楼宇交直流混合供电模式下直流电压等级的研究

楼宇交直流混合供电模式下直流电压等级的研究陈红坤，何桂雄，石晶，闫华光 1

陈红坤，何桂雄，石晶，闫华光

项目背景

直流供电相比交流，具有损耗低，便于新能源接入和储能单元备用等优点，客观上启发和促进了直流技术在智能楼宇供电中的发展。伴随互联网和物联网的兴起，智能楼宇中出现了大量的交直流转化性设备，它们存在功率因数低、谐波含量高、易产生电压畸变、三相不平衡等电能质量问题，使用直流供电是有效可行的技术解决方案。然而，直流供电完全进入民用领域，还需要一个较长的试点、接纳和交流到直流的切换过程，直流智能楼宇在初期甚至较长的时期，将经历交直流混合供电的阶段。因此，在交直流混合供电的基础上，研究智能楼宇直流配电电压等级的选取原则和确定方法，明确楼宇中引入直流电压时的关键注意事项具有重要意义和实践价值。

所解决的问题及意义

本文由楼宇配电的现状出发，探讨了未来楼宇交直流混合供电方式的整体结构及相应的交直流负荷分配情况，分析了直流配电电压等级的选择原则，研究了楼宇供电中超低压直流配电和低压直流配电电压等级的确定方法，给出了其选值范围的上限和下限，为我国楼宇直流供电中电压等级的设立提供了参考依据。

重点内容

（1）智能楼宇交直流混合供电模式

图1 智能楼宇交直流混合微网示意图

图1为智能楼宇交直流混合微网的示意图。在此混合供电系统中，直流电压的选择将决定交直流负荷的分配特性，如表1所示。当超低压直流（ELVDC）和低压直流供电LVDC共存时，其相互关系参见图2。

表1 交直流混合供电时负荷分配情况

图2 低压配电和超低压配电

（2）超低压配电电压的确定

在确定超低压配电电压等级时，根据人体电击安全性确定其电压上限，通过供电距离决定其下限，同时考虑电压对用电设备成本的影响和直流开断的问题。图3反映了干燥环境下，人体总阻抗与接触面、接触电压（50Hz）的关系；表2给出了不同电压等级下直流电流路径为双脚到双手的电流值。

图3 干燥环境下，人体总阻抗与接触面、接触电压（50Hz）的关系

表2 直流电流路径为双脚到双手的电流值

在供电距离方面，本文着重分析直流线路的电压降，如表3所示。设从楼宇的总配电房或者大型楼宇的楼层配电单元到用住户（或办公室）的全长总压降不大于标称电压的10%，即60ⅹ0.1=6V，参考智能楼宇综合布线设计规范，配电单元到住户电表90米，则每米的电压降应小于0.033V/m, 对应电流密度应不超过 1.67A/mm ² 。该电流密度与铜导线在年运行时间为5000小时以上的经济电流密度 1.75A/mm ² 相当，因此属于可接受的范围。如果将电压进一步降低到48VDC，则导线的利用率过低，从经济上不可取。 60V作为楼宇直流供电中的一个供电电压等级，既能满足安全电压的要求，又能满足楼宇供电范围的要求 。

表3 导线单位长度上的电压降

（3）低压直流配电电压的确定

通过交流给直流工作单元供电，电源部分通常包括浪涌保护、过流保护、滤波、整流等电路环节。其中整流和滤波是AC-DC转换的关键电路，如图4所示。

图4 AC/DC电路

考虑到市电电压为交流220V，偏差范围（-10%，+7%），对应的峰值电压为311V（280~333V），即对直流输入电压，333V是电压上限。直流状态下，二极管流经电流有效值为交流工作时的倍，如果要保证无额外的电流发热应力，则需要将最低电压提高倍，即，得出直流替代交流时输入电压下限。

鉴于元器件的支持情况，以电路中的功率开关器件IGBT管选型为对象，要求IGBT的额定电压应是其正常工作时所承受最大电压的2倍。在交流市电情况下，通过AC-DC-AC变化的变频电机，通常都采用600V电压的IGBT。由此可以推断，直流替代交流时，直流输入电压不宜超过300V。

另对供电半径、线路损耗及直流开关的选型等进行综合考虑，楼宇直流供电的低压配电等级宜选择在280V至300V之间。

结论

1）安全因素决定了超低压直流配电电压的上限，楼宇供电半径决定了该配电电压的下限。综合两者，建议楼宇超低压等级选定为60VDC。

2）尽可能兼容目前所用的交流设备、考虑用电设备中元器件选型和生产设计的合理性，建议低压直流配电电压等级宜选择在280V至300V之间。

3）低压直流配电电压应用于民用楼宇供电，还有待于直流插座、直流接触器等低压开关电器商用化技术的突破，用户操作的便利性和实用性是影响其规模化应用的重要因素。