第３５卷第１２期 电工电能新技术 Ｖｏ１．３５，Ｎｏ．１２ ２０１６年１２月 Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｅｅ．２０１６ 直流微电网电压等级序列选择的影响因素研究 蔡冰倩，贾利虎，朱永强，王银顺 （新能源电力系统国家重点实验室，华北电力大学，北京１０２２０６） 摘要：直流微电网是未来智能电网的重要组成部分。目前，国内外关于直流微电网电压等级选择 的研究还不够深入。本文在借鉴传统交流配电网电压等级序列优化选择的基础上，分析了负荷的 供电需求、分布式电源的接入需求、直流设备的制造水平、供电问题、绝缘接地问题以及电磁兼容ｆ＊－Ｉ 题等影响因素，给出了在考虑各影响因素下的电压等级制定建议，并从经济性层面上介绍了电压等 级序列与成本之间的关系。最后，以家用型直流微电网为例，设计了其电压等级序列，说明了其经 济性优势，这也为其他类型的直流微电网设计提供了借鉴。 关键词：直流微电网；直流电压等级；影响因素；经济性分析 中图分类号：ＴＭ７２７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３．３０７６（２０１６）１２—００４５—０７ １ 引言 少建设性研究。例如，文献［４］指出当前直流配电 网电压等级的选择方法尚未有定论，需进一步的探 随着电力电子技术和可再生能源发电技术的发 索研究。文献［５，６］从不同电压等级的换流站造 展，直流配电系统重新引起了人们的关注，尤其是作 价、电缆造价、传输损耗、运行费用、总工程投资以及 为其重要组成单元的直流微电网也成为近年来的研 投资回报等经济性指标出发，对于直流输电网电压 究热点。但目前针对直流微电网电压等级选择的研 等级序列的选择问题进行了一定的研究，但是针对 究还不够成熟，尚未形成一定的理论体系，相关研究 低压直流配电网中电压等级序列的研究较少。文献 文献也较少。 ［７］以负荷需求为基本出发点，提出了高中低压相 国外文献对于直流微电网的电压等级选择进行 配合的直流配电网电压等级序列，但对于低压直流 了一定的研究，但多集中在对某一实际应用场合下 微电网内部电压等级选择方面的分析较少。 的电压等级进行设计。例如，文献［１］中指出 合理选择电压等级能够降低网损、减少资源损 ＤＣ３８０Ｖ可以给交流配电网、厨房负荷以及其他家 耗、节约土地、提高配电网运行的稳定性和经济性。 用电器供电，且多存在于输入端有功率校正装置的 本文在借鉴传统交流配电网电压等级选择经验 家用电器设备，以匹配工业标准中的中间直流电压； （如经典的“几何均值”规律和“舍二求三”原则）的 ＤＣ４８Ｖ可以向小型桌面设备、娱乐设备、ＬＥＤ照明 基础之上，结合国内外直流供电工程，分析了影响直 设备等供电，且和标准的通信电压等级一致，具有使 流微电网电压等级序列选择的各种因素，并以家用 用方便、效率高的优点。文献［２］对居民用电和商 型直流微电网为例，设计了其电压等级序列，验证了 业用电的电压等级进行了分析，得出ＤＣ４００Ｖ是商 其经济性优势，也为其他应用场合中的直流微电网 业用电的最佳电压等级，ＤＣ４８Ｖ是居民用电的最佳 电压等级序列设计提供了借鉴。 电压等级。文献［３］研究了广泛应用于电信领域的 ＤＣ２６０Ｖ和ＤＣ４００Ｖ直流微电网电压等级。 ２直流微电网电压等级选择的影响因素 国内文献对于直流微电网电压等级选择的研究 直流微电网电压等级序列的合理设计关系着整 还处于起步阶段，多集中在一些理论的广义分析，缺 个配电系统的运行效率，并影响着未来电网的发展。 收稿日期：２０１５—１２—１１ 基金项目：中国一丹麦政府间科技合作项目（２０１４ＤＦＧ７２６２０） 作者简介：蔡冰倩（１９９１一），女，河南籍，硕士研究生，研究方向为微电网运行与控制技术； 贾利虎（１９８８一），男，河北籍，博士研究生，研究方向为新能源发电与并网技术、微电网运行与控制技术。 ４６ 电工电能新技术 第３５卷第１２期 直流微电网的电压等级选择涉及多个因素，本文将 从以下几个方面展开讨论。 ２．１负荷的供电需求 （１）交流负荷的接人问题 按照目前已有低压负荷的供电方式考虑，可知 大部分负荷的工作电压为单相或者三相低压交流 电。为了保证这些负荷的正常供电，直流微电网应 存在相对应的直流电压等级，在其逆变后可直接给 交流负荷供电。 １）三相交流负荷的供电需求 直流微电网与三相交流负荷之间的变流器选择 三相逆变器，以满足三相负荷的供电需求。已知三 相变流器的交、直流侧电压关系为Ｕ ＝Ｕ，／０．８１６ （其中，Ｕ．为交流线电压） ，若考虑线路的电压降 落要求，则直流线路电压Ｕ加 的取值应满足： ￡，．／０．８６】 ａｏｓ—≥ 面 （ ） 式中，ＡＵ％为电压损耗率。例如，三相交流负荷的 工作电压为ＡＣ３８０Ｖ，取ＡＵ％＝５％，则三相变流器 所接线路直流电压Ｕ加 的范围为： ≥ ＿４９０．２（Ｖ） 因此，建议选用ＤＣ５００Ｖ。 ２）单相交流负荷的供电需求 单相交流负荷有两种供电方式：①由三相交流 负荷的供电侧直接供电；②由直流线路经单相逆变 器进行供电。方式①仅适用于直流微电网中含有三 相交流负荷，且单相交流负荷容量相对较小的情况； 当单相交流负荷容量较大时，考虑到三相平衡问题， 其供电方式应采用方式②。 已知单相变流器的交、直流侧电压关系为Ｕ ＝ Ｕ。／０．９（其中， 。为交流电压） ，则单相变流器所 接直流线路电压Ｕ…的取值应满足： ｌｉ，Ｑ．９ ∞・≥ （２） 例如，单相交流负荷的工作电压为ＡＣ２２０Ｖ，取 ＡＵ％＝５％，则由式（２）可知直流线路的电压等级范 围为： Ｕｄｏ２２０ ／０ ．９。≥ ＝２５７（Ｖ） 一因此，建议选取ＤＣ２６０Ｖ。 （２）直流负荷的供电需求 按照应用场合的不同，直流微电网中的直流负 荷可分为民用负荷、办公负荷和商用负荷。 １）民用负荷、办公负荷 常见的民用直流负荷有ＬＥＤ灯、手机、热水器、 直流电冰箱、直流空调等。打印机、电脑等办公设备 也可以使用直流电。这些负荷多为小功率负荷，可 接入ＤＣ２４Ｖ、ＤＣ４８Ｖ ｌｏ］的直流线路。 ２）商用负荷 商用负荷一般为大功率直流负荷，例如小型直 流电动机、有轨电车、舰船、企业数据中心、电动汽车 等，调研发现不同类别的商用直流负荷的工作电压 相差较大，同类商用直流负荷的工作电压也大小不 一，如表１所示。 表１ 常见商用直流负荷的工作电压 Ｔａｂ．１ Ｓｕｐｐｌｙ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ＤＣ ｌｏａｄｓ ｉｎ ｃｏｍｍｅｒｃｅ 负荷类型 盲流电压／Ｖ ｚ４系列小型直流电动机 １６０，２００，４００，４４０ 地铁 ７５０，１２００，１５００ 有轨电车 ６９０ 舰船供电系统 ５０，２５０，５００，１２００ 企业数据中心 ２４０，３３６ 电动汽车 １ １４，２８８，３２０，３４６，４００，５７６ 为了规范各类直流负荷的生产标准，并本着尽 可能减少电能变换的次数、降低投资成本的原则，所 制定的直流微电网电压等级应尽量符合一些常见负 荷的接入需求，且便于不符合接入标准的负荷进行 调整。本文建议，对于民用和办公用的小功率直流 负荷接人，制定ＤＣ２４Ｖ、ＤＣ４８Ｖ电压序列；针对中小 功率的商业负荷，制定ＤＣ２４０Ｖ、ＤＣ４００Ｖ电压序列； 对已有成熟制造产业的大功率直流负荷，制定 ＤＣ６９０Ｖ、ＤＣ７５０Ｖ电压序列。 ２．２分布式电源的接入需求 分布式电源（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ＤＧ）是直流 微电网的主要供电电源，其输出电压一般不满足直 接入网要求，多经变流器变压后接入直流电网。这 不仅造成了能源损耗，增加了故障源，也增大了微电 网的建设成本。 为了缓解上述不足，满足ＤＧ接入需求，直流微 电网所制定的电压等级应与ＤＧ的输出电压相匹 配。常见的ＤＧ有风力发电、光伏发电和储能装置， 其输出电压如表２所示。 大功率风电输出交流电，需经三相变流器整流 后接入直流电网，由式（１）可以得出大功率风电所 接直流线路的电压应大于８９０．１Ｖ（ＡＵ％＝５％），建 议选取ＤＣ９００Ｖ。 蔡冰倩，贾利虎，朱永强，等．直流微电网电压等级序列选择的影响因素研究［Ｊ１．电工电能新技术，２０１６，３５（１２）：４５—５１．４７ 表２常见ＤＧ的输出电压 Ｔａｂ．２ Ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ＤＧｓ 小功率风电的内部集成有变流器，输出直流电。 但由于生产厂家较多，且缺少统一标准，其输出电压 大小不一（见表２）。光伏发电系统由多个光伏组件 串、并联，其输出电压与单个组件电压及其串联数量 有关，因此光伏发电系统的输出电压可根据并网点电 压进行调整，且一般接入高电压等级线路。铅酸蓄电 池、超级电容器和飞轮储能也输出直流电，但单个储 能装置的输出电压较小，一般采用多个装置串、并联 后直接接入或经过ＤＣ／ＤＣ变换器变压后接入连接 点，因此储能装置可接入多个直流电压等级线路。 由上述分析可知，光伏发电、储能装置的输出电 压可变，接入需求低，可不作考虑。因此，为满足小 功率风电的直接接入需求，建议制定ＤＣ４８Ｖ、 ＤＣ９６Ｖ、ＤＣ１２０Ｖ和ＤＣ２４０Ｖ直流电压等级序列。 ２．３直流设备的制造水平 直流微电网的设备组成与交流电网相似，包括 直流断路器、变流器、直流控制设备和保护设备。直 流设备的工作电压范围直接影响着直流微电网电压 等级的选择，同时，确定的直流电压等级也就决定了 这些设备的电压设计和制造标准。本文以变流器和 直流断路器为例，说明直流设备对直流电压等级制 定的影响。 （１）变流器的工作电压 在直流微电网中，变流器是各母线之间、ＤＧ和 母线之间、负荷和母线之间的重要桥梁，包括ＡＣ／ ＤＣ变换器和ＤＣ／ＤＣ变换器。ＡＣ／ＤＣ变流器用于 交流负荷、交流输出ＤＧ与直流线路的互联，ＤＣ／ＤＣ 变流器用于各直流线路之间、直流输出ＤＧ和线路 之间、直流负荷和线路之间的互联。当前变流器的 制造水平较为成熟，工作电压范围大，基本可以满足 各种直流电压等级的需求¨ ，例如ＡＢＢ公司生产 的ＤＣＳ８００整流器的输入电压为ＡＣ２３０Ｖ～ ＡＣ１２００Ｖ，输出为ＤＣ３１０Ｖ～ＤＣ１５９０Ｖ。 （２）直流断路器的工作电压 在直流微电网中，直流断路器是承载正常供电 电流，并在规定时间内开断直流运行回路正常电流 以及故障电流的开关设备 。鉴于直流微电网的 起步较晚，适用于微电网的直流断路器还处于发展 阶段，其中文献［１２］指出ＤＣ８００Ｖ及以下的直流断 路器技术相对成熟，例如北京开关厂生产的 ＤＣ２５０Ｖ、ＤＣ５００Ｖ、ＤＣ７５０Ｖ和西门子公司的 ＤＣ２２０Ｖ、ＤＣ４４０Ｖ、ＤＣ８００Ｖ直流断路器。 ２．４供电问题 （１）供电能力 供电能力是指线路供电容量和供电距离。根据 直流输电线路功率表达式Ｐ＝ＵＩ可知，在线路电流 一定的情况下，输送容量与直流电压成正比。由文 献［７］可知，直流线路的电压损耗率和线路损耗率 在数值上是相等的，可根据《电能质量供电电压允 许偏差》得出直流线路的电压损耗率规定值。因 此，当线路参数确定时，可根据式（３）计算出供电距 离 ，将 代入式（４）求出线路的供电容量Ｐ。 ， Ｌ＝￣ｌｏｓｓ Ｕ （３） ｐＪ Ｐ： （４） ｐＬ 式中， 为线路损耗率；ｐ为电阻率（ｎ・ｍ）；Ｊ为经 济电流密度（Ａ／ｍｍ ）；Ｕ 为直流电压等级（Ｖ）；Ｓ为 线路截面积（ｍｍ ）。 假设线路为铝芯电缆，Ｐ＝２．８２６×１０“Ｑ・ｍ，Ｊ ＝１．９２Ａ／ｍｍ ， ＝ＡＵ％＝５％，可估算出直流微 电网中各电压等级的供电距离和供电容量，如表３ 所示。 表３各直流电压等级的供电容量和距离 Ｔａｂ．３ Ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｆｏｒ ｄｉｉｆｅｒｅｎｔ ＤＣ ｃｌａｓｓｅｓ （２）供电电压质量 直流线路采用单极式供电时不涉及无功功率， 线路的电压降落表达式为ＡＵ＝艘／ｕ ，可以看出， 如果保持线路参数和输送容量不变，电压等级提高 ４８ 电工电能新技术 第３５卷第１２期 一倍，电压降落变为原来的１／２。例如家庭用户功 率为６ｋＷ，若采用线路电阻约为０．５Ｑ的ＤＣ４００Ｖ 进行供电，则其电压降落为７．５Ｖ，电压损耗率为 １．８７５％，而采用具有相同线路电阻的ＤＣ２００Ｖ供电 时，其电压降落为１５Ｖ，电压损耗率为３．７５％。 ２．５绝缘接地问题 （１）直流系统接地设计 直流系统中的接地方式按照接地极性分为正极 接地和负极接地，其中正极接地可能使保护及自动 装置误动作，负极接地可能使保护自动装置拒绝动 作。由此看出直流系统接地故障的危害很大，不仅 对设备不利，也会对整个系统的安全构成威胁。我 国《特低电压（ＥＬＶ）限值》规定，无高度触电危险建 筑物的安全电压值为ＡＣ６５Ｖ，因此需要对直流微电 网中相对高于此限值的部分进行接地保护设计。 美国电力研究协会（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎ— ｓｔｉｔｕｔｅ，ＥＰＲＩ）给出的直流电网接地保护方案如图１ 所示。采用三线制供电，将４００Ｖ直流电压分解为 ＋２００Ｖ和一２００Ｖ，这样可以使正负极对地电压减 小为两线制时的一半；变压器二次侧中性点、整流器 的中性点和电气设备的外壳通过地线连接后，经接 地电阻与大地相连。由ＩＥＣ２３ＥＷＧ２可知，采用± ２００Ｖ中线接地的直流系统的安全性优于２２０Ｖ交流 系统。 断 路 器 图１ 直流微电网的接地保护设置 Ｆｉｇ．１ Ｇｒｏｕｎｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ＤＣ ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ 因此，为保证用户安全和电器安全，给出以下建 议：以ＤＣ４８Ｖ为分界线，超过部分设置接地保护，低 于部分不再设置接地保护。 （２）直流线路绝缘设计 由于直流微电网多建设在城市地区，而城市地 上空间有限，采用架空线路会占用过多的空间资源， 因此直流微电网多采用直流电缆供电。根据直流电 缆的电场分布特性和绝缘特性可以得出，电压 增 大，电场强度 增大，绝缘材料的电阻率Ｐ变小，电 缆的绝缘性减弱；而过压时，绝缘材料易被击穿。另 外，直流线路的绝缘特性还与线路电流、环境温度有 较大关系，通过电流过大时，热效应明显，线路的绝 缘材料容易老化。 参考交流低压电缆绝缘设计规范，给出了直流 电缆绝缘水平选择的参考值，如表４所示。其中 为缆芯对地额定电压值，ｕ为正负极缆芯之间电压 的额定值。 表４直流电缆的绝缘水平参考 Ｔａｂ．４ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌ ｆｏｒ ＤＣ ｃａｂｌｅ ２．６电磁兼容问题 直流微电网中使用了大量变流器。在工作过程 中，变流器中的二极管、ＩＧＢＴ等开关器件的高频开 关动作会产生很大的ｄｕ／ｄｔ和ｄｉ／ｄｔ冲击，而电脑、 手机等直流敏感设备极易受到电磁干扰的影响。据 此本文给出以下建议：采用高电压的大功率电动调 速设备以及大容量的变流器，应与敏感性负荷保持 一定的安全距离，以减少电磁干扰。但直流微电网 线路的电压等级较低（小于ＩＯ００Ｖ），因此其对用电 负荷的电磁干扰可不予考虑。 ３经济性分析 为了提高直流微电网的经济性，在考虑各种影 响因素下制定的直流电压等级序列所对应的直流微 电网应具有经济优越性。这里的经济性是指微电网 的建设成本、运行成本和维护成本 相对较少。 （１）建设成本 直流微电网的建设成本指电缆、变流器和直流 断路器等设备的购买成本。在过流能力相同时，直 流电缆的电压等级越高，其输送容量越大，能够供电 的负荷功率就越大，造价也就越高。假设电缆的单 价为ｍ ，输送距离为 ，则电缆的购买总成本Ｃ。＝ ｍ０Ｌ。 调研发现，在通流能力一定的情况下，变流器的 额定电压越高，容量越大，相应的成本也就越高。因 此，变流器的价格与其额定电压呈正相关关系。若 变流器的单位容量价格为ｍ ，额定容量为Ｐ ，则单 个变流器的购买成本Ｃ ＝ｍ Ｐ 。 直流线路的电压等级直接决定着直流断路器极 数选择，且电压越高，所需极数越多，价格也就越高； 另外直流断路器的通断电流能力与其工作电压也呈 正相关关系，耐压和过流能力越高，成本也越高。若 蔡冰倩，贾利虎，朱永强，等．直流微电网电压等级序列选择的影响因素研究［Ｊ］．电工电能新技术，２０１６，３５（１２）：４５－５１．４９ 直流断路器的额定电压为 ，则单个购买成本Ｃ ＝ ｍ Ｕ ，其中ｍ 为相关系数。因此合理选择直流微电 网的电压等级能够有效减少直流设备的投资，降低 建设成本。直流微电网的建设成本Ｃ 为： Ｃｈ＝Ｃｌ＋Ｃ ＋Ｃ ＝ｍ０ ＋ｍ Ｐ ＋ｍ Ｕ （５） （２）运行维护成本 １）运行成本 直流微电网的运行成本主要指能量损耗成本， 包括线路损耗和变流器损耗两个方面。 已知线路损耗△Ｐ ＝／ｌｏｓ￣Ｐ ，Ｐ。为线路输送容 量。设单位千瓦时的价格为ｍ ，系统运行年限为 ｎ，则线路损耗成本Ｃ 。 为： Ｃ】ｌ蛳＝ｍ１△Ｐｌ＿＿ｌⅢｎ＝ｍ１／ｌｏ￣ｓＰｌｎ 在保持线路参数和输送功率不变的情况下，电 压等级提高１倍，线路损耗成本减少为原来的１／４。 变流器损耗主要指开关损耗和导通损耗，开关 损耗受控制方式影响，导通损耗则与流过的电流有 关。当变流器传输功率不变时，电压等级越高，电流 越小，导通损耗也就越小。已知变流器损耗率叼 和变流器转换效率叼。的关系为：ｒ／ 。＋ｒ／ ＝１，则变 流器损耗成本ｃ 为： Ｃ ｌ。 ＝， １（１—７７ ）Ｐ ｎ＝ｍ１叼ｌ。 Ｐ ｎ 可知，变流器的转换效率越高，损耗成本越小。 变流器的转换效率与电压等级有关，但由于变 流器的转换效率受器件制造工艺、控制技术、应用环 境等因素的影响，因此很难确定两者之间的数学表 达式。本文经过大量的调研得出在不同场合、不同 电压等级下的变流器损耗率，如表５所示。在传输 功率一定的情况下，对于相同结构的变流器组合，电 压等级越高变流器转换效率越大。 表５各种应用场合下不同电压等级的变流器损耗率 Ｔａｂ．５ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｌｏｓｓ ｒａｔｅ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ＤＣ ｃｌａｓｓｅｓ ２）维护成本 已知微电网的维护成本与输送功率近似呈正相 关关系。考虑到直流微电网的电压等级较低，输送 功率较少，因此直流微电网的维护成本可近似表示 为Ｃ ＝０．０２ｍ Ｐ ｎ，其中Ｐ 为系统的输送功率。 综上所述，直流微电网系统的运行维护总成本 Ｃｌ…为： Ｃｌ ＝ＣｌＪ ＋Ｃ ｌ ＋Ｃ ＝ｍｌ（／ｉｏ￣８Ｐｌ＋叼ｌ。…Ｐ＋０．０２Ｐ ）ｎ（６） （３）直流微电网的经济性分析 从上述分析可知，电压等级越高，直流电网的建 设成本越高，运行维护成本则越小。因此，在制定直 流微电网的电压等级时，应充分考虑其与建设成本、 能量损耗成本之间的关系，使所设计的直流微电网 总成本较少，以提高系统的经济性。直流微电网的 总成本Ｃ，可表示为： Ｃｔ＝Ｃｂ＋Ｃｌ。 ＝∑［ｍ。 ＋ｍ Ｐ ｖ（１）＋ｍ Ｕ ）＋ ｆ＝１ ｍ１（ｚｌ。 １）Ｐｌ“）＋ ｌ。 Ｐ （ ）＋０．０２Ｐ ）ｎ］ （７） 式中，ｉ代表电压等级序数；ｍ为电压等级总个数。 ４家用型直流微电网电压等级序列的选择 本文以家用型直流微电网为例，在综合考虑直 流微电网电压等级序列选择的各种影响因素下，设 计了其直流电压等级序列，并说明了该电压等级序 列的经济性优势。 ４．１直流电压等级序列的选择 家用型直流微电网中的负荷主要包括小功率的 ＬＥＤ灯、手机、电脑和大功率的电动汽车等直流负 荷，以及冰箱、洗衣机等单相低压交流负荷；ＤＧ有 小功率的风电、光伏电池和储能装置。 为了便于上述直流负荷、ＤＧ接人直流微电网， 为其选择ＤＣ２４Ｖ、ＤＣ４８Ｖ、ＤＣ２６０Ｖ、ＤＣ４００Ｖ的电压 等级序列。其中，ＤＣ２４Ｖ和ＤＣ４８Ｖ用于小功率直 流负荷和小功率风电的接入；ＤＣ２６０Ｖ用于单相低 压交流负荷经变流器变换后接人；ＤＣ４００Ｖ用作各 家庭用户之间互联的母线，也用于具有相同工作电 压的电动汽车的直接接人，另外，光伏发电系统和直 流储能装置的输出电压也可按相近的电压水平设 计，并经ＤＣ／ＤＣ变流器后接入此电压等级。此外， 考虑到高电压等级变流器的损耗率小，因此线间变 流器的高压侧也与ＤＣ４００Ｖ母线相连。调研发现， 市场上已有ＤＣ２５０Ｖ和ＤＣ４４０Ｖ的直流断路器，这 也验证了所选直流电压等级序列的可行性。 在接地保护方面，ＤＣ４８Ｖ、ＤＣ２６０Ｖ和ＤＣ４００Ｖ ５０ 电工电能新技术 第３５卷第１２期 线路以及外壳导电的设备通过地线相连后，再经由 主接地条（ＭＧＢ）与大地相连。本例中的家用型直 流微电网结构如图２所示 。 图２家用型直流微电网结构图 Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｈｏｍｅ ＤＣ ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ ４．２直流微电网的经济性分析 通过对当前直流设备生产厂家的调研，列出了 所选直流电压等级序列对应的ＹＪＶ电缆、变流器和 直流断路器的单位投资成本、输电容量和距离，如表 ６所示。 表６直流微电网的单位投资成本、 输电容量和距离 Ｔａｂ．６ Ｕｎｉｔ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ＤＣ ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ 参照表５，取ＤＣ２６０Ｖ及以下电压等级中的变流 器损耗率为８．６％。若设ｍ，：０．４８８３元／（ｋＷ・ｈ），将 表６中的电缆单价（ｍ ）等数据代入式（５）、式（６），可 计算出家用型直流微电网的建设总成本Ｃ 和年运行 维护总成本Ｃ 分别为： Ｃｂ＝ｍ０Ｌ＋ｍ Ｐ ＋ｍ Ｕ ＝３９．５４（万元） Ｃｌ。。 ＝ｍ１（／ｌｏｇｓＰｌ＋ｒ／ｌ。。。Ｐ ＋０．０２Ｐ。）＝４．６８（万元） 因此，采用本例所选电压等级序列时，家用型直 流微电网的总成本为： Ｇ。ｌ＝３９．５４＋４．６８ｎ 值得注意的是，当家用型直流微电网中的负荷 工作电压和ＤＧ输出电压较小时，可省去ＤＣ４００Ｖ 电压等级，此时系统的Ｃ ＝１３．３９万元，Ｃ。。 ＝１．７ 万元，对应的微电网总成本Ｃ， ＝１３．３９＋１．７ｎ。当 微电网中无超低压直流负荷，则可去掉ＤＣ２４Ｖ电压 等级，对应的Ｃ ＝３９．１５万元，Ｃ。。 ＝４．６３万元，微 电网系统总成本Ｃ ＝３９．１５＋４．６３ｎ。 而采用当前工程中常用的ＤＣ７５０Ｖ、ＤＣ４００Ｖ、 ＤＣ４８Ｖ、ＤＣ２４Ｖ电压等级序列时，家用型直流微电 网总成本为： Ｃ“＝１２１．１２＋１１．９０ｎ 经比较可知，考虑各种影响因素下选择的电压 等级序列所对应的直流微电网总成本明显低于目前 工程中常用直流电压序列的微电网成本，验证了其 经济性优势。另外，在实际应用时，可根据所设计场 景的具体需求增减电压等级，例如，无大电压负荷的 直流微电网可省去ＤＣ４００Ｖ电压等级、无超低压负 荷的微电网可不用ＤＣ２４Ｖ电压等级，这不仅能降低 直流微电网成本，同时也增加了系统的可靠性。 ５ 结论 借鉴传统交流配电网电压等级制定方法，结合 对当前直流微电网工程的调研，本文详细分析了负 荷的供电需求、分布式电源的接入需求、直流设备的 制造水平、供电问题、绝缘接地问题和电磁兼容问题 等直流微电网选择电压等级序列的影响因素，同时 给出了考虑上述影响因素时选择电压等级的建议。 另外，从直流微电网的建设成本、运行维护成本出 发，对电压等级序列的经济性进行了分析，给出电压 等级与直流微电网总成本之间的关系。最后以家用 型直流微电网为例，设计了其电压等级序列，并与目 前工程中常用电压等级序列的微电网成本进行了比 较，说明了其经济性优势，也为其他类型的直流微电 网电压等级的制定提供了参考。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ［１］Ｄ Ｂｏｒｏｙｅｖｉｃｈ，Ｒ Ｂｒａｓｏｖ，Ｉ Ｃｖｅｔｋｏｖｉｃ，ｅｔ ａ１．Ｆｕｔｕｒｅ ｅｌｅｃ－ ｔｒｏｎｉｃ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ：Ａ ｃｏｎｔｅｍｐｌａｔｉｖｅ ｖｉｅｗ ［Ａ］．１２ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅ— ｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ（ＯＰＴＩＭ）［Ｃ］． ２０ｌＯ．１３６９．１３８０． ［２］Ｓ Ａｎａｎｄ，Ｂ Ｇ Ｆｅｒｎａｎｄｅｓ．Ｏｐｔｉｍａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｌｅｖｅｌｓ ｆｏｒ ＤＣ ｍｉ— 蔡冰倩，贾利虎，朱永强，等．直流微电网电压等级序列选择的影响因素研究［Ｊ］．电工电能新技术，２０１６，３５（１２）：４５－５１． ５１ ｃｒｏｇｒｉｄｓ［Ａ］．ＩＥＣＯＮ ２０１０・３６ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ２０１５，３９（９）：１９—２５，４７． ＩＥＥＥ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｌａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ［ｃ］．２０１０．３０３４—３０３９． ［８］曹增功（Ｃａｏ Ｚｅｎｇｇｏｎｇ）．电力网络电压等级的选择 ［３］Ｄｉｄｉｅｒ Ｍａｒｑｕｅｔ，Ｔｏｓｈｉｍｉｔｓｕ Ｔａｎａｋａ，Ｋｅｎｓｕｋｅ Ｍｕｒａｉ，ｅｔ （Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｖｏｈａｇｅ ｇｒａｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｎｅｔｗｏｒｋ）［Ｊ］． １ａ．ＤＣ ｐｏｗｅｒ ｗｉｄｅ ｓｐｒｅａｄ ｉｎ Ｔｅｌｅｃｏｍ／Ｄａｔａｃｅｎｔｅｒ ａｎｄ ｉｎ 山东电力技术（Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ），１９９８， ｈｏｍｅ／ｏｆｆｉｃｅ ｗｉｔｈ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ａｕｔｏｎｏｍｙ （３）：３１—３４． ［Ａ］．３５ ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎ— ［９］王兆安，黄俊（Ｗａｎｇ Ｚｈａｏ’ａｎ，Ｈｕａｎｇ Ｊｕｎ）．电力电 ｆｅｒｅｎｃｅ‘Ｓｍａｒｔ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ’（ＩＮＴＥＬＥＣ）［ｃ］． 子技术（Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｒｏｎｉｃｓ）［Ｍ］．北京：机械工业出 ２０１３． １．６． 版社（Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｐｒｅｓｓ），２０００． ［４］郑欢（Ｚｈｅｎｇ Ｈｕａｎ）．柔性直流配电网的若干问题研 ［１Ｏ］ Ａ Ｔ Ｅｌｓａｙｅｄ，Ａ Ａ Ｍｏｈａｍｅｄ，０ Ａ Ｍｏｈａｍｍｅｄ．ＤＣ ｍｉ— 究（Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｓｏｍｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ＤＣ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔ— ｃｒｏｇｒｉｄｓ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ：Ａｎ ｏｖｅｒｖｉｅｗ［Ａ］． ｗｏｒｋ）［Ｄ］．杭州：浙江大学（Ｈａｎｇｚｈｏｕ：Ｚｈｅｊｉａｎｇ ＩＥＥＥ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ（ＰＥＳ） Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ），２０１４． ［Ｃ］．２０１３．１．５． ［５］曾丹，姚建国，杨胜春，等（Ｚｅｎｇ Ｄａｎ，Ｙａｏ Ｊｉａｎｇｕｏ， ［１１］ 马伟明，肖飞（Ｍａ Ｗｅｉｍｉｎｇ，Ｘｉａｏ Ｆｅｉ）．风力发电变流 Ｙａｎｇ Ｓｈｅｎｇｃｈｕｎ，ｅｔ ａ１．）．柔性直流输电不同电压等级 器发展现状与展望（Ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｏｕｔｌｏｏｋ ｏｆ ｗｉｎｄ 的经济性比较（Ｅｃｏｎｏｍｙ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ＶＳＣ—ＨＶＤＣ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）［Ｊ］．中国工程科学（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｌｅｖｅｌｓ）［Ｊ］．电力系统自动化 Ｓｃｉｅｎｃｅｓ），２０１１，１３（１）：１１—２０． （Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ），２０１ １，３５ ［１２］ 何俊佳，袁召，赵文婷，等（Ｈｅ Ｊｕｎｊｉａ，Ｙｕａｎ Ｚｈａｏ， （２０）：９８・１０２． Ｚｈａｏ Ｗｅｎｔｉｎｇ，ｅｔ ａ１．）．直流断路器技术发展综述 ［６］张运洲，韩丰，赵彪，等（Ｚｈａｎｇ Ｙｕｎｚｈｏｕ，Ｈａｎ Ｆｅｎｇ， （Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ＤＣ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ） Ｚｈａｏ Ｂｉａｏ，ｅｔ ａ１．）．直流电压等级序列的经济比较 ［Ｊ］．南方电网技术（Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ— （Ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ＨＶＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｌａｓｓ ｓｅｑｕｅｎｃｅ） ｇＹ），２０１５，９（２）：９－１５． ［Ｊ］．电网技术（Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），２００８，３２ ［１３］ 朱永强，贾利虎，王银顺（Ｚｈｕ Ｙｏｎｇｑｉａｎｇ，Ｊｉａ Ｌｉｈｕ， （９）：３７－４１． Ｗａｎｇ Ｙｉｎｓｈｕｎ）．微电网结构设计的基本原则（Ｂａｓｉｃ ［７］王丹，柳依然，梁翔，等（Ｗａｎｇ Ｄａｎ，Ｌｉｕ Ｙｉｒａｎ，Ｌｉ— ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏ－ｇｒｉｄ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）［Ｊ］．电工 ａｎｇ Ｘｉａｎｇ，ｅｔ ａ１．）．直流配电网电压等级序列研究 电能新技术（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｅｎｇｉ— （ＤＣ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｌａｓｓ ｓｅｒｉｅｓ）［Ｊ］．电力 ｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ），２０１５，３４（９）：４４＿４９，６３． 系统自动化（Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ）， Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｌａｓｓ ｓｅｒｉｅｓ ｏｐｔｉｏｎ ｉｎ ＤＣ ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ ＣＡＩ Ｂｉｎｇ－ｑｉａｎ，ＪＩＡ Ｌｉ－ｈｕ，ＺＨＵ Ｙｏｎｇ—ｑｉａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｙｉｎ－ｓｈｕｎ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｌｔｅｒｎａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｏｕｒｃｅｓ， Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ０２２０６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＤＣ ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｏｆ ｆｕｔｕｒｅ ｓｍａｒｔ ｇｒｉｄ．Ｒｅｃｅｎｔｌｙ，ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｌａｓｓ ｓｅｒｉｅｓ ｉｎ ＤＣ ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ ａｒｅ ｎｏｔ ｐｒｏｆｏｕｎｄ ｅｎｏｕｇｈ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｏｆ ｏｐｔｉｍｕｍ ０ｐ— ｔｉｏｎ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｌａｓｓ ｓｅｒｉｅｓ ｉｎ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＡＣ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｖａｒｉｏｕｓ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃ－ ｔｏｒｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｄｅｍａｎｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏａｄｓ，ｔｈｅ ａｃｃｅｓｓ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ＤＧｓ，ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｌｅｖｅｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ＤＣ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｔｈｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｍ— ｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｅｔｃ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ｓｏｍｅ ａｄｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｌａｓｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｉｎｆｌｕ－ ｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｌａｓｓ ｓｅｒｉｅｓ ａｎｄ ｃｏｓｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ｅｃｏｎｏｍｙ．Ｆｉ— ｎａｌｌｙ，ｔａｋｉｎｇ ｈｏｍｅ ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｓ ｉｔｓ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｌａｓｓ ｓｅｒｉｅｓ，ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｉｔｓ ｅｃｏｎｏｍｙ ｓｕ． ｐｅｒｉｏｒｉｔｙ，ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ｏｔｈｅｒ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ＤＣ ｍｉｃｒｏｇｒｉｄｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＤＣ ｍｉｃｒｏｇｉｄ；ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｌａｓｓ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒ；ｅｃｏｎｏｍｙ ａｎａｌｙｓｉｓ
