直流微网多电压等级划分探究

鲍韦晴，郭权利

（沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110000）

0 引 言

近年来，电力电子技术飞速发展，随之电源侧和负荷侧也都有直流化的趋势。光伏发电等新能源分布式电源发展快速，这些电源发出直流电，为减少转换损耗，电源侧逐渐向直流转变。现在越来越多的设备基于直流进行供电，如电动汽车充电桩、LED照明、数码产品等智能化、数字化的低压设备，且随着数字化时代对电能质量和供电可靠性的要求，配电室直流化是必然趋势。除此之外，直流还有非常多的优点，如线路成本低、损耗小、安全性高、便于并网等，因此受到了国内外学者的广泛关注。

怎样选择合适的电压等级，使它能够适应高速发展的经济和满足用户日益增长的供电需求是电网规划中具有实际意义的研究课题。现有关于直流配电电压等级已有一定方向，但具体的设想还应经过工程实践的验证。虽然已有一些标准，但这些标准的考虑因素繁杂，仍需一个统一的标准，且民用直流微网的电压等级可以从以下几个方面考虑，如国家标准、行业标准以及经济性等[1-4]。本文从以上方面建立了一个可以适用于民用建筑电压等级的规范。

1 电压等级的考虑因素

直流微网的效率跟设备容量与电压等级密切相关。同时，合理的民用直流电压等级也决定了民用直流设备的发展方向，因此本文将从以下方面对直流电压等级的选择进行讨论。

1.1 单相交流负荷的供电需求

目前，大部分低负荷工作方式为单相或三相低压交流电。为了保证供电质量，直流微网也需根据负荷确定直流电压等级。直流经逆变为交流，从而可以给交流负荷供电。但单相交流负荷容量较小，可忽略三相平衡问题直接由直流供电。

直流的电压等级受到交流电压等级的影响，同样说明直流微电网可以解决单相交流负荷的供电需求。一般家庭交流电压等级为交流220 V，取U%=5%，计算得直流电压等级应为257 V，因此直流电压等级建议选取直流260 V。

1.2 直流负荷的供电需求

生活中常用的直流电器有LED灯、手机、热水器、直流电冰箱以及直流空调等，此外打印机和电脑等办公设备也可以使用直流电。这些负荷的额定电压一般不高，所接入额定电压基本为直流24 V或48 V。

为了降低投资成本和运行成本，应尽量减少直流电压等级的变压次数，也可为各类直流设备提供参考标准。对直流电压等级的要求应当保证供电效率并符合常见的直流设备，也应当具有一定的电压变换灵活性，使特殊电压等级通过电压变换接入系统。对于小功率直流设备，建议采用直流24 V或48 V电压等级；对于民用大功率直流设备或小功率工业设备，采用直流240 V或400 V电压等级；对于大功率工业制造业设备，建议采用直流690 V或750 V电压等级。由于本文针对民用建筑，电压等级可根据家庭具体直流负荷的额定电压选择适合的额定电压。

2 电压等级的选择

2.1 根据供电能力选择

线路的供电容量和供电距离决定了这条线路的供电能力，根据P=UI可得输送容量与直流电压成正比。可根据《电能质量供电电压允许偏差》得出直流线路的电压损耗率规定值，从而得出线路损耗率。确定线路参数后可计算出供电距离L，从而求出供电容量P。

根据家庭总用电器的平均最大功率，建筑面积和供电距离可确定电压等级的范围。民用建筑300 m2内电压等级基本可以为48～100 V。

2.2 根据“几何均值”和“舍二求三”原则

电压等级的选择通常要考虑“几何均值”，并符合“舍二求三”原则。根据国际电工委制定的电压等级标准原则，得出相邻电压等级比值不小于2。在50～150 kV的电压范围内，相邻电压等级的比值应大于5。“几何均值”的作用是降低电网运行费用，提高电网经济性。因此，要使得电压等级之间应互为“几何均值”，以保证各个电压等级之间的的经济性。“舍二求三”原则是指各电压等级之间的倍数应当尽可能接近3倍，并不能采用电压等级比值小于2倍的电压等级。

3 输电方式的选择

3.1 单极传输和双极传输

直流电的传输方式分为单极传输和双极传输，两种传输方式各有优缺点。单极传输建设成本低，但传输容量容易受到入地电流的制约，可靠性较低；双极传输建设成本高，但容量大，灵活性好和可靠性高。双极传输如图1所示。

图1 双极传输图

若考虑成本则选择单极传输60 V，若考虑稳定性则选择±30 V，选择±30 V可以方便以后加入直流24 V的电器。双极传输的供电容量和供电距离也远好于单极传输。

3.2 多个电压等级

对于民用直流电，应根据家用电器的功率来确定直流电压等级，将多种常见家用电器的功率进行试验分析，得到最优电压等级。根据电能质量，可分成1至多个电压等级，但不应超过3个。民用生活或办公直流电通常可以设定为两个电压等级。根据以上思路，可以选择24/260 V额定电压。

4 电压等级可行性分析

以家庭或农村直流微网为例，所用直流电器多为12 V和24 V，交流电器多为220 V。综上电压等级的选择有3种方案：一是直流60 V，成本较低；二是±30 V，稳定性高，便于接入24V电器；三是24/260 V，便于接入24 V和交流电器。

4.1 适应性评估

评估直流60 V、±30 V以及24/380 V电压等级方案的适应性，将电压等级的特性赋予指标进行模糊计算。本文主要考虑适应性指标和经济影响因素，并将这两种因素进行量化处理，得到更明显的评估结果，然后将评估结果构成多维模糊评估矩阵。

4.2 综合评估结果

依据第4.1章节给出的判定指标进行模糊评估矩阵计算，得出评估结果为[0.756,0.816,0.865]。表明双电压等级24/260 V方案适应性最强，±30 V方案第二，60 V方案第三。该方法能清楚体现各种输电方式的优缺点，可以根据用户的具体需求进行选择[5]。

5 结 论

本文根据影响直流电压等级的主要因素，考虑直流输电的经济性，将直流电压等级标准化，确定了直流电压等级标准化的必要性。考虑新建和扩建直流电网接入原有直流电网的情况并使之成为可能。根据直流输电容量与输电距离，将直流电网的投资运行成本、设备制造以及直流电网电流限制等多种因素考虑在内，提出直流电压等级确定方法，提高了直流微网的适应性和可拓展性，从长远考虑对直流电网的发展和运行都有一定的积极作用。

此外，根据本文提出的计算方法可计算出任何情况下所适用的不同电压等级，后再用进行可行性分析得出最终选择的电压等级，也可根据项目需求适当修改可行性系数从而得出更加适合项目需求的电压等级。