IEC TR 63282《LVDC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電壓和電能質(zhì)量要求評估》標(biāo)準(zhǔn)解讀

摘 要：文章針對IEC TR 63282《LVDC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電壓和電能質(zhì)量要求評估》，分析了標(biāo)準(zhǔn)制定的背景，介紹了低壓直流電壓帶、電能質(zhì)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(tǒng)案例。文章敘述內(nèi)容能幫助讀者更好地理解該標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：IEC TR 63282，標(biāo)準(zhǔn)電壓，電能質(zhì)量，標(biāo)準(zhǔn)

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(shù)的進(jìn)步與成本降低，越來越多的直流配電項(xiàng)目投入商業(yè)運(yùn)營，直流配電議題受到了世界各國的廣泛關(guān)注[1-5]。在電源是直流源，負(fù)荷是電腦、變頻空調(diào)等直流用電設(shè)備的情況下，LVDC系統(tǒng)可減少大量不必要的交直流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，電源接入更加靈活，電力輸配更加可靠，負(fù)荷利用更加高效。LVDC系統(tǒng)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(dá)國家而言，能夠?yàn)槠浒l(fā)展綠色、可持續(xù)能源，促進(jìn)節(jié)能減排等問題提供優(yōu)質(zhì)的解決方案，同時也大大提升了LVDC系統(tǒng)的商業(yè)價值。

然而，與交流系統(tǒng)相比，目前LVDC系統(tǒng)還未劃分明確的標(biāo)準(zhǔn)電壓等級，這是目前制約其發(fā)展、推廣的關(guān)鍵問題之一。目前的LVDC系統(tǒng)由于地理位置和應(yīng)用方式的差異，存在各種各樣的電壓標(biāo)準(zhǔn)，難以支撐相關(guān)電氣設(shè)備制造行業(yè)的發(fā)展以及系統(tǒng)的設(shè)計。制定明確的LVDC系統(tǒng)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有助于促進(jìn)交流配電網(wǎng)向直流配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變，助力能源轉(zhuǎn)型，建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外已建設(shè)有多個LVDC系統(tǒng)的試點(diǎn)示范工程，國內(nèi)有江蘇同里直流配電工程、國網(wǎng)雄安新區(qū)直流示范屋、深圳“光儲直柔”建筑供配電系統(tǒng)，國外荷蘭建有阿姆斯特丹可持續(xù)樓宇示范項(xiàng)目等。

目前交流系統(tǒng)對電能質(zhì)量的研究已經(jīng)相當(dāng)完善，而直流配電系統(tǒng)的許多電能質(zhì)量現(xiàn)象和電磁兼容（EMC）還未建立標(biāo)準(zhǔn)的評估體系。交流系統(tǒng)的電能質(zhì)量現(xiàn)象與LVDC系統(tǒng)的電能質(zhì)量現(xiàn)象不同，但也存在可以借鑒和參考的地方，如何準(zhǔn)確評估LVDC系統(tǒng)電能質(zhì)量現(xiàn)象及其對各類電氣設(shè)備的危害影響有待進(jìn)一步研究。

1 IEC TR 63282 標(biāo)準(zhǔn)簡介

目前IEC在低壓直流方面的標(biāo)準(zhǔn)化剛剛起步，SyC LVD系統(tǒng)委員會為主導(dǎo)，可以分為基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)分析、典型應(yīng)用等標(biāo)準(zhǔn)化方向，涉及TC8、TC64、TC82等眾多系統(tǒng)委員會。

IEC TR 63282 《LVDC systems - Assessmentof standard voltages and power quality requirements（LVDC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電壓和電能質(zhì)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(yīng)系統(tǒng)技術(shù)委員會和SyC LVDC 低壓直流系統(tǒng)委員會聯(lián)合組織。該標(biāo)準(zhǔn)2017年正式立項(xiàng)，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(biāo)準(zhǔn)針對低壓直流標(biāo)準(zhǔn)電壓的劃分、電能質(zhì)量問題的定義進(jìn)行了詳細(xì)介紹，創(chuàng)新性提出電壓帶的概念，準(zhǔn)確反映低壓直流系統(tǒng)電壓工作運(yùn)行狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)正文主體分為4個部分，低壓直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、低壓直流電壓劃分、電能質(zhì)量現(xiàn)象、限值參考建議。后續(xù)修訂將在電能質(zhì)量測量以及中壓直流用例方面進(jìn)行補(bǔ)充。

I E C 63282目前已形成系列標(biāo)準(zhǔn)，IEC T R63282-101《LVDC systems： DC power distributionsystem for typical scenarios （低壓直流系統(tǒng)：直流供配電系統(tǒng)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(tǒng)：低壓直流獨(dú)立供電系統(tǒng)技術(shù)報告）》目前已在編制中，相關(guān)工作為TC8 MT1/WG11、SyC LVDCWG2等工作組標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)支撐。后續(xù)，在IECTR 63282 ED2的基礎(chǔ)上，將在低壓直流電壓和電能質(zhì)量方面開展進(jìn)一步深化研究。

2 LVDC系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 LVDC系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

按照連接方式，LVDC系統(tǒng)可以分為單極和雙極直流系統(tǒng)，單極直流系統(tǒng)設(shè)計有兩條輸出線路，雙極直流系統(tǒng)設(shè)計有3條輸出線路。按照接地方式，又可進(jìn)一步細(xì)分為TN-S直流系統(tǒng)和IT直流系統(tǒng)。

2.2 控制方式

2.2.1 無源直流系

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

2.2.2 有源直流系統(tǒng)

有源直流系統(tǒng)的控制策略通常采用下垂控制，通過跟蹤設(shè)備中配置的U-I曲線自動實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能量平衡。正常工作狀態(tài)下，有源系統(tǒng)的電壓波動的范圍比無源系統(tǒng)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(tǒng)和設(shè)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(tǒng)，在系統(tǒng)電壓從零到最大值之間分出6個電壓等級U1～U6，以及系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下的額定電壓Un，電壓帶B1～B7表現(xiàn)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(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)，一般在系統(tǒng)啟動時短暫出現(xiàn)。

B2：緊急電壓帶

系統(tǒng)承受負(fù)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(guān)和保護(hù)裝置操作電壓帶

電流的突然變化會導(dǎo)致電壓過沖或升高。

B5：過電壓保護(hù)裝置非工作電壓帶

浪涌保護(hù)裝置不會在該電壓帶內(nèi)限制電壓。

B6：過電壓保護(hù)裝置工作電壓帶

浪涌保護(hù)裝置在該電壓內(nèi)限制電壓。

B7：禁止運(yùn)行電壓帶

設(shè)備可能會出現(xiàn)永久性的損壞。

3.2 運(yùn)行范圍

為了體現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與電壓和時間的關(guān)聯(lián)，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(tǒng)工作狀態(tài)A1～A7與電壓和時間的關(guān)系如圖4所示。

S1：瞬態(tài)

此狀態(tài)時間很短，系統(tǒng)經(jīng)過短暫的該狀態(tài)后恢復(fù)為穩(wěn)態(tài)。

S2：故障狀態(tài)

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

S3：電壓控制狀態(tài)

此狀態(tài)內(nèi)，需要采取措施來解決系統(tǒng)平衡問題。

S4：穩(wěn)態(tài)

系統(tǒng)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(tǒng)的工作狀態(tài)。

A1：停電狀態(tài)

電壓無法支持系統(tǒng)長時間運(yùn)行。

A2：應(yīng)急狀態(tài)

負(fù)載雖然能夠保持穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，但無法滿足負(fù)載的所有性能要求。

A3：正常工作狀態(tài)

系統(tǒng)正常運(yùn)行。

A4：異常工作狀態(tài)

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

A5：保護(hù)未動作的過電壓狀態(tài)

開關(guān)或保護(hù)裝置的動作導(dǎo)致電壓升高。過電壓保護(hù)裝置不動作。

A6：保護(hù)動作的過電壓狀態(tài)

開關(guān)或保護(hù)裝置動作導(dǎo)致過壓，過電壓保護(hù)裝置動作。

A7：禁止運(yùn)行狀態(tài)

設(shè)備可能會遭受永久性損壞，應(yīng)切斷所有電源。

4 電能質(zhì)量現(xiàn)象

電能質(zhì)量是指系統(tǒng)中特定點(diǎn)處的電特性，某些事件可能會導(dǎo)致直流電壓或電流一段時間內(nèi)偏離正常值。圖5顯示了直流系統(tǒng)中電壓帶、電能質(zhì)量和時間的關(guān)系。

當(dāng)對具有特定阻抗參數(shù)和控制參數(shù)的系統(tǒng)施加擾動時，低壓直流系統(tǒng)可能會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。振蕩不能定義為電能質(zhì)量現(xiàn)象，但它會影響低壓直流系統(tǒng)電能質(zhì)量。振蕩的常見原因主要是系統(tǒng)受到特定頻率干擾影響，以及多個設(shè)備之間控制參數(shù)的不匹配。

標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)介紹了低壓直流系統(tǒng)中常見的電能質(zhì)量現(xiàn)象，給出詳細(xì)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(tǒng)電壓的定義需要考慮不同的因素，包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、負(fù)載距離、絕緣、電纜經(jīng)濟(jì)性、控制策略、保護(hù)要求、設(shè)備特性等不同因素。該標(biāo)準(zhǔn)在對電壓等級進(jìn)定義時，按照場景分為配電域和設(shè)備域，如圖6所示。配電域主要應(yīng)用于高功率、長距離的配電場景，設(shè)備域主要應(yīng)用于終端用戶或者生產(chǎn)設(shè)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(shè)備提供穩(wěn)定電力供應(yīng)。而設(shè)備域的電壓推薦值選取，應(yīng)考慮低功率設(shè)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(zhì)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(zhì)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(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：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(zhì)量

電能質(zhì)量要求參考現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：IEC 60092-101、IEC 61000-4-29、IEC 61204-3等。

5.4 計量方法

5.4.1 DC系統(tǒng)RMS值的積分時間

DC系統(tǒng)RMS值積分時間或測量窗口長度應(yīng)根據(jù)電能質(zhì)量現(xiàn)象定義。

（1）穩(wěn)態(tài)值建議設(shè)置為200ms到10min；

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

5.4.2 DC電能質(zhì)量計量方法

對于0～9kHz頻率范圍內(nèi)LVDC電能質(zhì)量指標(biāo)測量，可參考交流系統(tǒng)低頻傳導(dǎo)干擾標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量指標(biāo)測量，可參考交流系統(tǒng)低頻傳導(dǎo)干擾，根據(jù)特定環(huán)境要求進(jìn)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(wǎng)江蘇電力打造，基于2017年國家重點(diǎn)研發(fā)計劃研究成果，整個系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)靈活的功率控制和多種能源的互聯(lián)互補(bǔ)，如圖8所示。

該項(xiàng)目旨在實(shí)現(xiàn)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(shè)備，展示低能耗直流建筑的建設(shè)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(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D9所示。

該DC直流系統(tǒng)的主要工作電壓在320～380V的電壓帶內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部電源供電功率不足時，AC/DC變換器可以作為電源向系統(tǒng)供電。系統(tǒng)中所有的設(shè)備，包括變換器、開關(guān)、充電器，均具備電流或功率雙向操作功能。系統(tǒng)內(nèi)有LED照明設(shè)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(jié)

IEC TR 63282為低壓直流系統(tǒng)電壓和電能質(zhì)量給出標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化提出標(biāo)準(zhǔn)化建議。目前在低壓直流領(lǐng)域，63282已經(jīng)發(fā)展成為系列標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)將加強(qiáng)與其他標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)委員會的合作與交流，為低壓直流標(biāo)準(zhǔn)化奠定技術(shù)基礎(chǔ)，明確后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展方向。

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