4.2.1 數據中心的直流配電

數據中心主要為各類企業提供服務器數據管理業務，保證各類數據安全。數據中心的主要負荷為服務器負荷，數據中心服務器需要常年維持在7℃的恒溫，制冷負荷也是數據中心的主要負荷。考慮數據中心的主要負荷為直流的服務器和變頻的制冷負荷，常規交流電源接入需要經過AC/DC環節，所以數據中心的大規模直流負荷更需要直流電源接入和直流配電網的可靠支撐。

1）電壓等級。交流電源采用380（400）V、直流電源采用±375V。

2）母線結構。數據中心是高可靠性需求用戶，建議采用單母線分段結構，兩段母線互聯，同時每兩段母線配置一套柴油發電機作為后備電源，通過ATS開關實現市電、柴油發電機供電切換，常態下直流供電，柴油發電機作為備用，保證服務器的高可靠性供電，保障各類情況下服務器不失電。數據中心供電結構示意見圖11。

 

 

 

 

3）接線方式。考慮對稱單極和真雙極供電可靠性的差異及數據中心的高可靠性需求，推薦采用真雙極接線形式。

4）接地方式。綜合考慮人身安全性、供電可靠性及接地點雜散電流對接地網的電化學腐蝕等因素，數據中心低壓用電系統推薦采用浮地方式，同時需要配置IMD，及時發現并消除單點接地事件，保障人身安全。

4.2.2 電動汽車充換電設施的直流配電

1）電壓等級。根據電動汽車充電機的不同充電速度，目前電動汽車充電機輸出電壓在直流 200~700 V，根據GB/T 35727–2017《中低壓直流配電電壓導則》推薦的直流電壓等級序列，此處推薦采用±375 V電壓作為電動汽車充電設施直流母線電壓，中間可通過DC/DC變換器，得到各電壓等級電壓。

2）母線結構。考慮電動汽車充換電設施對可靠性要求一般，其母線結構可采用單母線結構或單母線分段結構（見圖12）。 

 

 

3）接線方式。考慮電動汽車充換電設施直流配電對電壓需求較為單一，且對供電可靠性無特殊要求，換流器接線方式優先推薦采用對稱單極結構；如果充電站規模較大，經技術經濟分析后，也可采用真雙極接線形式，以提供更大的容量及更多的電壓選擇。

4）接地方式。綜合考慮人身安全性、供電可靠性及接地點雜散電流對接地網的電化學腐蝕等因素，電動汽車充換電設施的直流配電推薦采用浮地方式，同時需要配置IMD，及時發現并消除單點接地事件，保障人身安全。

4.2.3 居民樓宇的直流配電

隨著電力電子元器件的發展，家庭負荷一般都可以使用直流電源接入，例如LED燈、變頻家電、電視、電腦等，這些直流負荷如果使用交流電源接入，需要經過AC/DC換流環節，將居民直流負荷接入直流配電網，提升用電效率。

1）電壓等級。考慮直流技術尚在發展過程中，未來相當長一段時間內，在居民樓宇的直流配電中，應為用戶提供交流電源和直流電源2種選擇。其中，交流電壓為220V/380V；直流電壓為±110 V/48 V，直流電源可通過DC/DC變換器取自上級直流電源，也可通過AC/ DC換流器取自上級或同級交流電源。

2）母線結構。在母線結構設計上，考慮該種應用場景主要為居民住宅類負荷，且低壓直流供電本身可靠性相對較高，同時考慮技術經濟性，母線結構推薦采用單母線/單母線分段結構或分層式母線結構。

3）接線方式。考慮真雙極可提供多種電壓等級，且供電可靠性相對較高，推薦采用±110V真雙極接線形式，采用此種形式可提供110V/220V兩種電壓。

4）接地方式。推薦采用浮地運行方式，在母線側配置IMD，以及時發現并消除單點接地故障；同時在用戶側配置RCD，以防單點接地未及時清除的情況下出現人身觸電，保護人身安全。

 

5安科瑞列頭柜及監測產品介紹

隨著數據中心的迅猛發展，數據中心能耗問題也越來越突出，高效可靠的數據中心配電系統方案，是提高數據中心電能使用效率，降低設備能耗的方式。

AMC系列數據中心配電系統是針對數據機房末端設計的，能夠綜合采集所有能源數據的智能系統，為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息，并可通過通訊將數據上傳到動環監控系統，實現對整個數據機房的實時監控和管理，為實現綠色IDC提供可靠保證。     

5.1配電管理解決方案

5.1.1交流系統

1）功能要求：

遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度；輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度；

遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相,過流，輸入分路和輸出分路的開關狀態,具備電流、功率需用量分析和統計，實現電壓、電流、功率等參數的越限報警功能。

2）配置方案-示意圖