IEC TR 63282《LVDC系统标准电压和电能质量要求评估》标准解读

摘 要：文章针对IEC TR 63282《LVDC系统标准电压和电能质量要求评估》，分析了标准制定的背景，介绍了低压直流电压带、电能质量的划分原则，介绍了中国同里和荷兰阿姆斯特丹的LVDC系统案例。文章叙述内容能帮助读者更好地理解该标准。

关键词：IEC TR 63282，标准电压，电能质量，标准

0 前 言

近年来，随着分布式发电的快速发展以及电力电子变换技术的进步与成本降低，越来越多的直流配电项目投入商业运营，直流配电议题受到了世界各国的广泛关注[1-5]。在电源是直流源，负荷是电脑、变频空调等直流用电设备的情况下，LVDC系统可减少大量不必要的交直流转换环节，电源接入更加灵活，电力输配更加可靠，负荷利用更加高效。LVDC系统对于发展中国家而言，能够解决其电力获取困难的难题，对于发达国家而言，能够为其发展绿色、可持续能源，促进节能减排等问题提供优质的解决方案，同时也大大提升了LVDC系统的商业价值。

然而，与交流系统相比，目前LVDC系统还未划分明确的标准电压等级，这是目前制约其发展、推广的关键问题之一。目前的LVDC系统由于地理位置和应用方式的差异，存在各种各样的电压标准，难以支撑相关电气设备制造行业的发展以及系统的设计。制定明确的LVDC系统电压等级，有助于推动可再生能源、电力电子、智能家电、绿色建筑等产业的发展，有助于促进交流配电网向直流配电网转变，助力能源转型，建设以新能源为主体的新型电力系统。目前，国内外已建设有多个LVDC系统的试点示范工程，国内有江苏同里直流配电工程、国网雄安新区直流示范屋、深圳“光储直柔”建筑供配电系统，国外荷兰建有阿姆斯特丹可持续楼宇示范项目等。

目前交流系统对电能质量的研究已经相当完善，而直流配电系统的许多电能质量现象和电磁兼容（EMC）还未建立标准的评估体系。交流系统的电能质量现象与LVDC系统的电能质量现象不同，但也存在可以借鉴和参考的地方，如何准确评估LVDC系统电能质量现象及其对各类电气设备的危害影响有待进一步研究。

1 IEC TR 63282 标准简介

目前IEC在低压直流方面的标准化刚刚起步，SyC LVD系统委员会为主导，可以分为基础技术标准、系统分析、典型应用等标准化方向，涉及TC8、TC64、TC82等众多系统委员会。

IEC TR 63282 《LVDC systems - Assessmentof standard voltages and power quality requirements（LVDC系统标准电压和电能质量要求评估）》，由IEC TC8 JWG9 低压直流工作组牵头编写，由TC8System aspects of electrical energy supply电能供应系统技术委员会和SyC LVDC 低压直流系统委员会联合组织。该标准2017年正式立项，2021年第一版本ED1正式发布，2024年修订后的第二版本ED2正式发布。

标准针对低压直流标准电压的划分、电能质量问题的定义进行了详细介绍，创新性提出电压带的概念，准确反映低压直流系统电压工作运行状态。标准正文主体分为4个部分，低压直流系统结构、低压直流电压划分、电能质量现象、限值参考建议。后续修订将在电能质量测量以及中压直流用例方面进行补充。

I E C 63282目前已形成系列标准，IEC T R63282-101《LVDC systems： DC power distributionsystem for typical scenarios （低压直流系统：直流供配电系统典型场景）》、IEC TR 63282-102《LVDC systems： Technical report for low-voltage DCelectric island power supply systems （低压直流系统：低压直流独立供电系统技术报告）》目前已在编制中，相关工作为TC8 MT1/WG11、SyC LVDCWG2等工作组标准提供技术支撑。后续，在IECTR 63282 ED2的基础上，将在低压直流电压和电能质量方面开展进一步深化研究。

2 LVDC系统的构成

2.1 LVDC系统拓扑结构

按照连接方式，LVDC系统可以分为单极和双极直流系统，单极直流系统设计有两条输出线路，双极直流系统设计有3条输出线路。按照接地方式，又可进一步细分为TN-S直流系统和IT直流系统。

2.2 控制方式

2.2.1 无源直流系

无源系统的控制策略通常采用主从控制，系统的能量平衡通过控制电压圆的方式实现。正常工作状态下，无源直流系统产生电压波动的范围很小。

2.2.2 有源直流系统

有源直流系统的控制策略通常采用下垂控制，通过跟踪设备中配置的U-I曲线自动实现系统的能量平衡。正常工作状态下，有源系统的电压波动的范围比无源系统更大，我们将这个波动范围定义为电压带。电压带越宽，对系统和设备的要求就越高。

3 电压等级划分

3.1 电压带

对于有源直流系统，在系统电压从零到最大值之间分出6个电压等级U1～U6，以及系统正常工作状态下的额定电压Un，电压带B1～B7表现为两个电压等级之间的范围，如图3所示。

B1：供电中断带

长时间将导致系统停机，一般在系统启动时短暂出现。

B2：紧急电压带

系统承受负载过大，电压低于正常工作电压。

B3：额定电压带

此电压带为正常工作的电压范围（U2和U3之间）。

B4：开关和保护装置操作电压带

电流的突然变化会导致电压过冲或升高。

B5：过电压保护装置非工作电压带

浪涌保护装置不会在该电压带内限制电压。

B6：过电压保护装置工作电压带

浪涌保护装置在该电压内限制电压。

B7：禁止运行电压带

设备可能会出现永久性的损坏。

3.2 运行范围

为了体现系统运行状态与电压和时间的关联，定义了4个范围R1～R4，其中，状态R1～R3为瞬态及暂态，状态S4为稳态。系统工作状态A1～A7与电压和时间的关系如图4所示。

S1：瞬态

此状态时间很短，系统经过短暂的该状态后恢复为稳态。

S2：故障状态

此状态涉及系统电路或设备故障。在这种状态下，通常需要通过断开相关断路器，将故障电路立即从电力系统切断。

S3：电压控制状态

此状态内，需要采取措施来解决系统平衡问题。

S4：稳态

系统可以长期保持这种状态。

3.3 工作状态

电压带配合时间范围，反映系统的工作状态。

A1：停电状态

电压无法支持系统长时间运行。

A2：应急状态

负载虽然能够保持稳态运行，但无法满足负载的所有性能要求。

A3：正常工作状态

系统正常运行。

A4：异常工作状态

在特殊情况下，系统可能长时间处于异常工作状态。设备在设计时就应考虑该种状态，但可能会出现设备性能降低。

A5：保护未动作的过电压状态

开关或保护装置的动作导致电压升高。过电压保护装置不动作。

A6：保护动作的过电压状态

开关或保护装置动作导致过压，过电压保护装置动作。

A7：禁止运行状态

设备可能会遭受永久性损坏，应切断所有电源。

4 电能质量现象

电能质量是指系统中特定点处的电特性，某些事件可能会导致直流电压或电流一段时间内偏离正常值。图5显示了直流系统中电压带、电能质量和时间的关系。

当对具有特定阻抗参数和控制参数的系统施加扰动时，低压直流系统可能会出现振荡现象。振荡不能定义为电能质量现象，但它会影响低压直流系统电能质量。振荡的常见原因主要是系统受到特定频率干扰影响，以及多个设备之间控制参数的不匹配。

标准中详细介绍了低压直流系统中常见的电能质量现象，给出详细的波形，具体包括电压偏差、纹波、电压暂升、电压暂降、供电中断、快速电压变化、浪涌、电压不平衡等。

5 参考建议

5.1 电压等级

低压直流系统电压的定义需要考虑不同的因素，包括拓扑结构、负载距离、绝缘、电缆经济性、控制策略、保护要求、设备特性等不同因素。该标准在对电压等级进定义时，按照场景分为配电域和设备域，如图6所示。配电域主要应用于高功率、长距离的配电场景，设备域主要应用于终端用户或者生产设备供电的场景。不同场景的电压推荐值如表1和表2所示。

提出的电压推荐值考虑配电和用电兼容性，一个低压直流场景可能会包含这两种电压推荐域。配电域中电压推荐值选取，考虑传输容量，尤其是较长距离的配电线路，在不同工况下（包括故障情况）为设备提供稳定电力供应。而设备域的电压推荐值选取，应考虑低功率设备供电以及操作人员的人身安全。

5.2 EMC和兼容性等级

电能质量要求与电磁兼容的概念类似，可参考IEC TS 62749中对交流电能质量的描述，如图7所示。兼容性水平要求和抗扰度水平要求参考现有相关标准：IEC 61000-2-2、IEC 61000-2-12、IEC61000-2-4、IEC 61000-4-13、IEC 61000-4-19、IEC 61000-4-17、IEC 61000-4-29、IEC 61204-3、IEC TS 62053-41、IEC 61869-14：2018、IEC61869-15：2018。

5.3 电能质量

电能质量要求参考现有相关标准：IEC 60092-101、IEC 61000-4-29、IEC 61204-3等。

5.4 计量方法

5.4.1 DC系统RMS值的积分时间

DC系统RMS值积分时间或测量窗口长度应根据电能质量现象定义。

（1）稳态值建议设置为200ms到10min；

（2）快速均方根值（参考交流系统半周波RMS值）可用于暂态电能质量指标测量。

5.4.2 DC电能质量计量方法

对于0～9kHz频率范围内LVDC电能质量指标测量，可参考交流系统低频传导干扰标准中的方法（参见IEC 61000-4-30：2015，IEC 61000-4-15：2010）。对于高于9kHz频率的LVDC电能质量指标测量，可参考交流系统低频传导干扰，根据特定环境要求进行测试。

6 案 例

6.1 中国同里综合能源示范工程

中国同里综合能源示范工程由国网江苏电力打造，基于2017年国家重点研发计划研究成果，整个系统包含±750V、±375V、220V 不同直流电压等级，以电力电子变压器为核心，可实现灵活的功率控制和多种能源的互联互补，如图8所示。

该项目旨在实现高渗透地区分布式绿色能源的综合利用，探索不同的供电模式，开发高效直流配电设备，展示低能耗直流建筑的建设方式。

6.2 阿姆斯特丹绿色办公楼宇

位于阿姆斯特丹的绿色办公楼宇占地3000平方米，该办公楼可以提供正常办公环境，通过太阳能发电和电池储能来实现碳中和的目标，系统拓扑如图9所示。

该DC直流系统的主要工作电压在320～380V的电压带内，当系统内部电源供电功率不足时，AC/DC变换器可以作为电源向系统供电。系统中所有的设备，包括变换器、开关、充电器，均具备电流或功率双向操作功能。系统内有LED照明设备和USB-C电源插座（5/12/20V至100W）。功率大于100W的用户接入350V电压等级。

7 总 结

IEC TR 63282为低压直流系统电压和电能质量给出标准化规定，定义低压直流电压带概念和划分原则，并对低压直流电能质量标准化提出标准化建议。目前在低压直流领域，63282已经发展成为系列标准，后续将加强与其他标准和技术委员会的合作与交流，为低压直流标准化奠定技术基础，明确后续标准化发展方向。

参考文献

[1]IEC TR 63282： LVDC systems – Assessment of standard voltages and power quality[S].2020.

[2]Salonen P ， Kaipia T ， et al. An LVDC distribution system concept[J]. helsinki university of technology， 2008.

[3]LVDC： electricity for the 21st century[R]. IEC Technical Report， 2017.

[4]陈红坤，何桂雄，等.楼宇交直流混合供电模式下直流电压等级的研究[J].中国电机工程学报，2017，37（20）：5840-5851.

[5]Wang D ， Emhemed A ， et al. Fault analysis of an active LVDC distribution network for utility applications[C]// 51stInternational Universities' Power Engineering Conference.IEEE， 2017.