IEC TR 63282《LVDC系統標準電壓和電能質量要求評估》標準解讀

摘 要：文章針對IEC TR 63282《LVDC系統標準電壓和電能質量要求評估》，分析了標準制定的背景，介紹了低壓直流電壓帶、電能質量的劃分原則，介紹了中國同里和荷蘭阿姆斯特丹的LVDC系統案例。文章敘述內容能幫助讀者更好地理解該標準。

關鍵詞：IEC TR 63282，標準電壓，電能質量，標準

0 前 言

近年來，隨著分布式發(fā)電的快速發(fā)展以及電力電子變換技術的進步與成本降低，越來越多的直流配電項目投入商業(yè)運營，直流配電議題受到了世界各國的廣泛關注[1-5]。在電源是直流源，負荷是電腦、變頻空調等直流用電設備的情況下，LVDC系統可減少大量不必要的交直流轉換環(huán)節(jié)，電源接入更加靈活，電力輸配更加可靠，負荷利用更加高效。LVDC系統對于發(fā)展中國家而言，能夠解決其電力獲取困難的難題，對于發(fā)達國家而言，能夠為其發(fā)展綠色、可持續(xù)能源，促進節(jié)能減排等問題提供優(yōu)質的解決方案，同時也大大提升了LVDC系統的商業(yè)價值。

然而，與交流系統相比，目前LVDC系統還未劃分明確的標準電壓等級，這是目前制約其發(fā)展、推廣的關鍵問題之一。目前的LVDC系統由于地理位置和應用方式的差異，存在各種各樣的電壓標準，難以支撐相關電氣設備制造行業(yè)的發(fā)展以及系統的設計。制定明確的LVDC系統電壓等級，有助于推動可再生能源、電力電子、智能家電、綠色建筑等產業(yè)的發(fā)展，有助于促進交流配電網向直流配電網轉變，助力能源轉型，建設以新能源為主體的新型電力系統。目前，國內外已建設有多個LVDC系統的試點示范工程，國內有江蘇同里直流配電工程、國網雄安新區(qū)直流示范屋、深圳“光儲直柔”建筑供配電系統，國外荷蘭建有阿姆斯特丹可持續(xù)樓宇示范項目等。

目前交流系統對電能質量的研究已經相當完善，而直流配電系統的許多電能質量現象和電磁兼容（EMC）還未建立標準的評估體系。交流系統的電能質量現象與LVDC系統的電能質量現象不同，但也存在可以借鑒和參考的地方，如何準確評估LVDC系統電能質量現象及其對各類電氣設備的危害影響有待進一步研究。

1 IEC TR 63282 標準簡介

目前IEC在低壓直流方面的標準化剛剛起步，SyC LVD系統委員會為主導，可以分為基礎技術標準、系統分析、典型應用等標準化方向，涉及TC8、TC64、TC82等眾多系統委員會。

IEC TR 63282 《LVDC systems - Assessmentof standard voltages and power quality requirements（LVDC系統標準電壓和電能質量要求評估）》，由IEC TC8 JWG9 低壓直流工作組牽頭編寫，由TC8System aspects of electrical energy supply電能供應系統技術委員會和SyC LVDC 低壓直流系統委員會聯合組織。該標準2017年正式立項，2021年第一版本ED1正式發(fā)布，2024年修訂后的第二版本ED2正式發(fā)布。

標準針對低壓直流標準電壓的劃分、電能質量問題的定義進行了詳細介紹，創(chuàng)新性提出電壓帶的概念，準確反映低壓直流系統電壓工作運行狀態(tài)。標準正文主體分為4個部分，低壓直流系統結構、低壓直流電壓劃分、電能質量現象、限值參考建議。后續(xù)修訂將在電能質量測量以及中壓直流用例方面進行補充。

I E C 63282目前已形成系列標準，IEC T R63282-101《LVDC systems： DC power distributionsystem for typical scenarios （低壓直流系統：直流供配電系統典型場景）》、IEC TR 63282-102《LVDC systems： Technical report for low-voltage DCelectric island power supply systems （低壓直流系統：低壓直流獨立供電系統技術報告）》目前已在編制中，相關工作為TC8 MT1/WG11、SyC LVDCWG2等工作組標準提供技術支撐。后續(xù)，在IECTR 63282 ED2的基礎上，將在低壓直流電壓和電能質量方面開展進一步深化研究。

2 LVDC系統的構成

2.1 LVDC系統拓撲結構

按照連接方式，LVDC系統可以分為單極和雙極直流系統，單極直流系統設計有兩條輸出線路，雙極直流系統設計有3條輸出線路。按照接地方式，又可進一步細分為TN-S直流系統和IT直流系統。

2.2 控制方式

2.2.1 無源直流系

無源系統的控制策略通常采用主從控制，系統的能量平衡通過控制電壓圓的方式實現。正常工作狀態(tài)下，無源直流系統產生電壓波動的范圍很小。

2.2.2 有源直流系統

有源直流系統的控制策略通常采用下垂控制，通過跟蹤設備中配置的U-I曲線自動實現系統的能量平衡。正常工作狀態(tài)下，有源系統的電壓波動的范圍比無源系統更大，我們將這個波動范圍定義為電壓帶。電壓帶越寬，對系統和設備的要求就越高。

3 電壓等級劃分

3.1 電壓帶

對于有源直流系統，在系統電壓從零到最大值之間分出6個電壓等級U1～U6，以及系統正常工作狀態(tài)下的額定電壓Un，電壓帶B1～B7表現為兩個電壓等級之間的范圍，如圖3所示。

B1：供電中斷帶

長時間將導致系統停機，一般在系統啟動時短暫出現。

B2：緊急電壓帶

系統承受負載過大，電壓低于正常工作電壓。

B3：額定電壓帶

此電壓帶為正常工作的電壓范圍（U2和U3之間）。

B4：開關和保護裝置操作電壓帶

電流的突然變化會導致電壓過沖或升高。

B5：過電壓保護裝置非工作電壓帶

浪涌保護裝置不會在該電壓帶內限制電壓。

B6：過電壓保護裝置工作電壓帶

浪涌保護裝置在該電壓內限制電壓。

B7：禁止運行電壓帶

設備可能會出現永久性的損壞。

3.2 運行范圍

為了體現系統運行狀態(tài)與電壓和時間的關聯，定義了4個范圍R1～R4，其中，狀態(tài)R1～R3為瞬態(tài)及暫態(tài)，狀態(tài)S4為穩(wěn)態(tài)。系統工作狀態(tài)A1～A7與電壓和時間的關系如圖4所示。

S1：瞬態(tài)

此狀態(tài)時間很短，系統經過短暫的該狀態(tài)后恢復為穩(wěn)態(tài)。

S2：故障狀態(tài)

此狀態(tài)涉及系統電路或設備故障。在這種狀態(tài)下，通常需要通過斷開相關斷路器，將故障電路立即從電力系統切斷。

S3：電壓控制狀態(tài)

此狀態(tài)內，需要采取措施來解決系統平衡問題。

S4：穩(wěn)態(tài)

系統可以長期保持這種狀態(tài)。

3.3 工作狀態(tài)

電壓帶配合時間范圍，反映系統的工作狀態(tài)。

A1：停電狀態(tài)

電壓無法支持系統長時間運行。

A2：應急狀態(tài)

負載雖然能夠保持穩(wěn)態(tài)運行，但無法滿足負載的所有性能要求。

A3：正常工作狀態(tài)

系統正常運行。

A4：異常工作狀態(tài)

在特殊情況下，系統可能長時間處于異常工作狀態(tài)。設備在設計時就應考慮該種狀態(tài)，但可能會出現設備性能降低。

A5：保護未動作的過電壓狀態(tài)

開關或保護裝置的動作導致電壓升高。過電壓保護裝置不動作。

A6：保護動作的過電壓狀態(tài)

開關或保護裝置動作導致過壓，過電壓保護裝置動作。

A7：禁止運行狀態(tài)

設備可能會遭受永久性損壞，應切斷所有電源。

4 電能質量現象

電能質量是指系統中特定點處的電特性，某些事件可能會導致直流電壓或電流一段時間內偏離正常值。圖5顯示了直流系統中電壓帶、電能質量和時間的關系。

當對具有特定阻抗參數和控制參數的系統施加擾動時，低壓直流系統可能會出現振蕩現象。振蕩不能定義為電能質量現象，但它會影響低壓直流系統電能質量。振蕩的常見原因主要是系統受到特定頻率干擾影響，以及多個設備之間控制參數的不匹配。

標準中詳細介紹了低壓直流系統中常見的電能質量現象，給出詳細的波形，具體包括電壓偏差、紋波、電壓暫升、電壓暫降、供電中斷、快速電壓變化、浪涌、電壓不平衡等。

5 參考建議

5.1 電壓等級

低壓直流系統電壓的定義需要考慮不同的因素，包括拓撲結構、負載距離、絕緣、電纜經濟性、控制策略、保護要求、設備特性等不同因素。該標準在對電壓等級進定義時，按照場景分為配電域和設備域，如圖6所示。配電域主要應用于高功率、長距離的配電場景，設備域主要應用于終端用戶或者生產設備供電的場景。不同場景的電壓推薦值如表1和表2所示。

提出的電壓推薦值考慮配電和用電兼容性，一個低壓直流場景可能會包含這兩種電壓推薦域。配電域中電壓推薦值選取，考慮傳輸容量，尤其是較長距離的配電線路，在不同工況下（包括故障情況）為設備提供穩(wěn)定電力供應。而設備域的電壓推薦值選取，應考慮低功率設備供電以及操作人員的人身安全。

5.2 EMC和兼容性等級

電能質量要求與電磁兼容的概念類似，可參考IEC TS 62749中對交流電能質量的描述，如圖7所示。兼容性水平要求和抗擾度水平要求參考現有相關標準：IEC 61000-2-2、IEC 61000-2-12、IEC61000-2-4、IEC 61000-4-13、IEC 61000-4-19、IEC 61000-4-17、IEC 61000-4-29、IEC 61204-3、IEC TS 62053-41、IEC 61869-14：2018、IEC61869-15：2018。

5.3 電能質量

電能質量要求參考現有相關標準：IEC 60092-101、IEC 61000-4-29、IEC 61204-3等。

5.4 計量方法

5.4.1 DC系統RMS值的積分時間

DC系統RMS值積分時間或測量窗口長度應根據電能質量現象定義。

（1）穩(wěn)態(tài)值建議設置為200ms到10min；

（2）快速均方根值（參考交流系統半周波RMS值）可用于暫態(tài)電能質量指標測量。

5.4.2 DC電能質量計量方法

對于0～9kHz頻率范圍內LVDC電能質量指標測量，可參考交流系統低頻傳導干擾標準中的方法（參見IEC 61000-4-30：2015，IEC 61000-4-15：2010）。對于高于9kHz頻率的LVDC電能質量指標測量，可參考交流系統低頻傳導干擾，根據特定環(huán)境要求進行測試。

6 案 例

6.1 中國同里綜合能源示范工程

中國同里綜合能源示范工程由國網江蘇電力打造，基于2017年國家重點研發(fā)計劃研究成果，整個系統包含±750V、±375V、220V 不同直流電壓等級，以電力電子變壓器為核心，可實現靈活的功率控制和多種能源的互聯互補，如圖8所示。

該項目旨在實現高滲透地區(qū)分布式綠色能源的綜合利用，探索不同的供電模式，開發(fā)高效直流配電設備，展示低能耗直流建筑的建設方式。

6.2 阿姆斯特丹綠色辦公樓宇

位于阿姆斯特丹的綠色辦公樓宇占地3000平方米，該辦公樓可以提供正常辦公環(huán)境，通過太陽能發(fā)電和電池儲能來實現碳中和的目標，系統拓撲如圖9所示。

該DC直流系統的主要工作電壓在320～380V的電壓帶內，當系統內部電源供電功率不足時，AC/DC變換器可以作為電源向系統供電。系統中所有的設備，包括變換器、開關、充電器，均具備電流或功率雙向操作功能。系統內有LED照明設備和USB-C電源插座（5/12/20V至100W）。功率大于100W的用戶接入350V電壓等級。

7 總 結

IEC TR 63282為低壓直流系統電壓和電能質量給出標準化規(guī)定，定義低壓直流電壓帶概念和劃分原則，并對低壓直流電能質量標準化提出標準化建議。目前在低壓直流領域，63282已經發(fā)展成為系列標準，后續(xù)將加強與其他標準和技術委員會的合作與交流，為低壓直流標準化奠定技術基礎，明確后續(xù)標準化發(fā)展方向。

參考文獻

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