楼宇交直流混合供电模式下直流电压等级的研究

陈红坤，何桂雄，石晶，闫华光

（1）智能楼宇交直流混合供电模式

图1 智能楼宇交直流混合微网示意图

图1为智能楼宇交直流混合微网的示意图。在此混合供电系统中，直流电压的选择将决定交直流负荷的分配特性，如表1所示。当超低压直流（ELVDC）和低压直流供电LVDC共存时，其相互关系参见图2。

表1 交直流混合供电时负荷分配情况

图2 低压配电和超低压配电

（2）超低压配电电压的确定

在确定超低压配电电压等级时，根据人体电击安全性确定其电压上限，通过供电距离决定其下限，同时考虑电压对用电设备成本的影响和直流开断的问题 。图3反映了干燥环境下，人体总阻抗与接触面、接触电压（50Hz）的关系；表2给出了不同电压等级下直流电流路径为双脚到双手的电流值。

图3 干燥环境下，人体总阻抗与接触面、接触电压（50Hz）的关系

表2 直流电流路径为双脚到双手的电流值

在供电距离方面，本文着重分析直流线路的电压降，如表3所示。设从楼宇的总配电房或者大型楼宇的楼层配电单元到用住户（或办公室）的全长总压降不大于标称电压的10%，即60ⅹ0.1=6V，参考智能楼宇综合布线设计规范，配电单元到住户电表90米，则每米的电压降应小于0.033V/m, 对应电流密度应不超过 1.67A/mm ² 。该电流密度与铜导线在年运行时间为5000小时以上的经济电流密度 1.75A/mm ² 相当，因此属于可接受的范围。如果将电压进一步降低到48VDC，则导线的利用率过低，从经济上不可取。 60V作为楼宇直流供电中的一个供电电压等级，既能满足安全电压的要求，又能满足楼宇供电范围的要求 。

表3 导线单位长度上的电压降

（3）低压直流配电电压的确定

通过交流给直流工作单元供电，电源部分通常包括浪涌保护、过流保护、滤波、整流等电路环节。其中整流和滤波是AC-DC转换的关键电路，如图4所示。

图4 AC/DC电路

考虑到市电电压为交流220V，偏差范围（-10%，+7%），对应的峰值电压为311V（280~333V），即对直流输入电压，333V是电压上限。直流状态下，二极管流经电流有效值为交流工作时的 倍，如果要保证无额外的电流发热应力，则需要将最低电压提高 倍，即 ，得出直流替代交流时输入电压下限。

鉴于元器件的支持情况，以电路中的功率开关器件IGBT管选型为对象，要求IGBT的额定电压应是其正常工作时所承受最大电压的2倍。在交流市电情况下，通过AC-DC-AC变化的变频电机，通常都采用600V电压的IGBT。由此可以推断，直流替代交流时，直流输入电压不宜超过300V。

另对供电半径、线路损耗及直流开关的选型等进行综合考虑，楼宇直流供电的低压配电等级宜选择在280V至300V之间。

1）安全因素决定了超低压直流配电电压的上限，楼宇供电半径决定了该配电电压的下限。综合两者，建议楼宇超低压等级选定为60VDC。

2）尽可能兼容目前所用的交流设备、考虑用电设备中元器件选型和生产设计的合理性，建议低压直流配电电压等级宜选择在280V至300V之间。

3）低压直流配电电压应用于民用楼宇供电，还有待于直流插座、直流接触器等低压开关电器商用化技术的突破，用户操作的便利性和实用性是影响其规模化应用的重要因素。