直流配電系統(tǒng)典型供用電模式研究及監(jiān)控產(chǎn)品選型

    摘 要:隨著充電設(shè)施、5G基站、直流家電等新型直流負(fù)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(wǎng)具有巨大的市場(chǎng)潛力和應(yīng)用**。提出了中壓直流配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及低壓直流用電系統(tǒng)母線結(jié)構(gòu),分析了單較接線、雙較接線的特點(diǎn)及其適用情況,提出了由兩電平換流器、MMC換流器構(gòu)成的偽、真雙較直流配用電系統(tǒng)的接地方式。最后,以數(shù)據(jù)中心、居民樓宇等直流負(fù)荷集中區(qū)應(yīng)用場(chǎng)景為例,從電壓等級(jí)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、接線方式和接地方式等方面構(gòu)建其典型供用電模式。
     
    
    關(guān)鍵詞:直流配電;網(wǎng)架結(jié)構(gòu);接線方式;接地方式;典型供用電模式
    
     
    
    0引言
    
    隨著新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力推進(jìn),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(lái)配電系統(tǒng)的重要特征之一。直流配電技術(shù)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(lái)配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì),也是落實(shí)“新基建”部署、解決新能源和多元負(fù)荷接入的關(guān)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較大的傳輸容量、較長(zhǎng)的供電半徑、較高的運(yùn)行效率、較好的電能質(zhì)量、可閉環(huán)運(yùn)行、節(jié)省走廊資源等優(yōu)勢(shì)。目前,直流配電快速發(fā)展,勢(shì)頭強(qiáng)勁,但受限于電力電子設(shè)備高昂的造價(jià)、**設(shè)備制造工藝及控制保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)的不成熟,其高效、高可靠性等理論優(yōu)勢(shì)尚未能很好地體現(xiàn),現(xiàn)階段具有一定的局限性。
    
    近年來(lái),國(guó)內(nèi)外針對(duì)直流配電技術(shù)的電壓等級(jí)、應(yīng)用場(chǎng)景、設(shè)備研制、控制保護(hù)策略等進(jìn)行了大量研究和探索。國(guó)外如美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)CPES中心提出了SBN系統(tǒng)、北卡羅來(lái)納大學(xué)提出了FREEDM系統(tǒng),日本大阪大學(xué)提出了±170V雙較直流系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)也已開(kāi)展了交直流混合配電網(wǎng)的試點(diǎn)建設(shè),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)**工程等。
    
    本文研究了中低壓直流配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、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(yīng)用場(chǎng)景, 并以直流負(fù)荷集中區(qū)典型應(yīng)用場(chǎng)景為例,構(gòu)建了數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車充換電設(shè)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(shè)計(jì)提供有益參考。
    
     
    
    1 中低壓直流配電系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)
    
    1.1中壓直流網(wǎng)架結(jié)構(gòu)
    
    未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),直流配電網(wǎng)和交流配電網(wǎng)是共存共生的關(guān)系,在局部形成交直流混合配電網(wǎng)。交直流混合配電網(wǎng)直流側(cè)中壓網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可分為輻射式結(jié)構(gòu)、單端環(huán)式結(jié)構(gòu)、雙端式結(jié)構(gòu)、多端式結(jié)構(gòu)、多端環(huán)式結(jié)構(gòu)等。
    
    輻射式結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)取自單個(gè)上級(jí)電源,通過(guò)單路或雙路輻射出線。單路輻射結(jié)構(gòu)不能滿足“N–1”校核,適用于電動(dòng)汽車充換電設(shè)施等可靠性要求一般的場(chǎng)所;雙路輻射結(jié)構(gòu)滿足“N–1”校核,適用于可靠性要求較高的場(chǎng)所。
    
     
    
    圖1 輻射式結(jié)構(gòu)
    
     
    
    單端環(huán)式結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)與輻射式結(jié)構(gòu)類似,取自單個(gè)上級(jí)電源并采用雙路出線形成環(huán)型供電網(wǎng)絡(luò),該拓?fù)錆M足“N–1”校核,可靠性較輻射式結(jié)構(gòu)高,該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特別適用于分布式電源(DG)的多點(diǎn)分散接入。
    
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
    圖2   單端環(huán)式結(jié)構(gòu)
    
    雙端式/多端式結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)取自2個(gè)及以上上級(jí)電源,采用單路或雙路出線形式,單個(gè)電源故障所有負(fù)荷不失電。該拓?fù)錆M足“N–1”校核,具有很高的供電可靠性,可滿足多點(diǎn)DG接入及高可靠供電需求。通過(guò)直流進(jìn)行背靠背的交流供電系統(tǒng)也可采用雙端式結(jié)構(gòu)。
    
     
    
    圖3 雙端式/多端式結(jié)構(gòu)
    
     
    
    多端環(huán)式結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4)是在多端式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上, 將多電源點(diǎn)出線形成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)運(yùn)行,供電容量大、可靠性高、運(yùn)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(wǎng)絡(luò)形態(tài)??蓾M足多點(diǎn)、大容量DG 的分散接入及高可靠供電需求。
    
     
    
    圖4   多端環(huán)式結(jié)構(gòu)
    
    1.2低壓直流母線結(jié)構(gòu)
    
    低壓直流母線結(jié)構(gòu)主要包括單母線結(jié)構(gòu)、雙母線結(jié)構(gòu)、分層式母線結(jié)構(gòu)。
    
    低壓直流單母線結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)與現(xiàn)有交流配電類似,所有用電設(shè)備掛接在一條母線上,但在給計(jì)算機(jī)等低壓設(shè)備供電時(shí),由于需要給每個(gè)低壓設(shè)備單獨(dú)配置DC/DC變壓器,增加了該方案的社會(huì)成本,降低了系統(tǒng)運(yùn)行效率,適用于負(fù)荷需求單一的場(chǎng)所。
    
    
    
    圖5   單母線結(jié)構(gòu)
    
     
    
    雙母線結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖6)的電源一般采用真雙較接線, 正、負(fù)極母線取自單獨(dú)的換流器,可單母線運(yùn)行,也可雙母線配合運(yùn)行,具有多個(gè)電壓等級(jí)、供電容量大、供電方式靈活等特點(diǎn)。適用于多電壓等級(jí)及高可靠供電需求的場(chǎng)所。
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
    圖6   雙母線結(jié)構(gòu)
    
    分層式母線結(jié)構(gòu)是對(duì)單母線結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展,在單母線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過(guò)DC/DC變壓器引出低一級(jí)電壓的母線。例如,一級(jí)母線電壓為DC375V,入戶后經(jīng)過(guò)直流變壓器配置出一條DC 48 V母線作為二級(jí)母線,見(jiàn)圖7。該種母線結(jié)構(gòu)將與用戶接觸較多的用電設(shè)備采用較低一級(jí)電壓供電,提高了用戶用電安全性,同時(shí)集中式DC/DC變壓器較單母線結(jié)構(gòu)的分散式DC/DC變壓器,提升了系統(tǒng)運(yùn)行效率,降低了方案的社會(huì)成本。
    
     
    
     
    
     
    
    圖7 分層式母線結(jié)構(gòu)
    
     
    
    2 換流器接線形式
    
    換流器的接線形式包括單較結(jié)構(gòu)(分為非對(duì)稱單較和偽雙較)和雙較結(jié)構(gòu)(又稱真雙較結(jié)構(gòu))非對(duì)稱單較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所示的偽雙較接線方式,該種接線方式的正、負(fù)極線路出自同一個(gè)換流器,并通過(guò)鉗位電阻或鉗位電容等方式構(gòu)建接地點(diǎn),使直流側(cè)對(duì)外呈現(xiàn)出幅值相同、極性相反的雙較電壓。
    
     
    
       偽雙較接線降低了聯(lián)結(jié)變壓器的直流應(yīng)力及設(shè)備的絕緣要求,減少了對(duì)現(xiàn)有配電系統(tǒng)的影響。當(dāng)正常運(yùn)行時(shí),接地點(diǎn)無(wú)工作電流,不需要設(shè)置專門的接地較;當(dāng)系統(tǒng)的某一較發(fā)生*性故障時(shí),整個(gè)系統(tǒng)將全部停運(yùn),無(wú)法單較運(yùn)行,可靠性較真雙較接線低。但是,通過(guò)采用多端供電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、故障前加速、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等手段可提升可靠性,因此偽雙較接線是目前直流配電工程應(yīng)用較多的換流器接線形式。
    
    真雙較接線方式見(jiàn)圖9,該接線方式具有獨(dú)立的正、負(fù)極換流器,可單較運(yùn)行,具有傳輸容量大、可靠性高、運(yùn)行方式靈活等特點(diǎn)。由于分別設(shè)置了正、負(fù)極換流器,其造價(jià)較高、占地面積較大、控制保護(hù)系統(tǒng)也較加復(fù)雜。
    
     
    
    圖9 真雙較接線方式
    
     
    
    換流器接線形式一般可選擇偽雙較結(jié)構(gòu),對(duì)于可靠性要求高的地區(qū),可選擇真雙較結(jié)構(gòu),并經(jīng)技術(shù)可 行性論證和比選后確定較終接線形式。
    
    3 接地方式
    
    3.1 中壓直流典型接地方式
    
    直流配電的上級(jí)電源一般取自交流變電站,交流側(cè)接地方式對(duì)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-偽雙較系統(tǒng)、兩電平-偽雙較系統(tǒng)、真雙較系統(tǒng),由于其短路電流通路不同,其接地方式也有所差別。
    
    文獻(xiàn)對(duì)接地方式進(jìn)行了較為深入的研究,主要從限制故障電流、加快故障恢復(fù)速度角度出發(fā),對(duì)不同換流器類型、接線形式的中壓直流配電系統(tǒng)進(jìn)行了分析,其結(jié)論見(jiàn)表1。
    
    表1 中壓直流典型接地方式
    
     
    
     
    
    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(cè))和保護(hù)性接地(用戶側(cè)),無(wú)論是功能性接地還是保護(hù) 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(diǎn)經(jīng)高電阻接地、中點(diǎn)直接接地和單較接地等方式。對(duì)于低壓直流系統(tǒng),無(wú)論是真雙較接線還是偽雙較接線,其他接地方式都可等價(jià)為浮地運(yùn)行方式發(fā)生故障的一種狀態(tài)(如單較接地相當(dāng)于浮地系統(tǒng)發(fā)生單較母線金屬性短路),即浮地運(yùn)行方式較其他接地方式多了一層保護(hù)層級(jí),具有較高的安全性。由于發(fā)生單點(diǎn)接地不會(huì)引起剩余電流設(shè)備(RCD)動(dòng)作,因此,單點(diǎn)故障不會(huì)引起停電事件,可靠性較高。浮地系統(tǒng)需要在系統(tǒng)側(cè)配置絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)備(IMD)才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),一定程度上增大了方案的投資及配置復(fù)雜度。
    
    對(duì)于真、偽雙較的低壓直流配電系統(tǒng),其接地方式均推薦采用浮地運(yùn)行方式(見(jiàn)圖10),并且在系統(tǒng)側(cè)配置IMD,用于發(fā)現(xiàn)并告警單點(diǎn)接地事件;在用戶側(cè)配置RCD,作為單點(diǎn)故障未及時(shí)清除情況下發(fā)生人身觸電的后備保護(hù),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(yīng)用場(chǎng)景
    
    不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)應(yīng)不同的電壓等級(jí)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、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**工程情況及未來(lái)發(fā)展需求預(yù)測(cè),直流配電的典型應(yīng)用場(chǎng)景主要包括直流負(fù)荷集中區(qū)直流配電、工業(yè)園區(qū)直流配電、交流配電網(wǎng)分區(qū)互聯(lián)、集結(jié)可再生能源發(fā)電的直流配電等。其中,直流負(fù)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(dòng)汽車充換電設(shè)施直流配電和居民樓宇直流配電等。此外,直流配電的應(yīng)用場(chǎng)景還包括通信系統(tǒng)、船舶配電、地鐵牽引系統(tǒng)及航天動(dòng)力系統(tǒng)等,其研究及應(yīng)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(fù)荷集中區(qū)典型應(yīng)用場(chǎng)景為例,從電壓等級(jí)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、接線方式和接地方式等方面構(gòu)建其典型供用電模式。直流負(fù)荷集中區(qū)主要屬于低壓直流用電場(chǎng)景,其上級(jí)電源既可以來(lái)自中壓交流配電網(wǎng),也可以取自中壓直流配電網(wǎng)。
    
    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(wù)器數(shù)據(jù)管理業(yè)務(wù),保證各類數(shù)據(jù)安全。數(shù)據(jù)中心的主要負(fù)荷為服務(wù)器負(fù)荷,數(shù)據(jù)中心服務(wù)器需要常年維持在7℃的恒溫,制冷負(fù)荷也是數(shù)據(jù)中心的主要負(fù)荷。考慮數(shù)據(jù)中心的主要負(fù)荷為直流的服務(wù)器和變頻的制冷負(fù)荷,常規(guī)交流電源接入需要經(jīng)過(guò)AC/DC環(huán)節(jié),所以數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模直流負(fù)荷較需要直流電源接入和直流配電網(wǎng)的可靠支撐。
    
    1)電壓等級(jí)。交流電源采用380(400)V、直流電源采用±375V。
    
    2)母線結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu),兩段母線互聯(lián),同時(shí)每?jī)啥文妇€配置一套柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源,通過(guò)ATS開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)市電、柴油發(fā)電機(jī)供電切換,常態(tài)下直流供電,柴油發(fā)電機(jī)作為備用,保證服務(wù)器的高可靠性供電,**各類情況下服務(wù)器不失電。數(shù)據(jù)中心供電結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖11。
    
     
    
     
    
    圖11 數(shù)據(jù)中心供電結(jié)構(gòu)示意
    
     
    
    3)接線方式。考慮對(duì)稱單較和真雙較供電可靠性的差異及數(shù)據(jù)中心的高可靠性需求,推薦采用真雙較接線形式。
    
    4)接地方式。綜合考慮人身安全性、供電可靠性及接地點(diǎn)雜散電流對(duì)接地網(wǎng)的電化學(xué)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(shí)需要配置IMD,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除單點(diǎn)接地事件,**人身安全。
    
    4.2.2 電動(dòng)汽車充換電設(shè)施的直流配電
    
    1)電壓等級(jí)。根據(jù)電動(dòng)汽車充電機(jī)的不同充電速度,目前電動(dòng)汽車充電機(jī)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(dǎo)則》推薦的直流電壓等級(jí)序列,此處推薦采用±375 V電壓作為電動(dòng)汽車充電設(shè)施直流母線電壓,中間可通過(guò)DC/DC變換器,得到各電壓等級(jí)電壓。
    
    2)母線結(jié)構(gòu)??紤]電動(dòng)汽車充換電設(shè)施對(duì)可靠性要求一般,其母線結(jié)構(gòu)可采用單母線結(jié)構(gòu)或單母線分段結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖12)。
    
     
    
    圖12 單母線分段結(jié)構(gòu)示意
    
     
    
    3)接線方式。考慮電動(dòng)汽車充換電設(shè)施直流配電對(duì)電壓需求較為單一,且對(duì)供電可靠性無(wú)特殊要求,換流器接線方式**推薦采用對(duì)稱單較結(jié)構(gòu);如果充電站規(guī)模較大,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后,也可采用真雙較接線形式,以提供較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(diǎn)雜散電流對(duì)接地網(wǎng)的電化學(xué)腐蝕等因素,電動(dòng)汽車充換電設(shè)施的直流配電推薦采用浮地方式,同時(shí)需要配置IMD,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除單點(diǎn)接地事件,**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(fù)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(fù)荷如果使用交流電源接入,需要經(jīng)過(guò)AC/DC換流環(huán)節(jié),將居民直流負(fù)荷接入直流配電網(wǎng),提升用電效率。
    
    1)電壓等級(jí)??紤]直流技術(shù)尚在發(fā)展過(guò)程中,未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),在居民樓宇的直流配電中,應(yīng)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(guò)DC/DC變換器取自上級(jí)直流電源,也可通過(guò)AC/ DC換流器取自上級(jí)或同級(jí)交流電源。
    
    2)母線結(jié)構(gòu)。在母線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,考慮該種應(yīng)用場(chǎng)景主要為居民住宅類負(fù)荷,且低壓直流供電本身可靠性相對(duì)較高,同時(shí)考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,母線結(jié)構(gòu)推薦采用單母線/單母線分段結(jié)構(gòu)或分層式母線結(jié)構(gòu)。
    
    3)接線方式??紤]真雙較可提供多種電壓等級(jí),且供電可靠性相對(duì)較高,推薦采用±110V真雙較接線形式,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(yùn)行方式,在母線側(cè)配置IMD,以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除單點(diǎn)接地故障;同時(shí)在用戶側(cè)配置RCD,以防單點(diǎn)接地未及時(shí)清除的情況下出現(xiàn)人身觸電,保護(hù)人身安全。
    
     
    
    5安科瑞列頭柜及監(jiān)測(cè)產(chǎn)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(wèn)題也越來(lái)越**,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(shè)備能耗的有效方式。
    
    AMC系列數(shù)據(jù)中心精密配電系統(tǒng)是針對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房末端設(shè)計(jì)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(guò)通訊將數(shù)據(jù)上傳到動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房的實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效管理,為實(shí)現(xiàn)綠色I(xiàn)DC提供可靠保證。     
    
    5.1精密配電管理解決方案
    
    5.1.1交流系統(tǒng)
    
    1)功能要求:
    
    遙測(cè):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(guò)壓/欠壓,缺相,過(guò)流,輸入分路和輸出分路的開(kāi)關(guān)狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計(jì),實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報(bào)警功能。
    
    2)配置方案-示意圖
    
     
    
     
    
     
    
     
    
    配置方案
    
    多功能儀表       PZ72L-E4
    
    電流互感器       AKH-0.66-30I-XXA/5A
    
    5.1.2直流系統(tǒng)
    
    1) 功能要求
    
    遙測(cè):輸入分路的電壓、電流、功率、電度;
    
    遙信:輸入分路的過(guò)壓/欠壓,輸入分路的熔絲狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計(jì),實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限功能。
    
    2)配置方案-示意圖
    
     
    
     
    
    
    
    、    、
    
     
    
                                                                                 
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
    
    
    

    安科瑞電子商務(wù)(上海)有限公司專注于互感器,網(wǎng)絡(luò)電力儀表,變電所運(yùn)維云平臺(tái)等

  • 詞條

    詞條說(shuō)明

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