直流配電系統(tǒng)典型供用電模式研究及監(jiān)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)的接地方式。最后，以數(shù)據(jù)中心、居民樓宇等直流負荷集中區(qū)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(shù)據(jù)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(guī) 模發(fā)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(tǒng)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(fā)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(huán)節(jié)。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(huán)運行、節(jié)省走廊資源等優(yōu)勢。目前，直流配電快速發(fā)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(tǒng)技術的不成熟，其高效、高可靠性等理論優(yōu)勢尚未能很好地體現(xiàn)，現(xiàn)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(tǒng)、北卡羅來納大學提出了FREEDM系統(tǒng)，日本大阪大學提出了±170V雙極直流系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心交直流配電工程、蘇州中低壓直流配用電系統(tǒng)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(tǒng)的典型接地方式，明確了直流配用電系統(tǒng)的典型應用場景， 并以直流負荷集中區(qū)典型應用場景為例，構建了數(shù)據(jù)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(tǒng)的規(guī)劃設計提供有益參考。

1 中低壓直流配電系統(tǒng)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(huán)式結構、雙端式結構、多端式結構、多端環(huán)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(huán)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(huán)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(tǒng)也可采用雙端式結構。

多端環(huán)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(huán)形網絡閉環(huán)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(tǒng)發(fā)展后期的網絡形態(tài)?？蓾M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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)出幅值相同、極性相反的雙極電壓。

   偽雙極接線降低了聯(lián)結變壓器的直流應力及設備的絕緣要求，減少了對現(xiàn)有配電系統(tǒng)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(tǒng)的某一極發(fā)生久性故障時，整個系統(tǒng)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(tǒng)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(qū)，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(tǒng)、兩電平-偽雙極系統(tǒng)、真雙極系統(tǒng)，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(fā)，對不同換流器類型、接線形式的中壓直流配電系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，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(fā)生故障的一種狀態(tài)（如單極接地相當于浮地系統(tǒng)發(fā)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(fā)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(tǒng)需要在系統(tǒng)側配置絕緣監(jiān)測設備（IMD）才能發(fā)揮其優(yōu)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(tǒng)，其接地方式均推薦采用浮地運行方式（見圖10），并且在系統(tǒng)側配置IMD，用于發(fā)現(xiàn)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(fā)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(jù)現(xiàn)階段 的示范工程情況及未來發(fā)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(qū)直流配電、工業(yè)園區(qū)直流配電、交流配電網分區(qū)互聯(lián)、集結可再生能源發(fā)電的直流配電等。其中，直流負荷集中區(qū)直流配電又可分為數(shù)據(jù)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(tǒng)、船舶配電、地鐵牽引系統(tǒng)及航天動力系統(tǒng)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(qū)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(qū)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(shù)據(jù)中心的直流配電

數(shù)據(jù)中心主要為各類企業(yè)提供服務器數(shù)據(jù)管理業(yè)務，保證各類數(shù)據(jù)安全。數(shù)據(jù)中心的主要負荷為服務器負荷，數(shù)據(jù)中心服務器需要常年維持在7℃的恒溫，制冷負荷也是數(shù)據(jù)中心的主要負荷?？紤]數(shù)據(jù)中心的主要負荷為直流的服務器和變頻的制冷負荷，常規(guī)交流電源接入需要經過AC/DC環(huán)節(jié)，所以數(shù)據(jù)中心的大規(guī)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(shù)據(jù)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(lián)，同時每兩段母線配置一套柴油發(fā)電機作為后備電源，通過ATS開關實現(xiàn)市電、柴油發(fā)電機供電切換，常態(tài)下直流供電，柴油發(fā)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心低壓用電系統(tǒng)推薦采用浮地方式，同時需要配置IMD，及時發(fā)現(xiàn)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(jù)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(jù)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?？紤]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?？紤]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(yōu)先推薦采用對稱單極結構；如果充電站規(guī)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(fā)現(xiàn)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(fā)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(huán)節(jié)，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?？紤]直流技術尚在發(fā)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)人身觸電，保護人身安全。

5安科瑞列頭柜及監(jiān)測產品介紹

隨著數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心能耗問題也越來越突出，高效可靠的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案，是提高數(shù)據(jù)中心電能使用效率，降低設備能耗的方式。

AMC系列數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機房末端設計的，能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，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(shù)據(jù)上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機房的實時監(jiān)控和管理，為實現(xiàn)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(tǒng)

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(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報警功能。

2）配置方案-示意圖