柔性直流配電網(wǎng)電壓等級選擇與數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計實踐

李紅軍，姜世公，王云飛，王哲，劉艷茹

(1.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市 102209；2.國家電網(wǎng)公司發(fā)展策劃部，北京市 100031)

柔性直流配電網(wǎng)電壓等級選擇與數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計實踐

李紅軍1，姜世公1，王云飛1，王哲2，劉艷茹1

(1.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市 102209；2.國家電網(wǎng)公司發(fā)展策劃部，北京市 100031)

電壓等級是直流配電系統(tǒng)眾多研究內(nèi)容的基礎(chǔ)，關(guān)系到電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和布局、電氣設(shè)備與設(shè)施的設(shè)計與制造、電力系統(tǒng)的運行與管理等方面。以柔性直流配電網(wǎng)電壓等級選取方法為目標(biāo)，研究影響電壓等級序列選擇的內(nèi)外部因素，分析了設(shè)備、直流配電系統(tǒng)的輸送能力和輸送距離等相關(guān)約束條件，確立了直流電壓等級的選取原則及中低壓直流電壓等級選擇過程。根據(jù)上述研究結(jié)果，基于數(shù)據(jù)中心負荷位置距離、負荷容量、負荷電壓等級、分布式電源接入要求等因素，通過計算確立了實例工程電壓等級為中壓±10 kV，低壓750 V和240 V。結(jié)合數(shù)據(jù)中心供配電可靠性等級要求，提出了數(shù)據(jù)中心交直流配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。研究成果可為直流配電網(wǎng)電壓等級選擇和直流配電系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)提供參考。

直流配電網(wǎng)；電壓等級選擇；輸送距離；輸送容量

0 引 言

伴隨著電力負荷增長和新能源發(fā)電技術(shù)進步，傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)發(fā)展遇到了線路走廊緊張、供電容量不足等許多瓶頸，以絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar translator, IGBT)為代表的電力電子技術(shù)發(fā)展日益成熟，直流配電成為解決傳統(tǒng)配電網(wǎng)問題的一種新途徑。與傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)具有省略DC/AC逆變環(huán)節(jié)，減低能耗；節(jié)能變頻類家電一級變流環(huán)節(jié)，節(jié)約能耗，降低用戶采購費用；提高供電系統(tǒng)輸送容量、可控性以及電能質(zhì)量；易于協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源之間的矛盾，充分發(fā)揮分布式能源的價值和效益，提高能源利用率等優(yōu)點[1-4]。另外，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，不同電壓等級之間的功率變換和保護等設(shè)備也日趨成熟[5-7]，直流配電技術(shù)也具備了設(shè)備技術(shù)基礎(chǔ)。

直流配電技術(shù)的發(fā)展很大程度上得益于分布式電源發(fā)展推動。分布式電源接入后，傳統(tǒng)配電網(wǎng)呈現(xiàn)出有源特征，潮流由單向變?yōu)槎嘞?。采用直流配電技術(shù)后，光伏、燃料電池、風(fēng)機和燃氣輪機等輸出電能接入直流配電網(wǎng)可省去大量換流環(huán)節(jié)，提高能源轉(zhuǎn)換效率。另外，為節(jié)省能源，原有交流配電網(wǎng)中的家用負荷多采用變頻技術(shù)，而LED照明、電動汽車、計算機等本身就是直流負荷，如果采用直流配電方式可省去大量AC/DC環(huán)節(jié)，提高能源利用率[8-10]。

為了充分發(fā)揮分布式能源效能，分布式電源往往采用微電網(wǎng)形式并入主網(wǎng)。美國、日本、歐洲各國、韓國、中國臺灣等國家及地區(qū)已經(jīng)開展了直流配電網(wǎng)的相關(guān)研究工作，并提出了各自的直流配電網(wǎng)概念和發(fā)展目標(biāo)[11-15]，可以預(yù)見，直流配電網(wǎng)將成為未來的發(fā)展方向。與交流配電網(wǎng)類似，未來直流配電網(wǎng)的發(fā)展也應(yīng)該是由多級組成，規(guī)范合理的直流配電電壓等級序列是直流配電網(wǎng)發(fā)展中亟待解決的問題。目前，針對這一方面的研究主要集中在直流配電系統(tǒng)末端的低電壓等級選擇方面，文獻[16]研究表明直流400 V作為數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的電壓等級具有較高的效率；文獻[17]對326、230、120和48 V等4種可能的直流電壓等級進行了對比分析，研究結(jié)果表明電壓降和電能損耗會隨著直流配電電壓的降低而迅速升高；文獻[18]研究了柔性直流輸電中電壓等級和輸送容量之間的關(guān)系，分析了±80 kV和±150 kV柔性直流輸電的經(jīng)濟性。

目前，針對直流輸配電系統(tǒng)電壓等級的研究主要集中在配電線損、換能損耗和經(jīng)濟性對比分析等方面，但針對直流配電系統(tǒng)電壓等級選擇的相關(guān)研究較少。由于直流配電網(wǎng)中負荷波動大、供電靈活度高、分布式電源接入多以及改造用地成本高等特點，因此對直流配電電壓等級選擇展開專門研究是十分有必要的。

本文基于對影響直流電壓等級的內(nèi)部和外部因素的分析，總結(jié)出目前直流配電設(shè)備的發(fā)展水平、交直流配電網(wǎng)輸送能力和輸送距離等方面約束條件，結(jié)合實例工程項目中分布式電源和負荷的容量、分布特性等方面因素，確定直流配電電壓等級。

1 直流配電網(wǎng)電壓等級選擇的影響因素

電壓等級的選擇是配電網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)，既要滿足不斷增長的負荷需求，又要適應(yīng)未來電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化，影響直流配電網(wǎng)電壓等級選擇的主要因素主要包括內(nèi)部和外部兩類因素。

1.1 內(nèi)部因素

1.1.1 經(jīng)濟性影響

經(jīng)濟性對直流配電電壓選擇的影響主要包括運行經(jīng)濟性和投資經(jīng)濟性兩方面。電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行是指在保證電力系統(tǒng)安全可靠運行和電能質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下，盡量提高電能生產(chǎn)和輸送的效率；配電系統(tǒng)規(guī)模大、投資大，對構(gòu)建直流配電網(wǎng)而言，投資經(jīng)濟性非常關(guān)鍵。新建直流配電網(wǎng)、交流配電網(wǎng)直流改造等建設(shè)投資，直流一次設(shè)備、直流配電線路等設(shè)備投資，以及電能損耗費用等，采用不同電壓等級會有不同的結(jié)果。合理的直流配電電壓等級要能保證在系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠運行的前提下，以投資經(jīng)濟性最優(yōu)為目標(biāo)。

1.1.2 技術(shù)性影響

系統(tǒng)的安全穩(wěn)定是電力系統(tǒng)運行的最基本要求，而電壓等級與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及接線方式密切相關(guān)，滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定的要求，是合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及電壓等級的前提。

(1)電壓質(zhì)量。采用相同線路參數(shù)，輸送相同功率時，電壓降百分數(shù)反比于電壓的平方若將直流電壓提高1倍，線路電壓損耗可減小75%。因此，直流配電釆用較高的電壓等級，可以減小電壓損耗，提高線路末端的電壓質(zhì)量。

(2)電氣絕緣。相同有效值電壓的交、直流電場施加于絕緣時，交流電壓的峰值約為直流電壓峰值的1.7倍，因此對絕緣介質(zhì)的絕緣強度要求比直流嚴格。相較交流配電方式，同絕緣水平的電纜應(yīng)用于直流可以運行于較高的電壓，這是采用直流配電的優(yōu)勢。但是，考慮到過高的電壓等級會導(dǎo)致絕緣要求增加，受空間資源和設(shè)備費用限制，直流電壓等級選擇不宜太高。

(3)供電可靠性。隨著信息社會的蓬勃發(fā)展，計算機、辦公和家用設(shè)備對供電電源的可靠性要求越來越高。傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)中，通常使用不間斷電源(uninterrupted power supply, UPS)來滿足電源可靠性的要求。對于直流配電系統(tǒng)，不僅省去了整流、逆變等環(huán)節(jié)，而且更便于超級電容和蓄電池等儲能裝置的接入，在一定程度上相當(dāng)于將原來分散于用戶的UPS集中起來，減少用戶事故備用，提高供電可靠性和整體經(jīng)濟性。另外，因為直流線路不存在頻率穩(wěn)定和無功功率等問題，故供電可靠性相對較高。但是，較高的配電電壓等級，意味著單條饋線上的負荷也顯著增加，當(dāng)饋線發(fā)生故障時將有更多的客戶遭受停電威脅。

1.2 外部因素

1.2.1 社會發(fā)展

目前，釆用直流配電的行業(yè)主要有城市軌道交通、通信信息系統(tǒng)、船舶系統(tǒng)等。隨著社會的發(fā)展，直流供電的需求和優(yōu)勢得到越來越顯著的體現(xiàn)，金融信息系統(tǒng)、大型樓宇供電系統(tǒng)也開始進行直流供電的探索，制定科學(xué)合理的直流配電電壓等級，要考慮適應(yīng)這些行業(yè)對電能質(zhì)量、供電可靠性的高要求。因此，社會發(fā)展影響著直流供電制式及合理電壓等級的選擇。

1.2.2 經(jīng)濟發(fā)展影響

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，經(jīng)濟總量的攀升使得用電量快速增長，這就要求配電系統(tǒng)輸送更大的容量，保證電力滿足國民經(jīng)濟發(fā)展需要，降損和提高電力使用效率非常重要。另外，配電系統(tǒng)還要適應(yīng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化調(diào)整，隨著第三產(chǎn)業(yè)及其用電的比重提高，中壓配電網(wǎng)供電的比例相應(yīng)提高，因此需要加強中壓配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，提高供電能力，并采用合理的電壓等級。

1.2.3 技術(shù)發(fā)展的影響

大容量IGBT等電力電子器件的商業(yè)應(yīng)用，使得更接近于配網(wǎng)電壓等級的輕型直流輸電逐步得到推廣；直流配電網(wǎng)用電壓源型換流器、直流變壓器、斷路器等基礎(chǔ)設(shè)備的發(fā)展水平對直流配電網(wǎng)的可靠性、效率有著最直接的影響；儲能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，能提高系統(tǒng)效率和設(shè)備利用率，增加備用容量，提高系統(tǒng)供電質(zhì)量，保障電網(wǎng)應(yīng)急電能供應(yīng)，抑制由于大規(guī)模新能源接入造成的穩(wěn)定性影響。

1.2.4 電源構(gòu)成的影響

隨著分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，常規(guī)電網(wǎng)需要接納越來越多的分布式能源(distributed generation, DG)，而此類電源主要接入配電網(wǎng)，即配電網(wǎng)將發(fā)展成為內(nèi)部具有電源的主動配電網(wǎng)，使配電網(wǎng)成為能夠整合分布式能源和微網(wǎng)的配電網(wǎng)絡(luò)。因此，未來的配電網(wǎng)應(yīng)能夠接納風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電的大規(guī)模、分布式并網(wǎng)，便于各種分布式電源和儲能裝置的接入。

1.2.5 負荷需求的影響

未來配電網(wǎng)中的直流負荷將占越來越大的比重，特別是在辦公區(qū)、住宅區(qū)和學(xué)校等非工業(yè)負荷區(qū)，直流負荷將逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，建立直流配電網(wǎng)將減少電力變換環(huán)節(jié)，大幅提高供電效率。負荷對電源需求的變化，使得發(fā)展直流配電技術(shù)將成為必然的要求。因此，在選擇直流配電電壓等級的時候要充分考慮負荷的需求。

2 直流配電網(wǎng)電壓等級選擇的約束條件及選擇過程

綜合分析目前直流配電網(wǎng)發(fā)展情況，中壓電壓等級選擇應(yīng)與交流系統(tǒng)匹配，低壓電壓等級選擇較為靈活，但應(yīng)與用戶負荷匹配。另外，在選擇電壓等級時要綜合考慮目前直流配電設(shè)備發(fā)展水平、不同電壓等級的輸送容量和輸送距離等方面約束。

2.1 換流設(shè)備水平及配電方式

目前適用于柔性直流配電系統(tǒng)的換流器主要有兩電平或三電平電壓源換流器和模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)。兩電平電壓源型換流器(voltage source converter, VSC)拓撲多采用壓接式IGBT，每個橋臂由多個IGBT元件串聯(lián)組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊等優(yōu)點，但存在輸出電平數(shù)少，波形畸變較為嚴重，環(huán)流閥承受的電壓幅值較高，開關(guān)頻率較高時損耗較大等缺點；對于三電平VSC，每橋臂包含4組開關(guān)管及2個鉗位二極管，相對兩電平結(jié)構(gòu)輸出電平數(shù)增加，換流閥所承受的電壓下降了一半，但存在直流電容電壓不平衡的問題；采用MMC結(jié)構(gòu)的VSC，每個橋臂由若干個相互連接且結(jié)構(gòu)相同的子模塊與一個電抗器串聯(lián)構(gòu)成，運行過程中能夠?qū)崿F(xiàn)低電平臺階變化的多電平電壓輸出，降低了電壓變化的幅度和梯度，有效緩解了換流器閥承受的電氣應(yīng)力，具有較優(yōu)的波形品質(zhì)及較低的諧波含量，采用模塊化設(shè)計方式，易于擴展應(yīng)用靈活，但由于電容元件分布在子模塊中，電容均壓較為困難，并且同樣的直流電壓等級下所使用的開關(guān)器件數(shù)為兩電平VSC串聯(lián)時的2倍。因此，直流電壓等級的選擇要考慮換流站發(fā)展水平及經(jīng)濟性等方面。

直流輸配電主要有單極傳輸和雙極傳輸兩種方式。單極傳輸?shù)娜萘恳资艿饺氲仉娏鞔笮〉闹萍s，但建設(shè)改造成本低；雙極傳輸容量大，靈活性和可靠性高，但建設(shè)成本高。從長遠角度考慮，直流配電網(wǎng)采用雙極傳輸方式更為合理。此外，雙極傳輸相當(dāng)于提供了更多的電壓等級選擇，如±750 V可用作1.5 kV，±325 V可用作750 V，這種等級設(shè)定可有效減少變壓環(huán)節(jié)。

2.2 線路輸送能力

2.2.1 交直流線路載流量分析

架空線路大多采用鋁絞線，20世紀七八十年代起大量應(yīng)用鋼芯鋁絞線等復(fù)合材料導(dǎo)體，鋼芯主要承受機械拉力，而由1層或多層鋁線絞合的部分則承受導(dǎo)電作用。架空線路導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)運行時的載流量為

(1)

式中：pr為輻射熱損耗；pc為對流散熱損耗；ps為太陽輻射熱；RT為工作溫度下的導(dǎo)體單位長度交流電阻。

由式(1)可知，影響架空線路載流量的主要因素為熱損耗及線路電阻，考慮到交直流架空線路上述參數(shù)相差不大，因此直流配電系統(tǒng)載流量分析過程中可用交流載流量代替，導(dǎo)體截面積分別為120,240 mm2條件下，架空線路載流量為380, 610 A。

電纜載流量計算是依據(jù)電纜穩(wěn)態(tài)運行時所形成的物理溫度場微分方程求解得到的，根據(jù)電纜用于交流系統(tǒng)還是直流系統(tǒng)以及敷設(shè)方式的不同，其計算形式也有所不同。另外，空氣中敷設(shè)時是否受到陽光照射也對電纜載流量有一定影響。通用的導(dǎo)體額定載流量為

(2)

式中：Δθc為高于環(huán)境溫度的導(dǎo)體溫升；Wd為導(dǎo)體絕緣單位長度的介質(zhì)損耗；T1為導(dǎo)體和金屬套之間單位長度熱阻；T2為金屬套和鎧裝之間內(nèi)襯層單位長度熱阻；T3為電纜外護層單位長度熱阻；T4為電纜表面和周圍介質(zhì)之間單位長度熱阻；n為電纜中載有負荷的導(dǎo)體數(shù)；λ1為電纜金屬套損耗相對于所有導(dǎo)體總損耗比率；λ2為電纜鎧裝損耗相對于所有導(dǎo)體總損耗的比率。截面積與載流量的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 不同截面交直流電纜的載流量對比
Table 1 Transfer current comparisons between DC cables and AC cables with different conductor sections

2.2.2 交直流配電網(wǎng)輸送能力對比分析

由于直流配電無渦流損耗和集膚效應(yīng)，故輸送容量高于同等級的交流輸電。以直流雙極系統(tǒng)和三相交流系統(tǒng)為例：

(3)

式中：Pdc、Pac分別為直流輸送功率和交流輸送功率；Udc、Uac分別為單級直流電壓和交流相電壓；Idc、Iac分別為直流電流和交流相電流；a為相數(shù)；ki為直流配電容量增益系數(shù)，一般取1.2；cosφ為交流系統(tǒng)的功率因數(shù)，一般取0.95。

基于載流量分析結(jié)果，計算10 kV電壓等級不同導(dǎo)線截面的交直流架空鋁導(dǎo)線輸送容量如表2所示。

表2 10 kV電壓等級交直流架空線路輸送容量對比
Table 2 Transmission capacity comparison of 10 kV AC/DC overhead lines

另外，由式(2)可知，相同電纜絕緣強度和電流有效值下，直流雙極系統(tǒng)可輸送的功率大約是對應(yīng)三相交流輸電系統(tǒng)的1.18倍。另外，交流地下電纜由于受對地電容的影響，無功功率難以得到補償，大容量、長距離電能傳輸難度大，而直流電纜無此問題，在城市負荷集中地區(qū)，可通過直流低壓大電流傳輸來滿足需求。表3給出了導(dǎo)線截面為300 mm2時交直流電纜輸送容量的對比結(jié)果。

表3 交直流配電系統(tǒng)輸送容量對比(cosφ=0.95)
Table 3 Transmission capacities comparison between AC/DC distribution power system (cosφ=0.95)

2.3 輸送距離

對于雙極直流配電系統(tǒng)，電壓損耗率可表示為

(4)

式中：Udc為直流電壓；Rd為直流線路的等效電阻；Pdc為線路傳輸功率。

則供電距離與直流配電電壓等級的關(guān)系為

(5)

式中：r0為線路單位電阻；L為配電距離。

參照《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》(GB12325—2008)中關(guān)于交流50Hz系統(tǒng)電壓偏差規(guī)定，相同電壓等級的直流配電系統(tǒng)選擇相同供電電壓偏差，即30kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%，20kV及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%。表4、5分別給出了10kV電壓等級極限輸送容量條件下不同導(dǎo)線截面的交直流架空線路和電纜輸送距離的對比。由對比結(jié)果可知，10kV等級下的交直流配電系統(tǒng)中，直流架空線路輸送距離約為交流架空線路的2.7～3.2倍，直流電纜輸送距離約為交流電纜的2.1倍。

表4 交直流架空線路輸送距離對比
Table 4 Transmission distance of AC/DC overhead power lines

表5 交直流電纜輸送距離對比Table 5 Transmission distance comparisons of AC/DC power cables

2.4 電壓等級選擇過程

電壓等級選擇過程中應(yīng)充分考慮換流設(shè)備制造水平、負荷容量、輸送容量、輸送距離等相關(guān)因素之間的匹配程度。

對于中壓直流電壓的選址，首先通過計算分析明確各電壓等級的輸送容量范圍、輸送距離，輸送容量的確定應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有典型規(guī)格電纜的載流量進行計算；其次，在中壓直流電壓等級制定的過程中要考慮交直流電壓之間的匹配程度，此過程還要分析換流站等相關(guān)設(shè)備的制造能力和水平；再次，分析供電區(qū)域內(nèi)的直流負荷容量、換流站地理分布位置，確定輸送距離和供電容量，并確定換流設(shè)備容量；最后，根據(jù)負荷供電容量和輸送距離，對比中壓各電壓等級的適用范圍及設(shè)備制造能力，確定中壓直流電壓等級。在此過程中，如果某級電壓供電能力無法滿足負荷需求，可考慮提升電壓等級或選擇大截面線纜，但需進行技術(shù)經(jīng)濟性對比。

對于低壓直流電壓等級的選擇，首先充分考慮供電區(qū)域直流負荷、各類分布式電源和儲能裝置的接入電壓等級要求及容量配比關(guān)系；其次，分析直流電力電子變換設(shè)備的制造能力、各等級輸送距離和容量，最終確定低壓直流電壓等級的選址。電壓等級選擇過程如圖1所示。

圖1 中低壓直流電壓等級選擇過程Fig.1 Selecting process of medium and low voltage levels

3 直流配電網(wǎng)電壓等級選擇

3.1 負荷、分布式電源及配電網(wǎng)建設(shè)情況

假設(shè)數(shù)據(jù)中心規(guī)劃建設(shè)18 MW服務(wù)器負荷，考慮其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一類負荷，預(yù)計直流負荷將達20 MW以上。考慮到園區(qū)內(nèi)通勤、檢修需要，規(guī)劃建設(shè)3臺40 kW一體式直流充電機，可同時滿足6輛電動車充電需求，此時電動汽車負荷為120 kW；規(guī)劃建設(shè)屋頂光伏200 kW，為提高分布式能源消納能力，抑制光伏出力波動，儲能與光伏電源采用1∶1配置。

該項目已通過規(guī)劃建設(shè)110 kV變電站解決其用電負荷供電問題，變電站低壓側(cè)出線為交流10 kV，具備換流站的接入條件，變電站距離數(shù)據(jù)中心大約6 km。

3.2 直流電壓等級選擇

3.2.1 中壓直流電壓等級的選擇

目前，MMC結(jié)構(gòu)的柔性換流站具有模塊串聯(lián)技術(shù)風(fēng)險較小、無需濾波裝置、開關(guān)頻率低、損耗小、開關(guān)器件應(yīng)力小、模塊化設(shè)計、便于安裝和維護等優(yōu)點。綜合考慮成本及效率等因素，目前10 kV AC/20 kV DC 及以下等級的MMC結(jié)構(gòu)換流站研制較為成熟，并已具備工程應(yīng)用條件。

數(shù)據(jù)中心采用分模組供電方案，本文電壓等級的選擇也是根據(jù)單個模組的供電需求展開分析，可為6 MW左右直流負荷供電，考慮其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備電動汽車等負荷，預(yù)計直流負荷為7～8 MW。

根據(jù)前述分析，±10 kV直流電壓等級輸送容量范圍為7.7～13.28 MW，采用240 mm2及以上電纜輸送距離可超過7.5 km。另外，考慮規(guī)劃交流配電網(wǎng)所具備的接入條件，換流站交流側(cè)就近接入已規(guī)劃110 kV變電站的10 kV出線，供電距離約6 km左右。因此，綜合分析負荷供電容量及供電需求、換流設(shè)備制造能力、交流接入條件等信息，選擇中壓直流電壓等級為±10 kV，換流站容量為10 MW，電纜線路導(dǎo)線截面為240 mm2。

3.2.2 低壓直流電壓等級的選擇

直流電源為240 V，交流電源為380 V。為保證供電可靠性，兩側(cè)電源互為備用，系統(tǒng)正常工作時交直流各為50%負荷供電，當(dāng)一側(cè)電源發(fā)生故障時另一側(cè)電源負責(zé)為全部負荷供電。規(guī)劃建設(shè)屋頂光伏200 kW，儲能容量與光伏采用1∶1配置。綜合分析，服務(wù)器類直流負荷容量占比較大，電壓等級的選擇應(yīng)盡量與其接入電壓匹配；參考交流分布式電源接入配電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，光伏、儲能及電動汽車等可通過DC/DC變換器接入低壓配電網(wǎng)；中低壓之間以及各類分布式電源、負荷接入低壓直流配電網(wǎng)用的DC/DC變換器的研制較為成熟，具備工程應(yīng)用條件。因此，低壓直流配電網(wǎng)電壓等級擬選擇為750和240 V。

3.3 柔性直流供電拓撲方案

實際工程直流配電網(wǎng)拓撲采用輻射式結(jié)構(gòu)，110 kV變電站10 kV出線經(jīng)過換流站變換至±10 kV接至中壓直流母線I，數(shù)據(jù)中心供電模組通過DC/DC變換器接入該段中壓母線，DC/DC變換器輸出為直流240 V，為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器直流側(cè)提供供電電源；中壓直流母線I與中壓直流母線II之間采用常閉直流開關(guān)構(gòu)成單聯(lián)絡(luò)，中壓直流母線II和750 V低壓直流母線之間采用DC/DC變換器相聯(lián)，電動汽車充電站、屋頂光伏、儲能等經(jīng)DC/DC變換器接入750 V低壓直流母線，具體拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖3為數(shù)據(jù)中心單模組配電結(jié)構(gòu)。用戶原有配電結(jié)構(gòu)依據(jù)Uptime數(shù)據(jù)中心可用性TIER3等級，每個模組最大可為2萬臺服務(wù)器供電，柴油發(fā)電機組采用N+1配置，其交流出線通過可控開關(guān)分別與2段10 kV交流母線相連，2段10 kV交流母線之間通過母聯(lián)相連。2段低壓380 V交流母線分別通過變壓器與10 kV交流母線相連，同時2段低壓交流母線之間通過母聯(lián)開關(guān)相連。根據(jù)數(shù)據(jù)中心可靠性相關(guān)要求，2段中壓交流母線和2段低壓交流母線之間的開關(guān)分別采用“5選2”和“3選2”配置，并且列頭柜和整流器輸出之間并入蓄電池單元。對于空調(diào)、照明等其他類型負荷通過開關(guān)柜接入低壓交流母線。

根據(jù)用戶單模組配電結(jié)構(gòu)，方案中的中壓直流母線通過DC/DC降壓接至240 V低壓直流母線，2段低壓直流母線之間采用聯(lián)絡(luò)開關(guān)構(gòu)成單聯(lián)絡(luò)，低壓直流母線出線作為服務(wù)器直流供電電源。采用推薦直流配電方案后，用戶現(xiàn)有配電結(jié)構(gòu)未做較大調(diào)整，在原有交流10 kV電源、柴油發(fā)電機和蓄電池基礎(chǔ)上增加了1路240 V直流電源，進一步提高了服務(wù)器一類直流負荷的供電可靠性；另外，新增的240 V直流供電電源無需經(jīng)過變換直接接入用戶列頭柜，提高了用戶的供電效率，降低了用電成本。

圖2 直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.2 DC distribution network structure

圖3 數(shù)據(jù)中心單模組供電結(jié)構(gòu)Fig.3 Power supply structure of single module in data center

4 結(jié) 論

本文以分析經(jīng)濟性和安全性等內(nèi)部因素以及社會、經(jīng)濟、技術(shù)、電源構(gòu)成和負荷需求等外部因素對電壓等級選擇的影響為基礎(chǔ)，量化對比分析了交直流配電系統(tǒng)各中壓電壓等級的輸送容量和輸送距離，證明了直流配電系統(tǒng)相對于交流配電系統(tǒng)的優(yōu)越性，提出了直流配電系統(tǒng)電壓等級選擇的約束條件及中/低壓電壓等級的選擇過程。最后，根據(jù)工程所在區(qū)域內(nèi)直流負荷容量、位置分布、接入電壓等級、屋頂光伏和儲能容量等相關(guān)情況，基于本文提出的電壓等級選擇方法，確定了電壓等級為中壓±10 kV、低壓750 V和240 V，并提出了直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)中心單供電模組接入方案。

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(編輯 蔣毅恒)

Voltage Selection of VSC-DC Distribution Network and Project Design Application on Data Center

LI Hongjun1, JIANG Shigong1, WANG Yunfei1, WANG Zhe2, LIU Yanru1

(1.State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China;2. Department of Development and Planning, State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China)

The voltage selection is the basement of many research contents in DC distribution network which concerns the structure and layout of grid, the design and manufacture of electrical equipment, and the operation and management of power system. Taking the voltage selection method of VSC-DC distribution network as purpose, this paper studies the internal and external factors which can impact the voltage selection, analyzes the constraint conditions including the transmission capacity and distance of equipment and DC distribution system, and confirms the DC voltage selection principle and the process of middle-low voltage DC voltage selection. According to the research results, we calculate and determine that the middle voltage in engineering project is ±10kV and the low voltage is 750V and 240V, based on the load distance, the load capacity, the load voltage, the access requirements of distributed generation and other factors in data center. Combined with the reliability level requirements of power supply and distribution in data center, we propose the topological structure of AC/DC distribution network data center. The research results can provide theoretical reference for the voltage selection and planning of DC distribution power system in the future.

DC distribution network; voltage selection; transmission distance; transmission capacity

TM 751

A

1000-7229(2016)05-0138-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2016-03-01

李紅軍(1971)，男，工學(xué)博士，高級工程師，主要從事交直流配電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計等方面的研究工作；

姜世公(1983)，男，工學(xué)博士，工程師，主要從事交直流配電網(wǎng)電壓等級、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等方面的研究工作；

王云飛(1979)，男，工學(xué)碩士，高級工程師，主要從事交直流配電網(wǎng)規(guī)劃等方面的研究工作；

王哲(1983)，男，工學(xué)博士，高級工程師，主要從事交直流配電網(wǎng)規(guī)劃等方面的研究工作；

劉艷茹(1985)女，工學(xué)碩士，工程師，主要從事交直流配電網(wǎng)規(guī)劃等方面的研究工作。