直流配电系统典型供用电模式研究及列头柜及监控产品选型

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发布时间： 2022-04-20 18:09 更新时间： 2024-05-05 08:00

陆晓君

安科瑞电气股份有限公司，上海嘉定 201801；摘要：随着充电设施、5G基站、直流家电等新型直流负荷及光伏等直流电源的快速发展，研究兼具安全、可靠、高效特性的直流配电网具有巨大的市场潜力和应用价值。提出了中压直流配电网网架结构及低压直流用电系统母线结构，分析了单极接线、双极接线的特点及其适用情况，提出了由两电平换流器、MMC换流器构成的伪、真双极直流配用电系统的接地方式。后，以数据中心、居民楼宇等直流负荷集中区应用场景为例，从电压等级、网架结构、接线方式和接地方式等方面构建其典型供用电模式。

关键词：直流配电；网架结构；接线方式；接地方式；典型供用电模式

0引言

随着新型基础设施建设的大力推进，大型数据中心、新能源汽车充电桩、5G基站等新型直流用电需求的大规模发展，以及光伏等直流电源的大量接入，直流化将成为未来配电系统的重要特征之一。直流配电技术在能效、可靠性、供电容量以及可控性等方面具有较好的理论性能，是未来配电网的发展趋势，也是落实“新基建”部署、解决新能源和多元负荷接入的关键环节。与交流配电方式相比，直流配电方式在理论上具有更大的传输容量、更长的供电半径、更高的运行效率、更好的电能质量、可闭环运行、节省走廊资源等优势。目前，直流配电快速发展，势头强劲，但受限于电力电子设备高昂的造价、核心设备制造工艺及控制保护系统技术的不成熟，其高效、高可靠性等理论优势尚未能很好地体现，现阶段具有一定的局限性。

近年来，国内外针对直流配电技术的电压等级、应用场景、设备研制、控制保护策略等进行了大量研究和探索。国外如美国弗吉尼亚大学CPES中心提出了SBN系统、北卡罗来纳大学提出了FREEDM系统，日本大阪大学提出了±170V双极直流系统等。国内也已开展了交直流混合配电网的试点建设，如杭州江东新城直流配电工程、张北阿里巴巴数据中心交直流配电工程、苏州中低压直流配用电系统示范工程等。

本文研究了中低压直流配电网的网架结构、换流器接线方式、不同换流器类型的中低压直流配电系统的典型接地方式，明确了直流配用电系统的典型应用场景，并以直流负荷集中区典型应用场景为例，构建了数据中心、电动汽车充换电设施及居民楼宇直流配电的典型供用电模式，以期为直流配用电系统的规划设计提供有益参考。

1 中低压直流配电系统网架结构

1.1中压直流网架结构

未来很长一段时间内，直流配电网和交流配电网是共存共生的关系，在局部形成交直流混合配电网。交直流混合配电网直流侧中压网架结构可分为辐射式结构、单端环式结构、双端式结构、多端式结构、多端环式结构等。

辐射式结构（见图1）取自单个上级电源，通过单路或双路辐射出线。单路辐射结构不能满足“N–1”校核，适用于电动汽车充换电设施等可靠性要求一般的场所；双路辐射结构满足“N–1”校核，适用于可靠性要求较高的场所。

图1 辐射式结构

单端环式结构（见图2）与辐射式结构类似，取自单个上级电源并采用双路出线形成环型供电网络，该拓扑满足“N–1”校核，可靠性较辐射式结构高，该拓扑结构特别适用于分布式电源（DG）的多点分散接入。

图2 单端环式结构

双端式/多端式结构（见图3）取自2个及以上上级电源，采用单路或双路出线形式，单个电源故障所有负荷不失电。该拓扑满足“N–1”校核，具有很高的供电可靠性，可满足多点DG接入及高可靠供电需求。通过直流进行背靠背的交流供电系统也可采用双端式结构。

图3 双端式/多端式结构

多端环式结构（见图4）是在多端式结构的基础上，将多电源点出线形成环形网络闭环运行，供电容量大、可靠性高、运行方式灵活，满足“N–1”校核，是直流配电系统发展后期的网络形态。可满足多点、大容量DG 的分散接入及高可靠供电需求。

图4 多端环式结构

1.2低压直流母线结构

低压直流母线结构主要包括单母线结构、双母线结构、分层式母线结构。

低压直流单母线结构（见图5）与现有交流配电类似，所有用电设备挂接在一条母线上，但在给计算机等低压设备供电时，由于需要给每个低压设备单独配置DC/DC变压器，增加了该方案的社会成本，降低了系统运行效率，适用于负荷需求单一的场所。

图5 单母线结构

双母线结构（见图6）的电源一般采用真双极接线，正、负极母线取自单独的换流器，可单母线运行，也可双母线配合运行，具有多个电压等级、供电容量大、供电方式灵活等特点。适用于多电压等级及高可靠供电需求的场所。

图6 双母线结构

分层式母线结构是对单母线结构的扩展，在单母线结构的基础上，通过DC/DC变压器引出低一级电压的母线。例如，一级母线电压为DC375V，入户后经过直流变压器配置出一条DC 48 V母线作为二级母线，见图7。该种母线结构将与用户接触较多的用电设备采用更低一级电压供电，提高了用户用电安全性，同时集中式DC/DC变压器较单母线结构的分散式DC/DC变压器，提升了系统运行效率，降低了方案的社会成本。

图7 分层式母线结构

2 换流器接线形式

换流器的接线形式包括单极结构（分为非对称单极和伪双极）和双极结构（又称真双极结构）非对称单极主要用于地铁牵引供电系统中。已建或在建的直流配电工程大多采用图8所示的伪双极接线方式，该种接线方式的正、负极线路出自同一个换流器，并通过钳位电阻或钳位电容等方式构建接地点，使直流侧对外呈现出幅值相同、极性相反的双极电压。

伪双极接线降低了联结变压器的直流应力及设备的绝缘要求，减少了对现有配电系统的影响。当正常运行时，接地点无工作电流，不需要设置专门的接地极；当系统的某一极发生性故障时，整个系统将全部停运，无法单极运行，可靠性较真双极接线低。但是，通过采用多端供电的拓扑结构、故障前加速、网络重构等手段可提升可靠性，因此伪双极接线是目前直流配电工程应用多的换流器接线形式。

真双极接线方式见图9，该接线方式具有独立的正、负极换流器，可单极运行，具有传输容量大、可靠性高、运行方式灵活等特点。由于分别设置了正、负极换流器，其造价更高、占地面积更大、控制保护系统也更加复杂。

图9 真双极接线方式

换流器接线形式一般可选择伪双极结构，对于可靠性要求高的地区，可选择真双极结构，并经技术可行性论证和比选后确定终接线形式。

3 接地方式

3.1 中压直流典型接地方式

直流配电的上级电源一般取自交流变电站，交流侧接地方式对直流配电接地方式的选择有一定影响。此外，还要考虑换流器的不同类型及不同接线的影响，包括MMC-伪双极系统、两电平-伪双极系统、真双极系统，由于其短路电流通路不同，其接地方式也有所差别。

文献对接地方式进行了较为深入的研究，主要从限制故障电流、加快故障恢复速度角度出发，对不同换流器类型、接线形式的中压直流配电系统进行了分析，其结论见表1。

表1 中压直流典型接地方式

3.2 低压直流典型接地方式

低压直流系统接地方式分为功能性接地（电源侧）和保护性接地（用户侧），无论是功能性接地还是保护性接地，首要原则是确保用户安全用电，此处主要讨论的是功能性接地。

低压直流系统功能性接地包括浮地（不接地）、中点经高电阻接地、中点直接接地和单极接地等方式。对于低压直流系统，无论是真双极接线还是伪双极接线，其他接地方式都可等价为浮地运行方式发生故障的一种状态（如单极接地相当于浮地系统发生单极母线金属性短路），即浮地运行方式较其他接地方式多了一层保护层级，具有更高的安全性。由于发生单点接地不会引起剩余电流设备（RCD）动作，因此，单点故障不会引起停电事件，可靠性更高。浮地系统需要在系统侧配置绝缘监测设备（IMD）才能发挥其优势，一定程度上增大了方案的投资及配置复杂度。

对于真、伪双极的低压直流配电系统，其接地方式均推荐采用浮地运行方式（见图10），并且在系统侧配置IMD，用于发现并告警单点接地事件；在用户侧配置RCD，作为单点故障未及时清除情况下发生人身触电的后备保护，提升用户用电安全。

图10 低压直流的典型接地方式

4 直流配电的典型供用电模式

4.1 典型应用场景

不同的应用场景对应不同的电压等级、网络拓扑、接线及接地方式等，满足不同的源荷需求。根据现阶段的示范工程情况及未来发展需求预测，直流配电的典型应用场景主要包括直流负荷集中区直流配电、工业园区直流配电、交流配电网分区互联、集结可再生能源发电的直流配电等。其中，直流负荷集中区直流配电又可分为数据中心直流配电、电动汽车充换电设施直流配电和居民楼宇直流配电等。此外，直流配电的应用场景还包括通信系统、船舶配电、地铁牵引系统及航天动力系统等，其研究及应用均已较为成熟。

4.2 典型供用电模式

由于篇幅所限，此处以直流负荷集中区典型应用场景为例，从电压等级、网架结构、接线方式和接地方式等方面构建其典型供用电模式。直流负荷集中区主要属于低压直流用电场景，其上级电源既可以来自中压交流配电网，也可以取自中压直流配电网。

4.2.1 数据中心的直流配电

数据中心主要为各类企业提供服务器数据管理业务，保证各类数据安全。数据中心的主要负荷为服务器负荷，数据中心服务器需要常年维持在7℃的恒温，制冷负荷也是数据中心的主要负荷。考虑数据中心的主要负荷为直流的服务器和变频的制冷负荷，常规交流电源接入需要经过AC/DC环节，所以数据中心的大规模直流负荷更需要直流电源接入和直流配电网的可靠支撑。

1）电压等级。交流电源采用380（400）V、直流电源采用±375V。

2）母线结构。数据中心是高可靠性需求用户，建议采用单母线分段结构，两段母线互联，同时每两段母线配置一套柴油发电机作为后备电源，通过ATS开关实现市电、柴油发电机供电切换，常态下直流供电，柴油发电机作为备用，保证服务器的高可靠性供电，保障各类情况下服务器不失电。数据中心供电结构示意见图11。