直流微電網(wǎng)電壓等級序列選擇的影響因素研究

蔡冰倩， 賈利虎， 朱永強(qiáng)， 王銀順

(新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 華北電力大學(xué)， 北京 102206)

直流微電網(wǎng)電壓等級序列選擇的影響因素研究

蔡冰倩， 賈利虎， 朱永強(qiáng)， 王銀順

(新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 華北電力大學(xué)， 北京 102206)

直流微電網(wǎng)是未來智能電網(wǎng)的重要組成部分。目前，國內(nèi)外關(guān)于直流微電網(wǎng)電壓等級選擇的研究還不夠深入。本文在借鑒傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)電壓等級序列優(yōu)化選擇的基礎(chǔ)上，分析了負(fù)荷的供電需求、分布式電源的接入需求、直流設(shè)備的制造水平、供電問題、絕緣接地問題以及電磁兼容問題等影響因素，給出了在考慮各影響因素下的電壓等級制定建議，并從經(jīng)濟(jì)性層面上介紹了電壓等級序列與成本之間的關(guān)系。最后，以家用型直流微電網(wǎng)為例，設(shè)計(jì)了其電壓等級序列，說明了其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，這也為其他類型的直流微電網(wǎng)設(shè)計(jì)提供了借鑒。

直流微電網(wǎng)； 直流電壓等級； 影響因素； 經(jīng)濟(jì)性分析

1 引言

隨著電力電子技術(shù)和可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，直流配電系統(tǒng)重新引起了人們的關(guān)注，尤其是作為其重要組成單元的直流微電網(wǎng)也成為近年來的研究熱點(diǎn)。但目前針對直流微電網(wǎng)電壓等級選擇的研究還不夠成熟，尚未形成一定的理論體系，相關(guān)研究文獻(xiàn)也較少。

國外文獻(xiàn)對于直流微電網(wǎng)的電壓等級選擇進(jìn)行了一定的研究，但多集中在對某一實(shí)際應(yīng)用場合下的電壓等級進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，文獻(xiàn)[1]中指出DC380V可以給交流配電網(wǎng)、廚房負(fù)荷以及其他家用電器供電，且多存在于輸入端有功率校正裝置的家用電器設(shè)備，以匹配工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的中間直流電壓；DC48V可以向小型桌面設(shè)備、娛樂設(shè)備、LED照明設(shè)備等供電，且和標(biāo)準(zhǔn)的通信電壓等級一致，具有使用方便、效率高的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]對居民用電和商業(yè)用電的電壓等級進(jìn)行了分析，得出DC400V是商業(yè)用電的最佳電壓等級，DC48V是居民用電的最佳電壓等級。文獻(xiàn)[3]研究了廣泛應(yīng)用于電信領(lǐng)域的DC260V和DC400V直流微電網(wǎng)電壓等級。

國內(nèi)文獻(xiàn)對于直流微電網(wǎng)電壓等級選擇的研究還處于起步階段，多集中在一些理論的廣義分析，缺少建設(shè)性研究。例如，文獻(xiàn)[4]指出當(dāng)前直流配電網(wǎng)電壓等級的選擇方法尚未有定論，需進(jìn)一步的探索研究。文獻(xiàn)[5,6]從不同電壓等級的換流站造價、電纜造價、傳輸損耗、運(yùn)行費(fèi)用、總工程投資以及投資回報(bào)等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)出發(fā)，對于直流輸電網(wǎng)電壓等級序列的選擇問題進(jìn)行了一定的研究，但是針對低壓直流配電網(wǎng)中電壓等級序列的研究較少。文獻(xiàn)[7]以負(fù)荷需求為基本出發(fā)點(diǎn)，提出了高中低壓相配合的直流配電網(wǎng)電壓等級序列，但對于低壓直流微電網(wǎng)內(nèi)部電壓等級選擇方面的分析較少。

合理選擇電壓等級能夠降低網(wǎng)損、減少資源損耗、節(jié)約土地、提高配電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。本文在借鑒傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)電壓等級選擇經(jīng)驗(yàn)[8](如經(jīng)典的“幾何均值”規(guī)律和“舍二求三”原則)的基礎(chǔ)之上，結(jié)合國內(nèi)外直流供電工程，分析了影響直流微電網(wǎng)電壓等級序列選擇的各種因素，并以家用型直流微電網(wǎng)為例，設(shè)計(jì)了其電壓等級序列，驗(yàn)證了其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，也為其他應(yīng)用場合中的直流微電網(wǎng)電壓等級序列設(shè)計(jì)提供了借鑒。

2 直流微電網(wǎng)電壓等級選擇的影響因素

直流微電網(wǎng)電壓等級序列的合理設(shè)計(jì)關(guān)系著整個配電系統(tǒng)的運(yùn)行效率，并影響著未來電網(wǎng)的發(fā)展。直流微電網(wǎng)的電壓等級選擇涉及多個因素，本文將從以下幾個方面展開討論。

2.1 負(fù)荷的供電需求

(1)交流負(fù)荷的接入問題

按照目前已有低壓負(fù)荷的供電方式考慮，可知大部分負(fù)荷的工作電壓為單相或者三相低壓交流電。為了保證這些負(fù)荷的正常供電，直流微電網(wǎng)應(yīng)存在相對應(yīng)的直流電壓等級，在其逆變后可直接給交流負(fù)荷供電。

1)三相交流負(fù)荷的供電需求

直流微電網(wǎng)與三相交流負(fù)荷之間的變流器選擇三相逆變器，以滿足三相負(fù)荷的供電需求。已知三相變流器的交、直流側(cè)電壓關(guān)系為Ud=Ul/0.816(其中，Ul為交流線電壓)[9]，若考慮線路的電壓降落要求，則直流線路電壓Ud0_3的取值應(yīng)滿足：

(1)

式中，ΔU%為電壓損耗率。例如，三相交流負(fù)荷的工作電壓為AC380V，取ΔU%=5%，則三相變流器所接線路直流電壓Ud0_3的范圍為：

因此，建議選用DC500V。

2)單相交流負(fù)荷的供電需求

單相交流負(fù)荷有兩種供電方式：①由三相交流負(fù)荷的供電側(cè)直接供電；②由直流線路經(jīng)單相逆變器進(jìn)行供電。方式①僅適用于直流微電網(wǎng)中含有三相交流負(fù)荷，且單相交流負(fù)荷容量相對較小的情況；當(dāng)單相交流負(fù)荷容量較大時，考慮到三相平衡問題，其供電方式應(yīng)采用方式②。

已知單相變流器的交、直流側(cè)電壓關(guān)系為Ud=Uo/0.9(其中，Uo為交流電壓)[9]，則單相變流器所接直流線路電壓Ud0_1的取值應(yīng)滿足：

(2)

例如，單相交流負(fù)荷的工作電壓為AC220V，取ΔU%=5%，則由式(2)可知直流線路的電壓等級范圍為：

因此，建議選取DC260V。

(2)直流負(fù)荷的供電需求

按照應(yīng)用場合的不同，直流微電網(wǎng)中的直流負(fù)荷可分為民用負(fù)荷、辦公負(fù)荷和商用負(fù)荷。

1)民用負(fù)荷、辦公負(fù)荷

常見的民用直流負(fù)荷有LED燈、手機(jī)、熱水器、直流電冰箱、直流空調(diào)等。打印機(jī)、電腦等辦公設(shè)備也可以使用直流電。這些負(fù)荷多為小功率負(fù)荷，可接入DC24V、DC48V[10]的直流線路。

2)商用負(fù)荷

商用負(fù)荷一般為大功率直流負(fù)荷，例如小型直流電動機(jī)、有軌電車、艦船、企業(yè)數(shù)據(jù)中心、電動汽車等，調(diào)研發(fā)現(xiàn)不同類別的商用直流負(fù)荷的工作電壓相差較大，同類商用直流負(fù)荷的工作電壓也大小不一，如表1所示。

表1 常見商用直流負(fù)荷的工作電壓Tab.1 Supply voltage of common DC loads in commerce

為了規(guī)范各類直流負(fù)荷的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，并本著盡可能減少電能變換的次數(shù)、降低投資成本的原則，所制定的直流微電網(wǎng)電壓等級應(yīng)盡量符合一些常見負(fù)荷的接入需求，且便于不符合接入標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整。本文建議，對于民用和辦公用的小功率直流負(fù)荷接入，制定DC24V、DC48V電壓序列；針對中小功率的商業(yè)負(fù)荷，制定DC240V、DC400V電壓序列；對已有成熟制造產(chǎn)業(yè)的大功率直流負(fù)荷，制定DC690V、DC750V電壓序列。

2.2 分布式電源的接入需求

分布式電源(Distributed Generation，DG)是直流微電網(wǎng)的主要供電電源，其輸出電壓一般不滿足直接入網(wǎng)要求，多經(jīng)變流器變壓后接入直流電網(wǎng)。這不僅造成了能源損耗，增加了故障源，也增大了微電網(wǎng)的建設(shè)成本。

為了緩解上述不足，滿足DG接入需求，直流微電網(wǎng)所制定的電壓等級應(yīng)與DG的輸出電壓相匹配。常見的DG有風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和儲能裝置，其輸出電壓如表2所示。

大功率風(fēng)電輸出交流電，需經(jīng)三相變流器整流后接入直流電網(wǎng)，由式(1)可以得出大功率風(fēng)電所接直流線路的電壓應(yīng)大于890.1V(ΔU%=5%)，建議選取DC900V。

表2 常見DG的輸出電壓Tab.2 Output voltage of common DGs

小功率風(fēng)電的內(nèi)部集成有變流器，輸出直流電。但由于生產(chǎn)廠家較多，且缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其輸出電壓大小不一(見表2)。光伏發(fā)電系統(tǒng)由多個光伏組件串、并聯(lián)，其輸出電壓與單個組件電壓及其串聯(lián)數(shù)量有關(guān)，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓可根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓進(jìn)行調(diào)整，且一般接入高電壓等級線路。鉛酸蓄電池、超級電容器和飛輪儲能也輸出直流電，但單個儲能裝置的輸出電壓較小，一般采用多個裝置串、并聯(lián)后直接接入或經(jīng)過DC/DC變換器變壓后接入連接點(diǎn)，因此儲能裝置可接入多個直流電壓等級線路。

由上述分析可知，光伏發(fā)電、儲能裝置的輸出電壓可變，接入需求低，可不作考慮。因此，為滿足小功率風(fēng)電的直接接入需求，建議制定DC48V、DC96V、DC120V和DC240V直流電壓等級序列。

2.3 直流設(shè)備的制造水平

直流微電網(wǎng)的設(shè)備組成與交流電網(wǎng)相似，包括直流斷路器、變流器、直流控制設(shè)備和保護(hù)設(shè)備。直流設(shè)備的工作電壓范圍直接影響著直流微電網(wǎng)電壓等級的選擇，同時，確定的直流電壓等級也就決定了這些設(shè)備的電壓設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)。本文以變流器和直流斷路器為例，說明直流設(shè)備對直流電壓等級制定的影響。

(1)變流器的工作電壓

在直流微電網(wǎng)中，變流器是各母線之間、DG和母線之間、負(fù)荷和母線之間的重要橋梁，包括AC/DC變換器和DC/DC變換器。AC/DC變流器用于交流負(fù)荷、交流輸出DG與直流線路的互聯(lián)，DC/DC變流器用于各直流線路之間、直流輸出DG和線路之間、直流負(fù)荷和線路之間的互聯(lián)。當(dāng)前變流器的制造水平較為成熟，工作電壓范圍大，基本可以滿足各種直流電壓等級的需求[11]，例如ABB公司生產(chǎn)的DCS800整流器的輸入電壓為AC230V～AC1200V，輸出為DC310V～DC1590V。

(2)直流斷路器的工作電壓

在直流微電網(wǎng)中，直流斷路器是承載正常供電電流，并在規(guī)定時間內(nèi)開斷直流運(yùn)行回路正常電流以及故障電流的開關(guān)設(shè)備[4]。鑒于直流微電網(wǎng)的起步較晚，適用于微電網(wǎng)的直流斷路器還處于發(fā)展階段，其中文獻(xiàn)[12]指出DC800V及以下的直流斷路器技術(shù)相對成熟，例如北京開關(guān)廠生產(chǎn)的DC250V、DC500V、DC750V和西門子公司的DC220V、DC440V、DC800V直流斷路器。

2.4 供電問題

(1)供電能力

供電能力是指線路供電容量和供電距離。根據(jù)直流輸電線路功率表達(dá)式P=UI可知，在線路電流一定的情況下，輸送容量與直流電壓成正比。由文獻(xiàn)[7]可知，直流線路的電壓損耗率和線路損耗率在數(shù)值上是相等的，可根據(jù)《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》得出直流線路的電壓損耗率規(guī)定值。因此，當(dāng)線路參數(shù)確定時，可根據(jù)式(3)計(jì)算出供電距離L，將L代入式(4)求出線路的供電容量P。

(3)

(4)

式中，lloss為線路損耗率；ρ為電阻率(Ω·m)；J為經(jīng)濟(jì)電流密度(A/mm2)；UN為直流電壓等級(V)；S為線路截面積(mm2)。

假設(shè)線路為鋁芯電纜，ρ=2.826×10-8Ω·m，J=1.92A/mm2，lloss=ΔU%=5%，可估算出直流微電網(wǎng)中各電壓等級的供電距離和供電容量，如表3所示。

表3 各直流電壓等級的供電容量和距離Tab.3 Capacity and distance of power supply for different DC classes

(2)供電電壓質(zhì)量

直流線路采用單極式供電時不涉及無功功率，線路的電壓降落表達(dá)式為ΔU=PR/UN，可以看出，如果保持線路參數(shù)和輸送容量不變，電壓等級提高一倍，電壓降落變?yōu)樵瓉淼?/2。例如家庭用戶功率為6kW，若采用線路電阻約為0.5Ω的DC400V進(jìn)行供電，則其電壓降落為7.5V，電壓損耗率為1.875%，而采用具有相同線路電阻的DC200V供電時，其電壓降落為15V，電壓損耗率為3.75%。

2.5 絕緣接地問題

(1)直流系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)

直流系統(tǒng)中的接地方式按照接地極性分為正極接地和負(fù)極接地，其中正極接地可能使保護(hù)及自動裝置誤動作，負(fù)極接地可能使保護(hù)自動裝置拒絕動作。由此看出直流系統(tǒng)接地故障的危害很大，不僅對設(shè)備不利，也會對整個系統(tǒng)的安全構(gòu)成威脅。我國《特低電壓(ELV)限值》規(guī)定，無高度觸電危險(xiǎn)建筑物的安全電壓值為AC65V，因此需要對直流微電網(wǎng)中相對高于此限值的部分進(jìn)行接地保護(hù)設(shè)計(jì)。

美國電力研究協(xié)會 (Electric Power Research Institute，EPRI)給出的直流電網(wǎng)接地保護(hù)方案如圖1所示。采用三線制供電，將400V直流電壓分解為+200V和-200V，這樣可以使正負(fù)極對地電壓減小為兩線制時的一半；變壓器二次側(cè)中性點(diǎn)、整流器的中性點(diǎn)和電氣設(shè)備的外殼通過地線連接后，經(jīng)接地電阻與大地相連。由IEC23EWG2可知，采用±200V中線接地的直流系統(tǒng)的安全性優(yōu)于220V交流系統(tǒng)。

圖1 直流微電網(wǎng)的接地保護(hù)設(shè)置Fig.1 Ground protection installation for DC microgrid

因此，為保證用戶安全和電器安全，給出以下建議：以DC48V為分界線，超過部分設(shè)置接地保護(hù)，低于部分不再設(shè)置接地保護(hù)。

(2)直流線路絕緣設(shè)計(jì)

由于直流微電網(wǎng)多建設(shè)在城市地區(qū)，而城市地上空間有限，采用架空線路會占用過多的空間資源，因此直流微電網(wǎng)多采用直流電纜供電。根據(jù)直流電纜的電場分布特性和絕緣特性可以得出，電壓U增大，電場強(qiáng)度E增大，絕緣材料的電阻率ρ變小，電纜的絕緣性減弱；而過壓時，絕緣材料易被擊穿。另外，直流線路的絕緣特性還與線路電流、環(huán)境溫度有較大關(guān)系，通過電流過大時，熱效應(yīng)明顯，線路的絕緣材料容易老化。

參考交流低壓電纜絕緣設(shè)計(jì)規(guī)范，給出了直流電纜絕緣水平選擇的參考值，如表4所示。其中U0為纜芯對地額定電壓值，U為正負(fù)極纜芯之間電壓的額定值。

表4 直流電纜的絕緣水平參考Tab.4 Reference of insulation level for DC cable

2.6 電磁兼容問題

直流微電網(wǎng)中使用了大量變流器。在工作過程中，變流器中的二極管、IGBT等開關(guān)器件的高頻開關(guān)動作會產(chǎn)生很大的du/dt和di/dt沖擊，而電腦、手機(jī)等直流敏感設(shè)備極易受到電磁干擾的影響。據(jù)此本文給出以下建議：采用高電壓的大功率電動調(diào)速設(shè)備以及大容量的變流器，應(yīng)與敏感性負(fù)荷保持一定的安全距離，以減少電磁干擾。但直流微電網(wǎng)線路的電壓等級較低(小于1000V)，因此其對用電負(fù)荷的電磁干擾可不予考慮。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

為了提高直流微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性，在考慮各種影響因素下制定的直流電壓等級序列所對應(yīng)的直流微電網(wǎng)應(yīng)具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。這里的經(jīng)濟(jì)性是指微電網(wǎng)的建設(shè)成本、運(yùn)行成本和維護(hù)成本[5]相對較少。

(1)建設(shè)成本

直流微電網(wǎng)的建設(shè)成本指電纜、變流器和直流斷路器等設(shè)備的購買成本。在過流能力相同時，直流電纜的電壓等級越高，其輸送容量越大，能夠供電的負(fù)荷功率就越大，造價也就越高。假設(shè)電纜的單價為m0，輸送距離為L，則電纜的購買總成本Cl=m0L。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在通流能力一定的情況下，變流器的額定電壓越高，容量越大，相應(yīng)的成本也就越高。因此，變流器的價格與其額定電壓呈正相關(guān)關(guān)系。若變流器的單位容量價格為mv，額定容量為Pv，則單個變流器的購買成本Cv=mvPv。

直流線路的電壓等級直接決定著直流斷路器極數(shù)選擇，且電壓越高，所需極數(shù)越多，價格也就越高；另外直流斷路器的通斷電流能力與其工作電壓也呈正相關(guān)關(guān)系，耐壓和過流能力越高，成本也越高。若直流斷路器的額定電壓為Ur，則單個購買成本Cr=mrUr，其中mr為相關(guān)系數(shù)。因此合理選擇直流微電網(wǎng)的電壓等級能夠有效減少直流設(shè)備的投資，降低建設(shè)成本。直流微電網(wǎng)的建設(shè)成本Cb為：

Cb=Cl+Cv+Cr=m0L+mvPv+mrUr

(5)

(2)運(yùn)行維護(hù)成本

1)運(yùn)行成本

直流微電網(wǎng)的運(yùn)行成本主要指能量損耗成本，包括線路損耗和變流器損耗兩個方面。

已知線路損耗ΔPl_loss=llossPl，Pl為線路輸送容量。設(shè)單位千瓦時的價格為m1，系統(tǒng)運(yùn)行年限為n，則線路損耗成本Cl_loss為：

在保持線路參數(shù)和輸送功率不變的情況下，電壓等級提高1倍，線路損耗成本減少為原來的1/4。

變流器損耗主要指開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，開關(guān)損耗受控制方式影響，導(dǎo)通損耗則與流過的電流有關(guān)。當(dāng)變流器傳輸功率不變時，電壓等級越高，電流越小，導(dǎo)通損耗也就越小。已知變流器損耗率ηloss和變流器轉(zhuǎn)換效率ηc的關(guān)系為：ηloss+ηc=1，則變流器損耗成本Cc_loss為：

可知，變流器的轉(zhuǎn)換效率越高，損耗成本越小。

變流器的轉(zhuǎn)換效率與電壓等級有關(guān)，但由于變流器的轉(zhuǎn)換效率受器件制造工藝、控制技術(shù)、應(yīng)用環(huán)境等因素的影響，因此很難確定兩者之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。本文經(jīng)過大量的調(diào)研得出在不同場合、不同電壓等級下的變流器損耗率，如表5所示。在傳輸功率一定的情況下，對于相同結(jié)構(gòu)的變流器組合，電壓等級越高變流器轉(zhuǎn)換效率越大。

表5 各種應(yīng)用場合下不同電壓等級的變流器損耗率Tab.5 Converter loss rate in different applications and DC classes

2)維護(hù)成本

已知微電網(wǎng)的維護(hù)成本與輸送功率近似呈正相關(guān)關(guān)系?？紤]到直流微電網(wǎng)的電壓等級較低，輸送功率較少，因此直流微電網(wǎng)的維護(hù)成本可近似表示為Cm=0.02m1Ptn，其中Pt為系統(tǒng)的輸送功率。

綜上所述，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)總成本Closs為：

(6)

(3)直流微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性分析

從上述分析可知，電壓等級越高，直流電網(wǎng)的建設(shè)成本越高，運(yùn)行維護(hù)成本則越小。因此，在制定直流微電網(wǎng)的電壓等級時，應(yīng)充分考慮其與建設(shè)成本、能量損耗成本之間的關(guān)系，使所設(shè)計(jì)的直流微電網(wǎng)總成本較少，以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。直流微電網(wǎng)的總成本Ct可表示為：

(7)

式中，i代表電壓等級序數(shù)；m為電壓等級總個數(shù)。

4 家用型直流微電網(wǎng)電壓等級序列的選擇

本文以家用型直流微電網(wǎng)為例，在綜合考慮直流微電網(wǎng)電壓等級序列選擇的各種影響因素下，設(shè)計(jì)了其直流電壓等級序列，并說明了該電壓等級序列的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。

4.1 直流電壓等級序列的選擇

家用型直流微電網(wǎng)中的負(fù)荷主要包括小功率的LED燈、手機(jī)、電腦和大功率的電動汽車等直流負(fù)荷，以及冰箱、洗衣機(jī)等單相低壓交流負(fù)荷；DG有小功率的風(fēng)電、光伏電池和儲能裝置。

為了便于上述直流負(fù)荷、DG接入直流微電網(wǎng)，為其選擇DC24V、DC48V、DC260V、DC400V的電壓等級序列。其中，DC24V和DC48V用于小功率直流負(fù)荷和小功率風(fēng)電的接入；DC260V用于單相低壓交流負(fù)荷經(jīng)變流器變換后接入；DC400V用作各家庭用戶之間互聯(lián)的母線，也用于具有相同工作電壓的電動汽車的直接接入，另外，光伏發(fā)電系統(tǒng)和直流儲能裝置的輸出電壓也可按相近的電壓水平設(shè)計(jì)，并經(jīng)DC/DC變流器后接入此電壓等級。此外，考慮到高電壓等級變流器的損耗率小，因此線間變流器的高壓側(cè)也與DC400V母線相連。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市場上已有DC250V和DC440V的直流斷路器，這也驗(yàn)證了所選直流電壓等級序列的可行性。

在接地保護(hù)方面，DC48V、DC260V和DC400V線路以及外殼導(dǎo)電的設(shè)備通過地線相連后，再經(jīng)由主接地條(MGB)與大地相連。本例中的家用型直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示[13]。

圖2 家用型直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of home DC microgrid

4.2 直流微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性分析

通過對當(dāng)前直流設(shè)備生產(chǎn)廠家的調(diào)研，列出了所選直流電壓等級序列對應(yīng)的YJV電纜、變流器和直流斷路器的單位投資成本、輸電容量和距離，如表6所示。

表6 直流微電網(wǎng)的單位投資成本、 輸電容量和距離Tab.6 Unit investment, transmission capability and distance of DC microgrid

參照表5，取DC260V及以下電壓等級中的變流器損耗率為8.6%。若設(shè)m1=0.4883元/(kW·h)，將表6中的電纜單價(m0)等數(shù)據(jù)代入式(5)、式(6)，可計(jì)算出家用型直流微電網(wǎng)的建設(shè)總成本Cb和年運(yùn)行維護(hù)總成本Closs_a分別為：

Cb=m0L+mvPv+mrUr=39.54(萬元)

Closs_a=m1(llossPl+ηlossPv+0.02Pt)=4.68(萬元)

因此，采用本例所選電壓等級序列時，家用型直流微電網(wǎng)的總成本為：

Ct1=39.54+4.68n

值得注意的是，當(dāng)家用型直流微電網(wǎng)中的負(fù)荷工作電壓和DG輸出電壓較小時，可省去DC400V電壓等級，此時系統(tǒng)的Cb=13.39萬元，Closs_a=1.7萬元，對應(yīng)的微電網(wǎng)總成本Ct2=13.39+1.7n。當(dāng)微電網(wǎng)中無超低壓直流負(fù)荷，則可去掉DC24V電壓等級，對應(yīng)的Cb=39.15萬元，Closs_a=4.63萬元，微電網(wǎng)系統(tǒng)總成本Ct3=39.15+4.63n。

而采用當(dāng)前工程中常用的DC750V、DC400V、DC48V、DC24V電壓等級序列時，家用型直流微電網(wǎng)總成本為：

Ct4=121.12+11.90n

經(jīng)比較可知，考慮各種影響因素下選擇的電壓等級序列所對應(yīng)的直流微電網(wǎng)總成本明顯低于目前工程中常用直流電壓序列的微電網(wǎng)成本，驗(yàn)證了其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。另外，在實(shí)際應(yīng)用時，可根據(jù)所設(shè)計(jì)場景的具體需求增減電壓等級，例如，無大電壓負(fù)荷的直流微電網(wǎng)可省去DC400V電壓等級、無超低壓負(fù)荷的微電網(wǎng)可不用DC24V電壓等級，這不僅能降低直流微電網(wǎng)成本，同時也增加了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)論

借鑒傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)電壓等級制定方法，結(jié)合對當(dāng)前直流微電網(wǎng)工程的調(diào)研，本文詳細(xì)分析了負(fù)荷的供電需求、分布式電源的接入需求、直流設(shè)備的制造水平、供電問題、絕緣接地問題和電磁兼容問題等直流微電網(wǎng)選擇電壓等級序列的影響因素，同時給出了考慮上述影響因素時選擇電壓等級的建議。另外，從直流微電網(wǎng)的建設(shè)成本、運(yùn)行維護(hù)成本出發(fā)，對電壓等級序列的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，給出電壓等級與直流微電網(wǎng)總成本之間的關(guān)系。最后以家用型直流微電網(wǎng)為例，設(shè)計(jì)了其電壓等級序列，并與目前工程中常用電壓等級序列的微電網(wǎng)成本進(jìn)行了比較，說明了其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，也為其他類型的直流微電網(wǎng)電壓等級的制定提供了參考。

[1] D Boroyevich, R Brasov, I Cvetkovic, et al. Future electronic power distribution systems: A contemplative view [A]. 12th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM) [C]. 2010. 1369-1380.

[2] S Anand, B G Fernandes. Optimal voltage levels for DC microgrids [A]. IECON 2010-36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society[C]. 2010. 3034-3039.

[3] Didier Marquet, Toshimitsu Tanaka, Kensuke Murai, et al. DC power wide spread in Telecom/Datacenter and in home/office with renewable energy and energy autonomy[A]. 35th International Telecommunications Energy Conference ‘Smart Power and Efficiency’ (INTELEC) [C]. 2013. 1-6.

[4] 鄭歡(Zheng Huan). 柔性直流配電網(wǎng)的若干問題研究(Research on some problems of DC distribution network)[D].杭州：浙江大學(xué)(Hangzhou: Zhejiang University),2014.

[5] 曾丹,姚建國,楊勝春,等(Zeng Dan, Yao Jianguo, Yang Shengchun, et al.). 柔性直流輸電不同電壓等級的經(jīng)濟(jì)性比較(Economy comparison of VSC-HVDC with different voltage levels)[J]. 電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric Power Systems),2011,35(20):98-102.

[6] 張運(yùn)洲,韓豐,趙彪,等(Zhang Yunzhou, Han Feng, Zhao Biao, et al.). 直流電壓等級序列的經(jīng)濟(jì)比較(Economic comparison of HVDC voltage class sequence)[J].電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology), 2008,32(9):37-41.

[7] 王丹,柳依然,梁翔,等(Wang Dan, Liu Yiran, Liang Xiang, et al.). 直流配電網(wǎng)電壓等級序列研究(DC distribution network voltage class series)[J]. 電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric Power Systems), 2015,39(9):19-25, 47.

[8] 曹增功(Cao Zenggong). 電力網(wǎng)絡(luò)電壓等級的選擇(Selection of Voltage grade of the electric network)[J]. 山東電力技術(shù)(Shandong Electric Power),1998,(3):31-34.

[9] 王兆安,黃俊(Wang Zhao’an, Huang Jun). 電力電子技術(shù)(Power Elecronics) [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社(Beijing: China Machine Press),2000.

[10] A T Elsayed, A A Mohamed, O A Mohammed. DC microgrids and distribution systems: An overview[A]. IEEE Power and Energy Society General Meeting (PES) [C]. 2013. 1-5.

[11] 馬偉明,肖飛(Ma Weiming, Xiao Fei). 風(fēng)力發(fā)電變流器發(fā)展現(xiàn)狀與展望(The status and outlook of wind power converters)[J]. 中國工程科學(xué)(Engineering Sciences), 2011,13(1):11-20.

[12] 何俊佳,袁召,趙文婷,等(He Junjia, Yuan Zhao, Zhao Wenting, et al.). 直流斷路器技術(shù)發(fā)展綜述(Review of DC circuit breaker technology development)[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)(Southern Power System Technology), 2015,9(2):9-15.

[13] 朱永強(qiáng),賈利虎,王銀順(Zhu Yongqiang, Jia Lihu, Wang Yinshun). 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則(Basic design principles for micro-grid architecture)[J]. 電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy),2015,34(9):44-49, 63.

Research on influence factor of voltage class series option in DC microgrid

CAI Bing-qian, JIA Li-hu, ZHU Yong-qiang, WANG Yin-shun

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources,North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

DC microgrid is an important part of future smart grid. Recently, researches on the selection of voltage class series in DC microgrid are not profound enough at home and abroad. Based on the references of optimum option of voltage class series in traditional AC distribution network, this paper analyzes various kinds of influence factors, such as the power demands of the loads, the access requirements of the DGs, the manufacture levels of the DC equipments, the power supply problems, the insulation and grounding problems, and the electromagnetic compatibility problems, etc. The paper gives some advices for the selection of voltage class considering the above influence factors, and then introduces the relation between voltage class series and cost from the aspect of economy. Finally, taking home microgrid as an example, the paper designs its voltage class series, and verifies its economy superiority, which will provide references for designs of other types of DC microgrids.

DC microgid; DC voltage class; influence factor; economy analysis

2015-12-11

中國-丹麥政府間科技合作項(xiàng)目(2014DFG72620)

蔡冰倩(1991-)， 女， 河南籍， 碩士研究生， 研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)運(yùn)行與控制技術(shù)； 賈利虎(1988-)， 男， 河北籍， 博士研究生， 研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)、 微電網(wǎng)運(yùn)行與控制技術(shù)。

TM727

A

1003-3076(2016)12-0045-07