低壓直流供電系統負載特性

閔曉晴，馮 琳，李國杰，袁曉冬，李 強，柳 丹

（1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240；2.國網江蘇省電力公司電力科學研究院，南京 211103）

近年來，低壓直流LVDC（low-voltage direct cur?rent）供電技術已經逐漸受到國內外學者的廣泛關注。由于環境問題以及化石燃料儲能的減少，便于可再生的分布式電源的滲透率逐漸增加，其中光伏發電、直驅風力發電機、微型燃氣輪機、儲能設備（超級電容、各類電池等）以及電動汽車充換電站等都可以直接接入直流配電網。目前分布式能源所廣泛接入的交流配電網需耗費大量的換流環節，如光伏發電等產生直流電的分布式電源，需要通過DC-DC和DC-AC兩級變換接入交流網。而風力機和燃氣輪機等雖然產生交流形式電能，但都不是恒定頻率50 Hz，一般需要通過AC-DC和DC-AC兩級變換，變頻后才能接入交流配電網以保證供電穩定性。若采用接入直流配電網，則可以省去以上逆變環節，不僅減少了構建成本，也降低了變換器帶來的功率損耗[1-2]。

要使LVDC系統得到廣泛應用，負載在LVDC供電下也應具備相應優勢。由于現有負載大部分都為交流系統設計，所以需要對現有負載在LVDC供電下的兼容性、可靠性、運行效率和暫穩態特性進行充分研究。近幾年來，電力電子技術得到了較快的發展，這也使得用戶的用電方式發生了較大轉變。許多用電負載都使用了電力電子技術。一方面負載直接通過直流供電，如液晶電視、熒光燈、計算機等，采用直流供電時，不僅可以省去內部的整流器，負載原本配備的功率因數補償PFC（power factor compensation）電路也可去除，從而簡化了負載結構，節約負載成本，減少能耗，提高了用電可靠性。另一方面負載內部通常含有直流環節，如目前廣泛使用的變頻空調、變頻冰箱等搭載變頻技術的負載，需要經過AC-DC-AC轉換才能達到變頻，而對于直流配電網，則只需進行DC-AC轉換，從而省略了AC-DC環節，降低了變換器損耗[3]。可見，LVDC系統為現有用電負載提供了一個方便且高效的供電平臺。

1997年，荷蘭能源研究中心提出在住宅中采用直流供電技術的方案，對住宅中直流家電以12～24 V的直流供電，避免使用價格較高的逆變器以及逆變過程帶來的電能損失[4]。隨后，美國、日本以及歐洲各國都對直流供電系統展開相關研究和示范工程建設。2007年，美國弗吉尼亞理工大學 CPES中心提出 SBI（sustainable building initia?tive）研究計劃，為未來住宅和樓宇提供直流電力，并于2010年將SBI發展為SBN（sustainable build?ing and nano-grids），通過兩個電壓等級的直流母線380 V和48 V分別給不同等級負載供電[2]。2004年，日本東京工業大學等機構提出基于直流微電網的配電系統構想，并完成了一套10 kW直流配電系統樣機[5]。瑞典UPN公司構建直流供電系統時采用燃料電池、太陽能光伏發電等多種分布式電源，利用電力電子裝置對公共交流供電網進行電能變換，并配套蓄電池[6]。2011年我國國家電網公司啟動“直流配電方式的可行性研究”。2014年國家863研究課題提出一種新型直流配電網網架結構，代表了我國在直流配電網領域中新的研究動向[7]。

直流負載方面，日本夏普、TDK和松下公司在2007—2009年的日本電子展中都展示過適用于“直流生態住宅”的技術和產品。松下電工公司在2008年宣布開發適用于交直流混合供電的住宅配電產品，并在2010年批量銷售[4]。我國在研究直流供用電方面還處于起步階段。2010年廣東白色家電產學研創新聯盟研發成功了一系列采用直流供電的家用電器樣品，并以此為基礎進行了直流家電在住宅環境下運行的驗證性試驗[8]。

本文對LVDC供電系統下的負載特性進行較為詳細的研究，分別總結了目前LVDC系統中負載側的供電容量、供電效率、電能質量、可靠性、負載兼容性以及在直流供電下建立負載的暫穩態模型。對于負載在直流供電下運行所產生的一些技術問題，尚需深入研究。

1 LVDC系統負載側能效分析

1.1 電壓等級分類

LVDC系統中需制定不同電壓等級，以適應不同負載需求。一般從3個方面考慮不同電壓的選取：①LVDC系統的供電范圍及容量與負載需求；②LVDC系統構建成本；③LVDC系統的絕緣與開關設備的選取[7]。

文獻[9]根據相電壓為230 V、線電壓為400 V的三相交流供電系統，給出了4種直流供電電壓等級，可一一對應到我國相電壓為220 V、線電壓為380 V的三相交流供電系統。文獻[10]也考慮了兩種合理的LVDC配電等級，可統一歸納如下。

（1）750 V等級：公共電壓網絡一般采用的直流電壓值，可為小型分布式能源和軌道交通提供接口。

（2）400 V等級：由于500 V是低壓配電電纜（截面積2.5 mm2）的極限值，所以此電壓等級是目前較規范的直流電壓等級，各類設備也可直接適用。

（3）311 V等級：許多電力電子類負載內置二極管整流器，輸入220 V交流電壓，輸出峰值為311 V。直接供直流311 V，設備所需的改裝最少。

（4）220 V等級：對電阻類負載（加熱器、白熾燈）最適合，因為其有效值與交流220 V相同。

（5）120 V等級：無需間接接觸保護，無需接地，系統更簡單。

（6）48 V等級：無需直接接觸保護，可使用在通信設備和家用直流負載中。

1.2 供電容量計算

隨著負載數量和密度的日益增加，現有系統需要在有限的配電線路走廊上輸送更大的容量。由于直流線路不存在渦流損耗和趨膚效應，所以同等級直流線路輸送容量高于交流線路。若交流線路額定線電壓為Uac，同等級雙極直流供電電壓為則

式中：Pdc為雙極直流配電所傳輸的額定功率；Pac為現有交流線路傳輸的額定功率；cos φ為功率因數。

由式（1）可見，相同電纜絕緣強度和電流有效值下，雙極直流供電線路的傳輸功率與交流線路（功率因數為0.9）基本相同。在線路造價和走廊寬度相同時，直流線路傳輸功率是交流線路的1.5倍，所以采用直流供電時能夠提高供電容量。

同時文獻[10]指出，直流地下電纜比交流地下電纜輸送容量大，因為直流電纜沒有無功補償的問題，可以實現中低壓大容量傳輸。

1.3 功率損耗計算

文獻[9]對LVDC和低壓交流LVAC（low-voltage alternating current）配電中的功率損耗進行了簡化計算，將交流供電中的電力電子接口由二極管整流電路代替，這在實際情況中是不可行的。需要在其基礎上進行更加詳細的分析和計算[12]。

1）線路損耗計算

對于單相負載，功率損耗可表示為

而三相交流負載，功率損耗表達式為

直流供電時，功率損耗表達式為

式中：P為負載消耗功率；Ur為相電壓有效值；Udc=；r為線路單位阻值；L為線路長度。

將直流供電損耗分別與單相負載損耗和三相負載損耗相比，得

可見，交流系統中接單相負載時，無論功率因數的大小，損耗都比直流供電時大。而接三相交流負載時，只有在功率因數較低的情況下，直流供電才會比交流供電的損耗更小。所以有學者提出將現有三相電纜輸送直流電，使用兩條平行導線傳輸，另一條作為回路，將大大減小線路損耗值。

文獻[13]中對普通高層建筑中的LVDC配電網絡進行研究，得出直流配電系統配電線路的有功損耗較交流系統減少4.11%。文獻[14]通過分析和仿真，發現在不同電壓等級和線路參數的情況下，直流供電線損是相應交流系統的15%～50%。

2）變壓器和轉換器損耗

交流供電系統中，變壓器會產生損耗，可通過變壓器的短路電阻和輸出電流計算。直流供電系統中，不同電壓等級之間轉換和整流變換都會產生損耗，可分為傳導損耗和開關損耗[12]。

每相橋臂的傳導損耗可表示為

式中：Irms為電流有效值；ron為絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）開通狀態阻值；Uon為開通狀態壓降。

要計算開關損耗，需要知道IGBT在開通時的能耗Pon和關斷時的能耗Poff以及二極管反向恢復開關能耗PRR，開關損耗與開關頻率成比例，可表示為

式中：Inom為IGBT模塊額定電流；fsw為開關頻率。

文獻[15]提出輸電損耗只占整體損耗的一小部分，所以研究轉換器損耗，提高轉換器效率意義重大。文獻[16]在計算不同負載轉換器效率時，發現空調、電冰箱、LED等負載在直流供電時效率都要比交流供電時高3%左右。文獻[13]研究表明DC/DC變換器的效率普遍高于AC/DC整流器效率，而且不同變換器的效率都隨額定功率提升而提高，最終趨于一致。因此用大功率AC/DC整流器代替負載內部小功率整流器將減少電能損失。同時用相同功率的DC/DC變換器代替整流器，也會減少變換器損耗。通過對不同設備負載的效率分析，結果如表1所示。

表1 不同負載在直流供電下的效率提升Tab.1 Efficiency improvement of different loads under DC power supply

對整個LVDC和LVAC系統的功率損耗進行比較時，文獻[16]得出采用光伏和燃氣發動機熱電聯產供電且不采用任何儲能的情況下，直流系統損耗比交流系統損耗低15%。文獻[17]對10 kW住宅樓建模，分析得出采用直流供電系統可分別從輸電角度和配電角度提高4.7%和1.5%的效率。

1.4 電能質量分析

LVDC供電時，負載側電流紋波減小，電能質量提高，其原因有兩點[18]。

（1）大多數設備內的AC/DC電路不起作用，只充當一個反向極性保護。

（2）由不同設備引起的紋波是不同步的，因此其沒有像交流諧波電流被放大。因為交流環境中，諧波與基波電流是同步的，而在直流情況下，噪聲是隨機的。

文獻[19]對熒光燈負載電流波形采取了兩種改善措施：一是采用PFC電路；二是采用直流供電。實驗結果表明，采用PFC電路后，電流仍包含低次諧波，而直流供電下的負載電流幾乎恒定，交流端電流近似正弦波形，電能質量較高。

1.5 供電可靠性比較

配電系統可靠性對于保障用戶穩定用電具有重要意義[20]，對于敏感性負載，為了防止失電帶來的損失，傳統交流供電方式下通常對其采用不間斷電源UPS（uninterruptible power supply）供電。UPS可以保護負載不受電網電壓突變和短時間斷電的影響，其損耗在5%～10%左右。

在LVDC系統中，電池組及后備儲能裝置可以不通過變換器直接與直流母線相連，在電網故障時向低功耗敏感性負載供電[19]。測試表明，相比利用UPS而言，采用直流供電的解決方案只需一個變換器，不僅縮減了系統的構建成本，而且大大減少了系統損耗。

2 LVDC系統負載兼容性分析

2.1 負載分類及用電特點

根據負載內部結構特點，負載一般可分成如下幾類[18，21]。

（1）阻性負載分為阻性電熱負載和白熾光源負載。純電阻加熱器利用電流熱效應實現加熱，可直接運行在直流模式下。白熾光源負載是傳統的光源負載，可等效為純電阻模型，可以使用直流供電，但是這些電燈泡容易受過電壓的影響，縮短壽命。所以直流供電情況下不能超過交流供電電壓的有效值。

（2）旋轉電機負載分為通用型電機和感應電機。吹風機、吸塵器、食品攪拌機中一般是通用型電機，在直流和交流條件下均可工作。較大功率負載如電冰箱和洗衣機中，通常使用感應電機，通過交流供電，在直流供電下需要增加逆變器的成本。但一些可調速負載內部的變頻器是將電網供電的工頻交流電源變為適用于交流電機調速用的電壓可變、頻率可變的變流裝置，可以通過直流控制。

（3）電力電子負載分為開關電源SMPS（switchedmode power supply）負載和熒光燈負載。SMPS負載可通過交流和直流供電，配備典型SMPS單元，保持內部電壓不變。SMPS工作電壓范圍較大，通常在100～240 V/50～60 Hz，實際上可以達到85～380 V/47～63 Hz，直流工作電壓與交流相同。熒光燈負載內部含有電子鎮流器，通常情況下的直流供電電壓可以達到300 V，比相應的交流供電電壓要高一些。使用電子鎮流器時，熒光燈最終都會運行在直流模式下。

目前主要的研究方向是將LVDC供電方式應用在工業園區[22]、商業樓宇[9，19]、住宅[21]、電動車充電站等領域。由于應用領域不同，通常負載的用電特點也不盡相同。

（1）工業園區。傳統工業園區通常耗電量多、規模大，供電電壓等級較高，負載用電等級通常可以達到10 kV。旋轉電機類負載占比重大，敏感型電力電子負載較多，一般需要高可靠性供電[22]。一些新能源發電園區，如海上風電場電壓等級可以達到300 kV[23]。

（2）商業樓宇。一些寫字樓、銀行和數據中心的計算機系統必須運行在“24-7”的原則下，即每星期7天24小時不間斷運行，并且不能受到電網突變和斷電的影響[19]，需要較高的供電可靠性。同時電力電子類負載如計算機、熒光燈等占了商業樓宇負載中的較大比例，供電電壓等級在750 V左右。

（3）住宅。出于安全考慮，應用于住宅地直流供電電壓等級通常在400 V左右[23]。住宅中負載類型比較多樣，功率較小，對供電可靠性要求并不高。

2.2 負載兼容性分析

2.2.1 非電力電子類負載兼容性

純電阻加熱器和通用電機類負載都可以運行在交直流兩種情況下，但實際情況下用戶需要調節負載不同檔位，實現不同功能。

以通用電機類負載為例，通常需要調節不同轉速以實現不同功能。運行在交流情況下通過改變磁場繞組來控制速度，同時需要鐵芯片減少渦流損耗、補償繞組降低電樞反應的影響等。若運行在直流下，則無需以上步驟，可通過斬波電路中改變占空比實現速度控制[24]。

內部搭載變頻器的電機類負載，如變頻空調，其內部電機雖然不能通過直流供電，但可通過直流控制其變頻環節，將AC-DC-AC變換簡化為DC-AC變換，具有可行性。另外由于直流無刷電機與感應電機相比，具有效率高、適應性強、控制簡單等優點，在電機類負載如空調、電冰箱、洗衣機等中都具有廣泛的應用前景，在直流供電下也無需考慮兼容性問題。

2.2.2 電力電子類負載兼容性

對SMPS負載交流供電時，首先進行整流，然后經輸入電容器濾波，PFC進行功率校正，產生輸入直流電。輸入電容通常較大，目的是在電源周期性下降的情況下能夠保持供電穩定性。由于隔離變壓器和整流橋的存在，開關電源的整體效率降低。

直流供電情況下，無需整流和PFC模塊，某些隔離模塊也可省去。可見負載運行在直流時無需過度改裝，并且負載內部結構的簡易程度大大提高，原整流器的附加損耗也可忽略。交流和直流供電情況下SMPS負載的交流和直流供電結構如圖1所示。

圖1 SMPS負載的交流和直流供電結構Fig.1 Block diagram of AC and DC powered SMPS load

電磁爐雖然是電熱負載之一，但利用的是電磁感應原理，其內部控制原理與SMPS負載相似。若重新設計運行在直流供電下，則無需整流器和PFC模塊，直流母線電壓的紋波更小，從而減少了組件的數量，提高了整體效率。文獻[25]給出了運行在直流情況下電磁爐的詳細設計，包括諧振回路、功率變換器、電磁兼容EMC（electromagnetic compati?bility）濾波器和控制部分。結果表明，直流供電可避免電容和感應負載的非線性行為所導致的電流失真，同時能夠獲得更好的動態特性。

熒光燈負載工作原理基本與SMPS負載基本相同，所以運行在直流情況下所需的改裝也相似。許多現代電氣設備無需改裝即可工作在直流和交流情況下，因為在直流情況下，整流器被自動旁路了[18]，如飛利浦系列熒光燈鎮流器，只需在燈具中安裝外部保險絲，可以直接通過直流供電。

2.3 負載兼容性注意要點

考慮到負載雖然能夠直接運行或稍加改裝后運行在直流供電下，仍需考慮如下問題。

1）極性問題

與交流供電相比，負載在直流供電下的一處不同點是，用戶必須分辨系統的極性，以正確的方向接電。對于解決極性問題的研究，現有文獻有改變插頭的形狀的方法[26-27]，也有學者提出輸入極性校正電路，能夠在接電瞬間自動校正極性。采用MOSFET或繼電器的極性校正電路比常用的二極管橋式電路的損耗小，并且考慮到MOSFET校正電路對直流電弧有更好的抑制作用，所以建議在直流負載內部嵌入MOSFET極性校正電路[28]。

2）直流電弧

電弧是一種氣體放電現象，是電流流經一些絕緣介質（如空氣）產生的瞬間火花現象。較高電壓等級的直流供電系統在插頭拔出時可能會出現電弧，電弧現象會導致觸電，嚴重損壞電子設備，若空氣中含有可燃氣體微粒，則可能導致火災或爆炸。

電弧現象是由于電流通道突然切斷而產生的，在電感性負載斷開電源的情況下可能發生。直流電弧對直流配電系統的負面影響大于交流配電系統。交流電流在半周期時為0，不會產生電弧現象，但直流電壓在斷開前是恒定不變，電流也不會為0，可在負載插頭內部放置二極管以消除電弧現象[29]。二極管反向連接在正負極之間，與續流二極管功能類似，電感反向電流通過二極管，可以減少電弧現象。

3）電火花現象

強電場在空氣中形成電離導電通道會產生電火花現象，通常發生在插頭接入直流電源時。與電弧現象一樣，也會對用戶和設備產生危害。

電火花現象的出現是由于空氣中存在電勢差，在電容性負載接入電源的情況下可能發生。許多負載含有功率變換模塊，如DC-DC變換器等，可以看成電容性負載。電源接入情況下，由于電源和負載存在電勢差，會產生電火花現象。而電源斷開情況下，源荷電勢平衡，不會產生電火花現象。

負載內置初始充電電路可減少電火花現象的發生[29]，其作用是在電源接入時限制浪涌電流，在電容充滿電時，利用磁接觸器創建新的電流路徑。初始充電電路廣泛應用在交流系統中，實踐證明，同樣可以應用在直流配電系統中。

4）其他問題[18]

（1）設備內部組件不能承受過大電壓范圍，如一些內部電感在低壓輸入時不能承受過電流，內部電容無法承受過電壓。只有適當范圍的直流供電電壓，這些設備才能運行在正常狀態。

（2）設備內部電路設計不能使用過大電壓范圍。這些設備通常工作在特定電壓范圍下，如前端使用Buck拓撲將交流電源轉換成較小的電壓水平，例如170 V，則不能接受低于170 V的直流電壓輸入。

（3）設備輸出電壓取決于輸入電壓等級。如電阻類負載或內部包含不受控AC/DC變換器。由于輸出電壓規定在一定范圍內，其輸入電壓范圍也較小，如LED等。盡管直流情況下這些設備能夠工作，但輸出電壓通常不滿足要求。

3 LVDC系統負載暫穩態模型

3.1 負載穩態模型

根據IEEE.Std.399[30]，負載可歸類為恒電阻CR（constant resistance）模型，恒電流源CC（constant current）模型，恒功率CP（constant power）模型或者上述幾種的組合形式。穩態工況下，負載功率PL與電壓U的關系可表示為

式中，ACR、ACC、ACP分別為CR、CC和CP系數。該模型常稱為ZIP模型。

文獻[31]通過可調直流電壓源供電，測試不同負載在穩態狀態下的運行特性，以及快速電壓跳變狀態下測試負載的暫態運行特性，并對負載進行穩態和暫態建模。其中，負載穩態模型可分別表示。

（1）阻性負載。阻性負載分為阻性電熱負載和白熾光源負載。

穩態響應的測試結果表明，所有阻性電熱負載的電阻均為恒定值，即可等效為恒電阻模型，可表示為

式中：R0為20℃時的電阻；ρ、l、s分別為負載電阻的電阻率、長度和截面積；ρ0為20℃時的電阻率。

白熾光源負載的電阻是隨電流大小而變化的，即與溫度相關，其電阻可表示為

式中，β為電流系數。

（2）旋轉電機負載。通用電機的穩態工作電流可以表示為

式中：Ua為通用電機的穩態工作電壓；Req為等效電阻；Φ為定子每極磁通量；ωr為轉子轉速；常數Ka取決于電機自身構造。

根據式（13）和實際穩態測量可將交直流兩用電機等效成一個可變電流源，即

式中：Y0為初始狀態電導測量值；I0為初始狀態電流測量值。

（3）電力電子負載。電力電子負載可分為SMPS負載和熒光燈負載。

SMPS負載內部使用的DC/DC變換器保持內部電壓不變，所以無論負載電壓大小，都會消耗相同的功率，與恒功率負載相類似，其穩態模型通過可控電阻實現，可表示為

式中，恒定功率P0可通過測量得到。

熒光燈負載中含有高頻鎮流器，一些高頻鎮流器可以在供電電壓變化的情況下保持恒亮度輸出，另一些設計用作可調節亮度的熒光管。不同熒光燈的穩態響應表明，有些高頻電子鎮流器可等效成恒功率模型R=U2/P0，而另一些高頻電子鎮流器在較高電壓范圍下可等效成恒功率模型，在較低電壓范圍下可等效成恒電流源模型R=U/I0。

3.2 負載暫態模型

實驗使用短暫電壓突變模擬短路時電壓暫態，觀察負載的暫態行為，分別得出以下結論[31]。

1）阻性負載

阻性電熱負載的電壓突變會引起等比例的電流突變，與電壓突變的幅值無關，所以暫態模型與穩態模型相同，為R=R0。

白熾照明電壓突變時負載電阻不突變，電流與電壓成比例變化，然后電流開始增加，負載電阻減小。暫態過程中，其阻值可以表示為

式中：Δt為仿真步長；τ為時間常數，時間常數與額定功率有關；k為當前仿真步數；R(k)為仿真第k步時的穩態電阻；為仿真第k步時的暫態電阻。

2）旋轉電機負載

通用電機的暫態響應分為兩個步驟：快速的電暫態響應和慢速的機械暫態響應（響應時間是電暫態的100倍）。從響應結果可以得出，通用電機響應特性與可變電阻串聯電感相類似[30]。

3）電力電子負載

SMPS的暫態響應結果表明，供電電壓突降時，負載電流突變為0，一段時間的中斷后開始增加至新的穩態值[32]。電力電子負載暫態模型如圖2所示，包括二極管整流橋，RCL元件組成的濾波器和穩態負載模型，RCL參數可由測量得到。當供電電壓低于電容電壓時，二極管截斷負載電流，負載從電容吸收電能。當電容器電壓與供電電壓相同時，負載電流增加至新的穩態值。

圖2 電力電子負載暫態模型Fig.2 Transient model of power electronic load

帶高頻鎮流器的熒光燈負載的暫態響應比較復雜，因控制電路和自身特性的不同而異。有些熒光燈負載也可以用圖2表示，前提是要知道暫態過程的時間常數，其他熒光燈負載只能通過帶阻尼振蕩的二階系統的純數學模型表征。

3.3 綜合負載模型

目前，電力系統穩定計算通常采用穩態工況下ZIP模型與動態電動機模型按照一定比例組合的綜合負載模型。綜合負載模型采用的電動機模型通常是三階感應電動機模型。有學者在經典綜合負載模型基礎上還考慮了配電網等值阻抗和配電網無功補償裝置，彌補了經典模型的不足，更加方便地模擬包括配電網、無功補償系統和有發電機接入低壓電網的供電系統[33]。該模型在直流配電網絡的適用性，有待進一步研究。

4 結語

本文通過對比LVDC供電系統和LVAC供電系統負載側的用電效率、電能質量及可靠性，并分析LVDC系統對現有負載的兼容性，負載在LVDC系統下的運行特點和負載模型建立等方面，可以得出含分布式能源的LVDC系統較LVAC系統在節能、供電質量及可靠性方面更具優越性。現有負載在LVDC系統供電下效率更高，并且具有良好的兼容性。目前，LVDC供電系統仍未得到廣泛引用，現有負載的直流化設計也未得到廣泛的推進，但由于LVDC系統具有較廣闊的應用前景，本文旨在為現有負載采用LVDC供電提供可行性分析。直流負載保護方式、電氣安全等一些技術性的問題需要在今后的應用中展開進一步的研究。