浙江大学 电气工程学院， 浙江省杭州市 310027
摘要：直流电网成为一种高功率密度、低损耗、稳定控制简单等优点已经成为新颖的电能传输方式，它既能满足大量分布式电源并网简单接入的需求，又能适应越来越多的直流负载电器，是实现源网荷经济运行的最佳模式。然而，直流配电网的电压标准还没有形成统一意见，严重影响直流配电网的推广应用。本文从直流用电的电压需求出发，论述了目前国内外若干个主要直流用电的电压标准，并结合“高密度分布式能源接入交直流混合微电网关键技术”国家863项目的研究成果，提出了用户侧低压直流配电网的电压等级的一种选择方法，并在示范工程中得到应用。
关键词： 直流配电网 电压等级
0、引言
我国是新能源规模最大、发展最快的国家，近5年来太阳能光伏的发电装机容量增长100倍，其中太阳能光伏的分布式接入尤为突出。在未来10年左右，新能源发电的电量占比还将增加一倍以上，预计会超过16%以上。此外，这几年来分布式太阳能光伏接入配电网的比例呈现指数增长。如何应对目前交流配电网供电系统面临的电能质量、供电效率以及供电稳定性等难题是有源配电网面临的挑战。然而，直流配电网具有：电能传输能力和传输质量可以提高，线路压降和线损可以下降，无功、谐波、负序、零序等问题可以减小，分布式新能源发电接入简便，变频变压等用电的成本降低等优点，已经成为解决分布式光伏等直流型新能源接入和消纳的有效途径，因此也引起国内外学者的广泛关注。国际电工委员会(IEC)成立的研究小组TC-57，研究未来直流电网的管理和信息交互问题。同时，国际大电网组织(CIGRE)2010年以来也先后成立柔性输电和直流电网的工作组，专门研究直流电网的规划、控制、保护以及电压等级等。此外，在研究机构，2011年美国北卡罗来纳大学提出了“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management(FREEDM)”系统结构，以直流供电为基础用于构建未来自动灵活的可再生能源传输和管理网络。2012年浙江大学【1】系统论述了直流配电网的发展展望。然而直流配电网低压侧的直流电压等级一直处于无序状态，由于多种用户侧直流电压等级的共存，导致直流配电网的标准化和直流电器的标准化存在困难，严重影响直流电网的推广应用。可喜的是，在我国相关高校和电力公司的推动下，国家科技部在2013年、2015年相继启动了863项目“基于柔性直流的智能配电关键技术研究与应用”和“高密度分布式能源接入交直流混合微电网关键技术”，尤其是“高密度分布式能源接入交直流混合微电网关键技术”项目实现了交直流10KV并网和560VDC用户动力和照明供电的应用，真正实现直流电网落地运行。它标志着我国直流配电网技术完成了核心装备的技术攻关、交直流配电网的系统集成和应用示范。然而，直流配电网的电压等级标准还处于调研和论证阶段，还未形成国家或行业标准。直流电压等级的确定是推广直流电网应用的主要瓶颈。目前国内讨论直流电压等级确定比较多的思路是依据目前国外特殊行业已存的直流电压等级标准，尤其是直接引用通讯行业、电动汽车充电等特殊行业的直流电压标准，这些标准直流电压难以适应国内直流电网的规模化使用，尤其是直流动力电源驱动的相关设备互联，导致动力电器改造费用增加、推广乏力，经济性和科学性存在质疑。本文全面分析了我国配电网用电范围和数量等现状，并结合国家863项目的研发实践，系统讨论了目前直流用电的若干个行业标准，探讨适应我国直流配电网供电的低压侧电压特征，提出了一种低压直流配电网的电压等级序列确定方法。该方法提出的低压侧配电网电压序列在经济性、兼容性和适应性方面都具有推广性，可以为直流配电网低压侧标准制定提供参考。
1 国内外直流用电若干电压标准的回顾
目前我国直流用电主要领域是轨道交通、电信与通讯、舰船供电以及最近电动汽车直流充电等。由于这类供电基本从交流供电的变换获取，考虑到行业特性没有形成统一的供电标准。
电信和数据中心的电源是目前直流供电系统的一个重要应用领域。大量电信中心、无线基站、数据中心和用户机房内的信息和通信技术(ICT)设备需要直流供电电源，早期的通讯直流电源一般为48VDC。考虑到安全、可靠性、节能和效率等因素，国际电联(ITU)制定了电信和数据通信(ICT)设备输入端电源标准ITU-T L.1200 ，规定最高直流电压为400VDC 的直流供电接口，正常电压工作范围可为260VDC -400VDC。由于不同电压等级的高压直流供电系统已有一些地区性的应用，ITU-T L.1200 提出了必要过渡期和过渡方案。明确规定过渡方案的正常电压范围为192VDC -288VDC。目前该接口电源是由市电(高/ 低压)和备用发电机组组成的交流220/380V 低压配电系统变换而来，也备有电池供电的UPS直流电源。400VDC提供数据中心直流电源已经得到很好的应用，应用表明比常规380VAC供电节省电能损耗10-20%。