直流配電系統(tǒng)需要怎樣的電壓等級

民用建筑場景中電器類別繁多，需求復雜，因此，電壓等級的選擇需要以簡潔、安全和高效為原則。一是用盡可能少的電壓等級滿足盡可能多的末端負荷用電需求，電壓等級不宜過多；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；三是采用相對較低的電壓，控制電擊事故可能帶來的人身傷害后果。第一個原則，主要影響負荷的適應性，而后兩個原則，因為存在矛盾，需要結合系統(tǒng)保護統(tǒng)籌考慮。

從建筑電力輸配角度所需的電壓等級來講，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三相交流電，該電壓水平供電功率可達到百千瓦級別，建筑中絕大多數(shù)的空調(diào)、辦公設備、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)的小型用戶側儲能系統(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，方便的連接到這個直流電壓水平；另一方面此范圍的內(nèi)的電壓等級絕緣耐壓符合現(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)的直流斷路器技術也相對成熟，國內(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)有示范項目多數(shù)選擇在次電壓范圍內(nèi)也側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)選擇哪個電壓等級作為標稱電壓等級并沒有本質的區(qū)別，實際上直流系統(tǒng)區(qū)別于交流的系統(tǒng)的優(yōu)勢就在于電力電子變換器具有較寬的輸入電壓適應范圍，直流母線的電壓在實際運行中可以供需平衡狀態(tài)進行波動而不影響末端電器的用電電壓，并且母線電壓的波動可以作為控制信號進行需求響應和過載保護控制，簡化了底層多換流器設備并聯(lián)的穩(wěn)定性控制。目前，在進一步研究和編制過程中的國內(nèi)外相關標準和技術導則都在嘗試定義直流微網(wǎng)系統(tǒng)的電壓帶波動范圍，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單、可靠。從系統(tǒng)安全保護的需求來看，單極TN接地方式允許的電壓等級最高，可以更好地兼顧，但在實際應用中，交流串入和迷流問題比較棘手，不適合線路較長，且條件復雜或容易遭受損壞的場合；如果降低對單點接地故障準確定位要求，或是采取DC-RCD配合的方式實現(xiàn)故障定位，在民用建筑領域可以采用IT接地方式，而為了限制兩點故障情況下的電擊事故危險，同時兼顧供電能力的要求，應優(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技術的策略來解決這個矛盾：民用建筑的電氣安全基礎條件較好，單點偶發(fā)性故障的概率更高，而IT接地方式正好可以杜絕單點故障的危險，在這種情況下，如果認為單極接地故障可以依靠保護裝置有效排除，那么單極IT接地系統(tǒng)的電擊事故危險就可以參照TN接地系統(tǒng)評估，最高電壓允許放寬到325~375V/400V。如要求更大的供電能力，可以考慮采用兩級電壓。推薦方案為：375V/400V單極IT接地方式，必要時增加750V電壓等級，而由于750V電壓的危險性較高，應盡量避免在安全敏感區(qū)內(nèi)配置。圖1

直流供電電壓等級分析思路從接入電器/設備的需求看，民用建筑工程中采用低壓配電的用電負載一般在250kW以下。在此功率范圍內(nèi)，用戶的用電設備和電器功率呈現(xiàn)兩級分化的趨勢。一方面是隨著建筑電氣化的深入，在低壓配電側大功率設備越來越多。例如幾個千瓦到幾十個千瓦的充電樁、電炊事和電采暖設備。另一方面在用戶用電側隨著電器設備能效和信息化水平提升，幾瓦到幾十瓦的小功率設備越來越多，例如是電腦、手機等通信設備等。用電電氣和設備功率的兩極化，也對電壓等級提出了不同的要求。對于小功率、使用頻率較高的電器來講，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交流電承擔了能量輸配和終端電器驅動的雙重任務，使得建筑用電始終存在用電安全的問題。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，相對于通常使用的交流電網(wǎng)提供了更好的安全優(yōu)勢，特別是在人員接觸頻率高、觸電風險大的應用場景。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)能和智能化應用的兩項優(yōu)點。目前建筑室內(nèi)小功率電器內(nèi)部幾乎完全由直流供電，采用對每個電器使用單個AC220V到直流轉換器是普遍的做法，這類小功率AC/DC轉換器效率一般不超過90%，而采用集中的DC/DC轉換器，即使具有隔離功能，也能夠容易地達到95%以上的效率；并且，如果使用具有多輸出通道DC/DC轉換器，可使電源與負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，提高整個配電系統(tǒng)的效率。最后，建筑內(nèi)部特低壓直流配