北京交通大学童亦斌——民用建筑低压直流供电技术--视频笔记

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北京交通大学童亦斌——民用建筑低压直流供电技术1--直流的应用价值

1 直流的应用价值
历史与现状：早期交流胜任早期设备，而且直流无法解决高效变压问题；现在直流在交通牵引、后备电源上应用广泛；供电制式的选择取决于用电设备需求与技术手段的匹配；
高效：如果外部仍然是交流电网，只是将分散的AC/DC集中，节能1~2个百分点，节能作用显而易见，实际效益非常有限；如果有本地可再生能源，效率可以提高5个百分点。但总体效益与接入容量和自我消纳比例有关；
经济：直流设备电源简化，减少AC/DC环节，减少滤波电容；增加直流供电电源，显著增加供电设备成本，可靠性和运维问题，直流开关的成本和可靠性不如交流；有利于用电设备低成本小型化，但供电系统要增加成本，需要不同项目具体分析。
安全：直流触电易摆脱，直流安全性高于交流。
总结：交流技术成熟产业雄厚，直流只有安全一个明显优点，前景堪忧；如果分布式电源规模大，本地消纳比例高，直流装置成本降低，直流机会才会更大

2 民用建筑低压直流的发展机会
电器产品逐渐电力电子化，发电侧可再生能源比例提高

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北京交通大学童亦斌——民用建筑低压直流供电技术2--直流供电系统电压等级和接线形式的选择

1 电压等级
100V以下基本用于小功率及单个设备，100V以上与建筑场景有关，如照明、中心机房、电动汽车、光伏、储能、轨道交通。
电压等级的影响因素和选择原则：安全性、经济性、兼容性、电器需求；安全定上限，经济成本定下限，兼容交流电器，考虑直流电器技术趋势。
安全性：原则上安全性至少要高于AC220V；AC220V对应 DC+325V或DC-250V，考虑跳闸保护作用可以提升到DC375/400V；
经济性：考虑线路压降、经济电流密度、供电距离，确定电压下限326V；
兼容性：目前交流电器内部DC300~400V，无法实现安全兼顾；长远看直流电器需要重新设计；800伏以下的电压范围可以选用成熟的交流供应链；
电器需求：频繁活动区有更高的安全诉求，功能区有更高的成本和效率要求；功能区750VDC端子压接，375/400VDC插座16A；频繁活动区48VDC插座16A，本质安全且降低小功率电器防护成本；高压追求高效，低压保证安全。

2 接线形式
单极和双极形式：双极有两个电压等级，中性线电流部分抵消，线损低，供电能力强，应用广泛；双极直流系统没有三相交流旋转磁场的好处，而且负电压安全性很差，未来应该是单极性、多级电压。

小结：安全性上限-280V或+325~375V/400V；经济型下限300m距离，326V；兼容性<800V；电器需求，低压安全，高压高效，48V、375/400V、750V；电压等级的选择还与接地方式和保护有很大的关系

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北京交通大学童亦斌——民用建筑低压直流供电技术3--直流供电系统电击防护与接地方式的选择

1 直流供电系统电击防护
电气设备电击防护措施：0类基本绝缘、一类保护接地（漏不出电）、二类双重绝缘（不漏电）、三类安全特低电压；
建筑物电击防护措施：等电位连接
供电系统电击防护措施：电气隔离、剩余电流保护（漏也不怕）、绝缘监测

2 直流供电系统接地方式
三种典型接地方式：TT电源和用户各自单独接地，保护特性复杂，直流基本不用；IT电源不接地或高阻接地，用户侧接地；TN电源侧接地，用户侧经PE线与电源侧地相连，电位关系清晰，保护简单；
TN：交流系统普遍采用，直流特性和交流差不多；接地故障电流大，过流保护实现电击防护；电击事故也可以使用剩余电流保护；PE线断线可能导致剩余电流保护拒动；
IT：目前直流系统示范工程大多数采用IT；单点故障因为大电阻阻值极大，几乎没有电击危险；两点故障危险显著增加，要求配置绝缘电阻检测（故障定位能力较差，电击保护和供电可靠性存在矛盾），双极IT系统预期接触电压最高可达2Udc；
接地方式和接线形式的组合：轻度危险，长时间触碰室颤概率很低，+280V/-190V；中度危险，<200ms，室颤概率较低，+375~400V/-280V；重度危险，<40ms，+450V/-325V；
电压等级、接线方式和接线形式综合对比选择；

3 几个与接地有关的小问题
并联电弧和短路保护：接地故障（碰壳），短路故障，TN增加电弧严重性；故障特性和保护与交流差异较大；
杂散电流：直流杂散电流会对地下金属产生腐蚀，地铁影响很大，民用建筑较好；
交直流混合系统的电击防护：电气隔离可以降低风险，简化故障分析保护，但增加的隔离变压器降低效率，提升成本；
剩余电流保护装置：传统RCD对于剩余电流波形敏感，直流RCD产品和标准有待进一步完善；

小结：更安全的组合，IT接地，单极，190V~280V，IMD保护；更经济的组合，TN接地，单极，375V~400V，RCD保护；优化组合，正常时，IT接地，单极，375V~400V，IMD保护。单点故障切换成TN，RCD保护。故障排除后恢复。

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北京交通大学童亦斌——民用建筑低压直流供电技术4--低压交流和直流供电系统的异同

1 关键设备
工作原理：AC--变压器实现电压变换，开关实现电流通断，用电设备主要是交流电机；铜线导电，铁芯导磁；50Hz电压电流；DC--电力电子变换器实现电压变换，开关、功率半导体器件实现电流通断，用电设备是各种变换器；功率半导体器件；kHz~MHz开关动作+PWM；
过载能力：AC--变压器、开关、电机过载能力5~10倍以上；对过压过流不敏感；DC--过载能力2倍左右，基本没有过压能力；具有非常快速的电流控制能力，寿命长；
控制功能：AC--手段少、功能简单、速度慢，变压器分接头、开关通断、有级投切无功补偿；DC--功能丰富、速度快，电压电流功率控制，过压过流控制，下垂控制，虚拟电机控制；
可靠性成本：AC--技术成熟、可靠性高、目前成本有优势，但成本依赖于原材料的消耗，难以持续降低；DC--目前成本高、可靠性低，但成本呈持续下降趋势

2 系统特性
描述参数：AC--电压、频率、相位；电压电流谐波，THD；有功功率、无功功率；DC--电压；电压电流纹波，纹波系数；有功功率，纹波造成的无功极小，可以忽略。
功率特性和惯性：AC--电网通过频率紧密耦合在一起；电压相量差和阻抗决定了电流和功率；同步发电机转子转动惯量大，有助于系统稳定；DC--各级各区直流电网通过变换器可以有效解耦；电压差和电阻决定电流和功率，物理关系简洁；变换器响应快，惯性小；储能环节可以增加惯性，改善系统暂态响应性能；
感性容性：AC--一般呈感性，变压器电感、变换器交流滤波电感、线路杂散电感；电感限制短路电流、抑制电流谐波，电流关断时引起过电压；DC--呈容性，交换器直流滤波电容、对地杂散电容；电容充放电引起冲击电流，增大系统惯性，容易和线路电感引起谐振；

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北京交通大学童亦斌——民用建筑低压直流供电技术5--直流供电系统的电能质量

1 纹波
直流电压和电流中包含的交流分量；纹波系数=交流分量/直流分量，注意交流分量可能采用有效值、幅值、峰峰值，目前没有统一规范；
直流系统必然包含纹波，由变换器内部功率半导体器件开关动作导致；可以通过增大电感电容、提高开关频率、改变拓扑和调制PWM策略抑制纹波；
纹波的影响：纹波谐振；电磁干扰；纹波电压导致纹波电流，进而导致电容损耗，甚至损坏；

2 电压偏差
电压偏离设定值的比例，表现为稳态和暂态两种形式；
稳态电压偏差：线路压降；电压下垂（虚拟电阻）特性，用于不同变换器之间分配功率；
暂态电压偏差：故障扰动、设备投切、工况突变，功率快速大幅变化，系统功率平衡遭到破坏，电压暂态变化；与变换器调节性能、系统功率调节裕量有关；
电压偏差的影响：偏差较小基本没有影响；电压过高引起设备损坏，电容和功率半导体器件；电压过低容易引发过流、损耗增加、停止工作；可能引发连锁反应，因为电力电子设备对电压非常敏感；

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北京交通大学童亦斌——民用建筑低压直流供电技术6--直流供电系统的保护

1 供电系统
源网荷储设备、开关、线路
电压保护：过压保护--电力电子器件、电容等电压裕量一般不大；欠压保护--欠压可能引起电流过大；变压器正常工作对直流电压有一定要求，即直流侧电压大于交流侧电压峰值；谐振保护；
电流保护：过电流（短路）保护--电缆和导线的力效应和热效应；电力电子器件电流耐量、热效应和关断失效；开关电器的灭弧和分断能力；过电流对直流系统可靠性的威胁比交流系统更严重；
交直流系统过电流特性差异：AC--故障电流主要由变压器提供，变压器过流耐受能力强，断路器实现选择性保护；DC--变换器惯性小、动作快、过电流耐量低，分布式电源接入导致故障电流组成情况复杂，上升率快、幅值高、变换器短路保护速度远高于断路器；
短路故障穿越技术：变换器维持限流输出，利用断路器切除故障点。
直流系统过电流保护措施：机械式断路器；使用功率半导体器件的固态断路器；通过变换器控制和保护协调实现复杂保护功能，不同拓扑结构保护性能差异很大；

2 用电环境
用户、用电场所
触电危险电击保护：充分参考交流系统电击保护技术成熟经验；针对it接地系统的绝缘监测技术和产品比较成熟，但是无法准确定位；漏电保护原理简单可靠，不易受现场条件影响，目前需要降低成本，与开关集成；
电气火灾电弧保护：电弧是电气火灾的重要起因，直流电弧破坏性比交流更严重；电弧特性影响因素多，光伏电弧检测较为有效，配电系统电弧检测技术难度和成本更高；变换器呈容性，配合电感，有助于电弧过零熄灭；

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北京交通大学童亦斌——民用建筑低压直流供电技术7--阶段性小结

1 深圳未来大厦低压直流供电示范项目
建筑节能合作项目，全直流供电系统，太阳能光伏加蓄电池。
外部AC380V进线，转换为双极DC375V，办公区DC48V，配置光伏和储能，IT接地方式，配置绝缘监测，可切换成TN接地方式，利用漏电流保护。
运行效果：稳态、暂态、保护等性能，达到设计指标，满足供电要求；直流系统电压、电流、功率的控制关系更加简洁、直观；利用电压差实现功率控制，暂态调节性能与变换器直接相关；利用直流母线，“源网荷储”直接高效互联；灵活协调，支持多种能量调度和管理策略；以上好处的关键在于有光伏和储能。

2 体会与展望
演讲者参与该项目前期论证，后期调试；
低压直流供电技术，已经可以满足工程化应用的基本要求，具备小规模推广条件；电压等级、接地方式、接线形式，理论分析和技术研究已经比较充分；但是需要更多应用经验，进一步验证和完善；
大规模推广需要解决的问题：针对不同场景特点，开展低压直流适用性分析和筛选匹配；持续完善系统方案、关键技术和核心产品，积累应用经验。