直流配電系統(tǒng)需要怎樣的電壓等級(jí)

民用建筑場(chǎng)景中電器類別繁多，需求復(fù)雜，因此，電壓等級(jí)的選擇需要以簡(jiǎn)潔、安全和高效為原則。一是用盡可能少的電壓等級(jí)滿足盡可能多的末端負(fù)荷用電需求，電壓等級(jí)不宜過(guò)多；二是盡可能使用較高的直流電壓，降低電流，允許使用直徑較小的電纜，并減少配電功率損耗；三是采用相對(duì)較低的電壓，控制電擊事故可能帶來(lái)的人身傷害后果。第一個(gè)原則，主要影響負(fù)荷的適應(yīng)性，而后兩個(gè)原則，因?yàn)榇嬖诿?，需要結(jié)合系統(tǒng)保護(hù)統(tǒng)籌考慮。

從建筑電力輸配角度所需的電壓等級(jí)來(lái)講，DC350V~400V是比較適合選擇范圍。一方面此范圍的內(nèi)的電壓在能量輸送能力方面高于同電壓等級(jí)三相交流電，該電壓水平供電功率可達(dá)到百千瓦級(jí)別，建筑中絕大多數(shù)的空調(diào)、辦公設(shè)備、照明和小型數(shù)據(jù)中心的供電需求都可以覆蓋；其次此電壓范圍有利于分布式電源的接入。一般情況下建筑內(nèi)的小型用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)和可再生能源系統(tǒng)容量通常在十幾千瓦到幾百千瓦，通過(guò)交直流逆變或換流器環(huán)節(jié)接入電網(wǎng)的直流電壓范圍在300~600V之間，可兼顧效率與安全，方便的連接到這個(gè)直流電壓水平；另一方面此范圍的內(nèi)的電壓等級(jí)絕緣耐壓符合現(xiàn)有低壓交流電纜的絕緣要求，有利于利用低壓交流配電網(wǎng)的現(xiàn)有資源進(jìn)行直流配電網(wǎng)的改造；最后在此電壓范圍內(nèi)的直流斷路器技術(shù)也相對(duì)成熟，國(guó)內(nèi)外主流廠商在此電壓范圍內(nèi)都有成熟的直流滅弧方案和產(chǎn)品選擇?，F(xiàn)有示范項(xiàng)目多數(shù)選擇在次電壓范圍內(nèi)也側(cè)面證明了具有較高的工程可行性和一定普適性。在此電壓范圍內(nèi)選擇哪個(gè)電壓等級(jí)作為標(biāo)稱電壓等級(jí)并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，實(shí)際上直流系統(tǒng)區(qū)別于交流的系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)就在于電力電子變換器具有較寬的輸入電壓適應(yīng)范圍，直流母線的電壓在實(shí)際運(yùn)行中可以供需平衡狀態(tài)進(jìn)行波動(dòng)而不影響末端電器的用電電壓，并且母線電壓的波動(dòng)可以作為控制信號(hào)進(jìn)行需求響應(yīng)和過(guò)載保護(hù)控制，簡(jiǎn)化了底層多換流器設(shè)備并聯(lián)的穩(wěn)定性控制。目前，在進(jìn)一步研究和編制過(guò)程中的國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)導(dǎo)則都在嘗試定義直流微網(wǎng)系統(tǒng)的電壓帶波動(dòng)范圍，使分布式可再生能源在建筑配電系統(tǒng)的中接入和控制更加簡(jiǎn)單、可靠。從系統(tǒng)安全保護(hù)的需求來(lái)看，單極TN接地方式允許的電壓等級(jí)最高，可以更好地兼顧，但在實(shí)際應(yīng)用中，交流串入和迷流問(wèn)題比較棘手，不適合線路較長(zhǎng)，且條件復(fù)雜或容易遭受損壞的場(chǎng)合；如果降低對(duì)單點(diǎn)接地故障準(zhǔn)確定位要求，或是采取DC-RCD配合的方式實(shí)現(xiàn)故障定位，在民用建筑領(lǐng)域可以采用IT接地方式，而為了限制兩點(diǎn)故障情況下的電擊事故危險(xiǎn)，同時(shí)兼顧供電能力的要求，應(yīng)優(yōu)先采用單極形式。以交流為參照，單極IT接地系統(tǒng)的電壓上限為240~280V，供電能力不能滿足300m距離的要求。建議采取更多依靠保護(hù)技術(shù)的策略來(lái)解決這個(gè)矛盾：民用建筑的電氣安全基礎(chǔ)條件較好，單點(diǎn)偶發(fā)性故障的概率更高，而IT接地方式正好可以杜絕單點(diǎn)故障的危險(xiǎn)，在這種情況下，如果認(rèn)為單極接地故障可以依靠保護(hù)裝置有效排除，那么單極IT接地系統(tǒng)的電擊事故危險(xiǎn)就可以參照TN接地系統(tǒng)評(píng)估，最高電壓允許放寬到325~375V/400V。如要求更大的供電能力，可以考慮采用兩級(jí)電壓。推薦方案為：375V/400V單極IT接地方式，必要時(shí)增加750V電壓等級(jí)，而由于750V電壓的危險(xiǎn)性較高，應(yīng)盡量避免在安全敏感區(qū)內(nèi)配置。圖1

直流供電電壓等級(jí)分析思路從接入電器/設(shè)備的需求看，民用建筑工程中采用低壓配電的用電負(fù)載一般在250kW以下。在此功率范圍內(nèi)，用戶的用電設(shè)備和電器功率呈現(xiàn)兩級(jí)分化的趨勢(shì)。一方面是隨著建筑電氣化的深入，在低壓配電側(cè)大功率設(shè)備越來(lái)越多。例如幾個(gè)千瓦到幾十個(gè)千瓦的充電樁、電炊事和電采暖設(shè)備。另一方面在用戶用電側(cè)隨著電器設(shè)備能效和信息化水平提升，幾瓦到幾十瓦的小功率設(shè)備越來(lái)越多，例如是電腦、手機(jī)等通信設(shè)備等。用電電氣和設(shè)備功率的兩極化，也對(duì)電壓等級(jí)提出了不同的要求。對(duì)于小功率、使用頻率較高的電器來(lái)講，采用直流特低電壓是較為理想的選擇，也是真正發(fā)揮直流供電優(yōu)勢(shì)的選擇。在建筑交流配電系統(tǒng)中并未明確的區(qū)分配電電壓和用電電壓，通常單相AC220V交流電承擔(dān)了能量輸配和終端電器驅(qū)動(dòng)的雙重任務(wù)，使得建筑用電始終存在用電安全的問(wèn)題。特低壓直流配電系統(tǒng)首先是為了發(fā)揮直流的安全特性，相對(duì)于通常使用的交流電網(wǎng)提供了更好的安全優(yōu)勢(shì)，特別是在人員接觸頻率高、觸電風(fēng)險(xiǎn)大的應(yīng)用場(chǎng)景。其次，建筑內(nèi)部特低壓直流配電系統(tǒng)在發(fā)揮安全供電的特性之外，還具有節(jié)能和智能化應(yīng)用的兩項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。目前建筑室內(nèi)小功率電器內(nèi)部幾乎完全由直流供電，采用對(duì)每個(gè)電器使用單個(gè)AC220V到直流轉(zhuǎn)換器是普遍的做法，這類小功率AC/DC轉(zhuǎn)換器效率一般不超過(guò)90%，而采用集中的DC/DC轉(zhuǎn)換器，即使具有隔離功能，也能夠容易地達(dá)到95%以上的效率；并且，如果使用具有多輸出通道DC/DC轉(zhuǎn)換器，可使電源與負(fù)載之間的距離保持在最小，從而顯著減少布線和線路功率損失，提高整個(gè)配電系統(tǒng)的效率。最后，建筑內(nèi)部特低壓直流配