閔曉晴，馮 琳，李國(guó)杰，袁曉冬，李 強(qiáng)，柳 丹

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京 211103）

近年來，低壓直流LVDC（low-voltage direct cur?rent）供電技術(shù)已經(jīng)逐漸受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。由于環(huán)境問題以及化石燃料儲(chǔ)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(fā)電、直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、儲(chǔ)能設(shè)備（超級(jí)電容、各類電池等）以及電動(dòng)汽車充換電站等都可以直接接入直流配電網(wǎng)。目前分布式能源所廣泛接入的交流配電網(wǎng)需耗費(fèi)大量的換流環(huán)節(jié)，如光伏發(fā)電等產(chǎn)生直流電的分布式電源，需要通過DC-DC和DC-AC兩級(jí)變換接入交流網(wǎng)。而風(fēng)力機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等雖然產(chǎn)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(jí)變換，變頻后才能接入交流配電網(wǎng)以保證供電穩(wěn)定性。若采用接入直流配電網(wǎng)，則可以省去以上逆變環(huán)節(jié)，不僅減少了構(gòu)建成本，也降低了變換器帶來的功率損耗[1-2]。

要使LVDC系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，負(fù)載在LVDC供電下也應(yīng)具備相應(yīng)優(yōu)勢(shì)。由于現(xiàn)有負(fù)載大部分都為交流系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以需要對(duì)現(xiàn)有負(fù)載在LVDC供電下的兼容性、可靠性、運(yùn)行效率和暫穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行充分研究。近幾年來，電力電子技術(shù)得到了較快的發(fā)展，這也使得用戶的用電方式發(fā)生了較大轉(zhuǎn)變。許多用電負(fù)載都使用了電力電子技術(shù)。一方面負(fù)載直接通過直流供電，如液晶電視、熒光燈、計(jì)算機(jī)等，采用直流供電時(shí)，不僅可以省去內(nèi)部的整流器，負(fù)載原本配備的功率因數(shù)補(bǔ)償PFC（power factor compensation）電路也可去除，從而簡(jiǎn)化了負(fù)載結(jié)構(gòu)，節(jié)約負(fù)載成本，減少能耗，提高了用電可靠性。另一方面負(fù)載內(nèi)部通常含有直流環(huán)節(jié)，如目前廣泛使用的變頻空調(diào)、變頻冰箱等搭載變頻技術(shù)的負(fù)載，需要經(jīng)過AC-DC-AC轉(zhuǎn)換才能達(dá)到變頻，而對(duì)于直流配電網(wǎng)，則只需進(jìn)行DC-AC轉(zhuǎn)換，從而省略了AC-DC環(huán)節(jié)，降低了變換器損耗[3]?？梢姡琇VDC系統(tǒng)為現(xiàn)有用電負(fù)載提供了一個(gè)方便且高效的供電平臺(tái)。

1997年，荷蘭能源研究中心提出在住宅中采用直流供電技術(shù)的方案，對(duì)住宅中直流家電以12～24 V的直流供電，避免使用價(jià)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(guó)、日本以及歐洲各國(guó)都對(duì)直流供電系統(tǒng)展開相關(guān)研究和示范工程建設(shè)。2007年，美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué) CPES中心提出 SBI（sustainable building initia?tive）研究計(jì)劃，為未來住宅和樓宇提供直流電力，并于2010年將SBI發(fā)展為SBN（sustainable build?ing and nano-grids），通過兩個(gè)電壓等級(jí)的直流母線380 V和48 V分別給不同等級(jí)負(fù)載供電[2]。2004年，日本東京工業(yè)大學(xué)等機(jī)構(gòu)提出基于直流微電網(wǎng)的配電系統(tǒng)構(gòu)想，并完成了一套10 kW直流配電系統(tǒng)樣機(jī)[5]。瑞典UPN公司構(gòu)建直流供電系統(tǒng)時(shí)采用燃料電池、太陽(yáng)能光伏發(fā)電等多種分布式電源，利用電力電子裝置對(duì)公共交流供電網(wǎng)進(jìn)行電能變換，并配套蓄電池[6]。2011年我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司啟動(dòng)“直流配電方式的可行性研究”。2014年國(guó)家863研究課題提出一種新型直流配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，代表了我國(guó)在直流配電網(wǎng)領(lǐng)域中新的研究動(dòng)向[7]。

直流負(fù)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(tài)住宅”的技術(shù)和產(chǎn)品。松下電工公司在2008年宣布開發(fā)適用于交直流混合供電的住宅配電產(chǎn)品，并在2010年批量銷售[4]。我國(guó)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(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟研發(fā)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(chǔ)進(jìn)行了直流家電在住宅環(huán)境下運(yùn)行的驗(yàn)證性試驗(yàn)[8]。

本文對(duì)LVDC供電系統(tǒng)下的負(fù)載特性進(jìn)行較為詳細(xì)的研究，分別總結(jié)了目前LVDC系統(tǒng)中負(fù)載側(cè)的供電容量、供電效率、電能質(zhì)量、可靠性、負(fù)載兼容性以及在直流供電下建立負(fù)載的暫穩(wěn)態(tài)模型。對(duì)于負(fù)載在直流供電下運(yùn)行所產(chǎn)生的一些技術(shù)問題，尚需深入研究。

1 LVDC系統(tǒng)負(fù)載側(cè)能效分析

1.1 電壓等級(jí)分類

LVDC系統(tǒng)中需制定不同電壓等級(jí)，以適應(yīng)不同負(fù)載需求。一般從3個(gè)方面考慮不同電壓的選?。孩貺VDC系統(tǒng)的供電范圍及容量與負(fù)載需求；②LVDC系統(tǒng)構(gòu)建成本；③LVDC系統(tǒng)的絕緣與開關(guān)設(shè)備的選取[7]。

文獻(xiàn)[9]根據(jù)相電壓為230 V、線電壓為400 V的三相交流供電系統(tǒng)，給出了4種直流供電電壓等級(jí)，可一一對(duì)應(yīng)到我國(guó)相電壓為220 V、線電壓為380 V的三相交流供電系統(tǒng)。文獻(xiàn)[10]也考慮了兩種合理的LVDC配電等級(jí)，可統(tǒng)一歸納如下。

（1）750 V等級(jí)：公共電壓網(wǎng)絡(luò)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(jí)：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(jí)是目前較規(guī)范的直流電壓等級(jí)，各類設(shè)備也可直接適用。

（3）311 V等級(jí)：許多電力電子類負(fù)載內(nèi)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(shè)備所需的改裝最少。

（4）220 V等級(jí)：對(duì)電阻類負(fù)載（加熱器、白熾燈）最適合，因?yàn)槠溆行е蹬c交流220 V相同。

（5）120 V等級(jí)：無需間接接觸保護(hù)，無需接地，系統(tǒng)更簡(jiǎn)單。

（6）48 V等級(jí)：無需直接接觸保護(hù)，可使用在通信設(shè)備和家用直流負(fù)載中。

1.2 供電容量計(jì)算

隨著負(fù)載數(shù)量和密度的日益增加，現(xiàn)有系統(tǒng)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(yīng)，所以同等級(jí)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(jí)雙極直流供電電壓為則

式中：Pdc為雙極直流配電所傳輸?shù)念~定功率；Pac為現(xiàn)有交流線路傳輸?shù)念~定功率；cos φ為功率因數(shù)。

由式（1）可見，相同電纜絕緣強(qiáng)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(shù)為0.9）基本相同。在線路造價(jià)和走廊寬度相同時(shí)，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(shí)能夠提高供電容量。

同時(shí)文獻(xiàn)[10]指出，直流地下電纜比交流地下電纜輸送容量大，因?yàn)橹绷麟娎|沒有無功補(bǔ)償?shù)膯栴}，可以實(shí)現(xiàn)中低壓大容量傳輸。

1.3 功率損耗計(jì)算

文獻(xiàn)[9]對(duì)LVDC和低壓交流LVAC（low-voltage alternating current）配電中的功率損耗進(jìn)行了簡(jiǎn)化計(jì)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(shí)際情況中是不可行的。需要在其基礎(chǔ)上進(jìn)行更加詳細(xì)的分析和計(jì)算[12]。

1）線路損耗計(jì)算

對(duì)于單相負(fù)載，功率損耗可表示為

而三相交流負(fù)載，功率損耗表達(dá)式為

直流供電時(shí)，功率損耗表達(dá)式為

式中：P為負(fù)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(zhǎng)度。

將直流供電損耗分別與單相負(fù)載損耗和三相負(fù)載損耗相比，得

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

文獻(xiàn)[13]中對(duì)普通高層建筑中的LVDC配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，得出直流配電系統(tǒng)配電線路的有功損耗較交流系統(tǒng)減少4.11%。文獻(xiàn)[14]通過分析和仿真，發(fā)現(xiàn)在不同電壓等級(jí)和線路參數(shù)的情況下，直流供電線損是相應(yīng)交流系統(tǒng)的15%～50%。

2）變壓器和轉(zhuǎn)換器損耗

交流供電系統(tǒng)中，變壓器會(huì)產(chǎn)生損耗，可通過變壓器的短路電阻和輸出電流計(jì)算。直流供電系統(tǒng)中，不同電壓等級(jí)之間轉(zhuǎn)換和整流變換都會(huì)產(chǎn)生損耗，可分為傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗[12]。

每相橋臂的傳導(dǎo)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(tài)阻值；Uon為開通狀態(tài)壓降。

要計(jì)算開關(guān)損耗，需要知道IGBT在開通時(shí)的能耗Pon和關(guān)斷時(shí)的能耗Poff以及二極管反向恢復(fù)開關(guān)能耗PRR，開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成比例，可表示為

式中：Inom為IGBT模塊額定電流；fsw為開關(guān)頻率。

文獻(xiàn)[15]提出輸電損耗只占整體損耗的一小部分，所以研究轉(zhuǎn)換器損耗，提高轉(zhuǎn)換器效率意義重大。文獻(xiàn)[16]在計(jì)算不同負(fù)載轉(zhuǎn)換器效率時(shí)，發(fā)現(xiàn)空調(diào)、電冰箱、LED等負(fù)載在直流供電時(shí)效率都要比交流供電時(shí)高3%左右。文獻(xiàn)[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(fù)載內(nèi)部小功率整流器將減少電能損失。同時(shí)用相同功率的DC/DC變換器代替整流器，也會(huì)減少變換器損耗。通過對(duì)不同設(shè)備負(fù)載的效率分析，結(jié)果如表1所示。

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

對(duì)整個(gè)LVDC和LVAC系統(tǒng)的功率損耗進(jìn)行比較時(shí)，文獻(xiàn)[16]得出采用光伏和燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)供電且不采用任何儲(chǔ)能的情況下，直流系統(tǒng)損耗比交流系統(tǒng)損耗低15%。文獻(xiàn)[17]對(duì)10 kW住宅樓建模，分析得出采用直流供電系統(tǒng)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(zhì)量分析

LVDC供電時(shí)，負(fù)載側(cè)電流紋波減小，電能質(zhì)量提高，其原因有兩點(diǎn)[18]。

（1）大多數(shù)設(shè)備內(nèi)的AC/DC電路不起作用，只充當(dāng)一個(gè)反向極性保護(hù)。

（2）由不同設(shè)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?yàn)榻涣鳝h(huán)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(jī)的。

文獻(xiàn)[19]對(duì)熒光燈負(fù)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(fù)載電流幾乎恒定，交流端電流近似正弦波形，電能質(zhì)量較高。

1.5 供電可靠性比較

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

在LVDC系統(tǒng)中，電池組及后備儲(chǔ)能裝置可以不通過變換器直接與直流母線相連，在電網(wǎng)故障時(shí)向低功耗敏感性負(fù)載供電[19]。測(cè)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(gè)變換器，不僅縮減了系統(tǒng)的構(gòu)建成本，而且大大減少了系統(tǒng)損耗。

2 LVDC系統(tǒng)負(fù)載兼容性分析

2.1 負(fù)載分類及用電特點(diǎn)

根據(jù)負(fù)載內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，負(fù)載一般可分成如下幾類[18，21]。

（1）阻性負(fù)載分為阻性電熱負(fù)載和白熾光源負(fù)載。純電阻加熱器利用電流熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)加熱，可直接運(yùn)行在直流模式下。白熾光源負(fù)載是傳統(tǒng)的光源負(fù)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(zhuǎn)電機(jī)負(fù)載分為通用型電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)。吹風(fēng)機(jī)、吸塵器、食品攪拌機(jī)中一般是通用型電機(jī)，在直流和交流條件下均可工作。較大功率負(fù)載如電冰箱和洗衣機(jī)中，通常使用感應(yīng)電機(jī)，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(diào)速負(fù)載內(nèi)部的變頻器是將電網(wǎng)供電的工頻交流電源變?yōu)檫m用于交流電機(jī)調(diào)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(fù)載分為開關(guān)電源SMPS（switchedmode power supply）負(fù)載和熒光燈負(fù)載。SMPS負(fù)載可通過交流和直流供電，配備典型SMPS單元，保持內(nèi)部電壓不變。SMPS工作電壓范圍較大，通常在100～240 V/50～60 Hz，實(shí)際上可以達(dá)到85～380 V/47～63 Hz，直流工作電壓與交流相同。熒光燈負(fù)載內(nèi)部含有電子鎮(zhèn)流器，通常情況下的直流供電電壓可以達(dá)到300 V，比相應(yīng)的交流供電電壓要高一些。使用電子鎮(zhèn)流器時(shí)，熒光燈最終都會(huì)運(yùn)行在直流模式下。

目前主要的研究方向是將LVDC供電方式應(yīng)用在工業(yè)園區(qū)[22]、商業(yè)樓宇[9，19]、住宅[21]、電動(dòng)車充電站等領(lǐng)域。由于應(yīng)用領(lǐng)域不同，通常負(fù)載的用電特點(diǎn)也不盡相同。

（1）工業(yè)園區(qū)。傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)通常耗電量多、規(guī)模大，供電電壓等級(jí)較高，負(fù)載用電等級(jí)通?？梢赃_(dá)到10 kV。旋轉(zhuǎn)電機(jī)類負(fù)載占比重大，敏感型電力電子負(fù)載較多，一般需要高可靠性供電[22]。一些新能源發(fā)電園區(qū)，如海上風(fēng)電場(chǎng)電壓等級(jí)可以達(dá)到300 kV[23]。

（2）商業(yè)樓宇。一些寫字樓、銀行和數(shù)據(jù)中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須運(yùn)行在“24-7”的原則下，即每星期7天24小時(shí)不間斷運(yùn)行，并且不能受到電網(wǎng)突變和斷電的影響[19]，需要較高的供電可靠性。同時(shí)電力電子類負(fù)載如計(jì)算機(jī)、熒光燈等占了商業(yè)樓宇負(fù)載中的較大比例，供電電壓等級(jí)在750 V左右。

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

2.2 負(fù)載兼容性分析

2.2.1 非電力電子類負(fù)載兼容性

純電阻加熱器和通用電機(jī)類負(fù)載都可以運(yùn)行在交直流兩種情況下，但實(shí)際情況下用戶需要調(diào)節(jié)負(fù)載不同檔位，實(shí)現(xiàn)不同功能。

以通用電機(jī)類負(fù)載為例，通常需要調(diào)節(jié)不同轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)不同功能。運(yùn)行在交流情況下通過改變磁場(chǎng)繞組來控制速度，同時(shí)需要鐵芯片減少渦流損耗、補(bǔ)償繞組降低電樞反應(yīng)的影響等。若運(yùn)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(shí)現(xiàn)速度控制[24]。

內(nèi)部搭載變頻器的電機(jī)類負(fù)載，如變頻空調(diào)，其內(nèi)部電機(jī)雖然不能通過直流供電，但可通過直流控制其變頻環(huán)節(jié)，將AC-DC-AC變換簡(jiǎn)化為DC-AC變換，具有可行性。另外由于直流無刷電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)相比，具有效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在電機(jī)類負(fù)載如空調(diào)、電冰箱、洗衣機(jī)等中都具有廣泛的應(yīng)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(fù)載兼容性

對(duì)SMPS負(fù)載交流供電時(shí)，首先進(jìn)行整流，然后經(jīng)輸入電容器濾波，PFC進(jìn)行功率校正，產(chǎn)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(wěn)定性。由于隔離變壓器和整流橋的存在，開關(guān)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?？梢娯?fù)載運(yùn)行在直流時(shí)無需過度改裝，并且負(fù)載內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)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(fù)載的交流和直流供電結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SMPS負(fù)載的交流和直流供電結(jié)構(gòu)Fig.1 Block diagram of AC and DC powered SMPS load

電磁爐雖然是電熱負(fù)載之一，但利用的是電磁感應(yīng)原理，其內(nèi)部控制原理與SMPS負(fù)載相似。若重新設(shè)計(jì)運(yùn)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(shù)量，提高了整體效率。文獻(xiàn)[25]給出了運(yùn)行在直流情況下電磁爐的詳細(xì)設(shè)計(jì)，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(jié)果表明，直流供電可避免電容和感應(yīng)負(fù)載的非線性行為所導(dǎo)致的電流失真，同時(shí)能夠獲得更好的動(dòng)態(tài)特性。

熒光燈負(fù)載工作原理基本與SMPS負(fù)載基本相同，所以運(yùn)行在直流情況下所需的改裝也相似。許多現(xiàn)代電氣設(shè)備無需改裝即可工作在直流和交流情況下，因?yàn)樵谥绷髑闆r下，整流器被自動(dòng)旁路了[18]，如飛利浦系列熒光燈鎮(zhèn)流器，只需在燈具中安裝外部保險(xiǎn)絲，可以直接通過直流供電。

2.3 負(fù)載兼容性注意要點(diǎn)

考慮到負(fù)載雖然能夠直接運(yùn)行或稍加改裝后運(yùn)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(fù)載在直流供電下的一處不同點(diǎn)是，用戶必須分辨系統(tǒng)的極性，以正確的方向接電。對(duì)于解決極性問題的研究，現(xiàn)有文獻(xiàn)有改變插頭的形狀的方法[26-27]，也有學(xué)者提出輸入極性校正電路，能夠在接電瞬間自動(dòng)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(duì)直流電弧有更好的抑制作用，所以建議在直流負(fù)載內(nèi)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(xiàn)象，是電流流經(jīng)一些絕緣介質(zhì)（如空氣）產(chǎn)生的瞬間火花現(xiàn)象。較高電壓等級(jí)的直流供電系統(tǒng)在插頭拔出時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)電弧，電弧現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致觸電，嚴(yán)重?fù)p壞電子設(shè)備，若空氣中含有可燃?xì)怏w微粒，則可能導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸。

電弧現(xiàn)象是由于電流通道突然切斷而產(chǎn)生的，在電感性負(fù)載斷開電源的情況下可能發(fā)生。直流電弧對(duì)直流配電系統(tǒng)的負(fù)面影響大于交流配電系統(tǒng)。交流電流在半周期時(shí)為0，不會(huì)產(chǎn)生電弧現(xiàn)象，但直流電壓在斷開前是恒定不變，電流也不會(huì)為0，可在負(fù)載插頭內(nèi)部放置二極管以消除電弧現(xiàn)象[29]。二極管反向連接在正負(fù)極之間，與續(xù)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(xiàn)象。

3）電火花現(xiàn)象

強(qiáng)電場(chǎng)在空氣中形成電離導(dǎo)電通道會(huì)產(chǎn)生電火花現(xiàn)象，通常發(fā)生在插頭接入直流電源時(shí)。與電弧現(xiàn)象一樣，也會(huì)對(duì)用戶和設(shè)備產(chǎn)生危害。

電火花現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于空氣中存在電勢(shì)差，在電容性負(fù)載接入電源的情況下可能發(fā)生。許多負(fù)載含有功率變換模塊，如DC-DC變換器等，可以看成電容性負(fù)載。電源接入情況下，由于電源和負(fù)載存在電勢(shì)差，會(huì)產(chǎn)生電火花現(xiàn)象。而電源斷開情況下，源荷電勢(shì)平衡，不會(huì)產(chǎn)生電火花現(xiàn)象。

負(fù)載內(nèi)置初始充電電路可減少電火花現(xiàn)象的發(fā)生[29]，其作用是在電源接入時(shí)限制浪涌電流，在電容充滿電時(shí)，利用磁接觸器創(chuàng)建新的電流路徑。初始充電電路廣泛應(yīng)用在交流系統(tǒng)中，實(shí)踐證明，同樣可以應(yīng)用在直流配電系統(tǒng)中。

4）其他問題[18]

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

（2）設(shè)備內(nèi)部電路設(shè)計(jì)不能使用過大電壓范圍。這些設(shè)備通常工作在特定電壓范圍下，如前端使用Buck拓?fù)鋵⒔涣麟娫崔D(zhuǎn)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(shè)備輸出電壓取決于輸入電壓等級(jí)。如電阻類負(fù)載或內(nèi)部包含不受控AC/DC變換器。由于輸出電壓規(guī)定在一定范圍內(nèi)，其輸入電壓范圍也較小，如LED等。盡管直流情況下這些設(shè)備能夠工作，但輸出電壓通常不滿足要求。

3 LVDC系統(tǒng)負(fù)載暫穩(wěn)態(tài)模型

3.1 負(fù)載穩(wěn)態(tài)模型

根據(jù)IEEE.Std.399[30]，負(fù)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(wěn)態(tài)工況下，負(fù)載功率PL與電壓U的關(guān)系可表示為

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

文獻(xiàn)[31]通過可調(diào)直流電壓源供電，測(cè)試不同負(fù)載在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的運(yùn)行特性，以及快速電壓跳變狀態(tài)下測(cè)試負(fù)載的暫態(tài)運(yùn)行特性，并對(duì)負(fù)載進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)建模。其中，負(fù)載穩(wěn)態(tài)模型可分別表示。

（1）阻性負(fù)載。阻性負(fù)載分為阻性電熱負(fù)載和白熾光源負(fù)載。

穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的測(cè)試結(jié)果表明，所有阻性電熱負(fù)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(shí)的電阻；ρ、l、s分別為負(fù)載電阻的電阻率、長(zhǎng)度和截面積；ρ0為20℃時(shí)的電阻率。

白熾光源負(fù)載的電阻是隨電流大小而變化的，即與溫度相關(guān)，其電阻可表示為

式中，β為電流系數(shù)。

（2）旋轉(zhuǎn)電機(jī)負(fù)載。通用電機(jī)的穩(wěn)態(tài)工作電流可以表示為

式中：Ua為通用電機(jī)的穩(wěn)態(tài)工作電壓；Req為等效電阻；Φ為定子每極磁通量；ωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；常數(shù)Ka取決于電機(jī)自身構(gòu)造。

根據(jù)式（13）和實(shí)際穩(wěn)態(tài)測(cè)量可將交直流兩用電機(jī)等效成一個(gè)可變電流源，即

式中：Y0為初始狀態(tài)電導(dǎo)測(cè)量值；I0為初始狀態(tài)電流測(cè)量值。

（3）電力電子負(fù)載。電力電子負(fù)載可分為SMPS負(fù)載和熒光燈負(fù)載。

SMPS負(fù)載內(nèi)部使用的DC/DC變換器保持內(nèi)部電壓不變，所以無論負(fù)載電壓大小，都會(huì)消耗相同的功率，與恒功率負(fù)載相類似，其穩(wěn)態(tài)模型通過可控電阻實(shí)現(xiàn)，可表示為

式中，恒定功率P0可通過測(cè)量得到。

熒光燈負(fù)載中含有高頻鎮(zhèn)流器，一些高頻鎮(zhèn)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(shè)計(jì)用作可調(diào)節(jié)亮度的熒光管。不同熒光燈的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)表明，有些高頻電子鎮(zhèn)流器可等效成恒功率模型R=U2/P0，而另一些高頻電子鎮(zhèn)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(fù)載暫態(tài)模型

實(shí)驗(yàn)使用短暫電壓突變模擬短路時(shí)電壓暫態(tài)，觀察負(fù)載的暫態(tài)行為，分別得出以下結(jié)論[31]。

1）阻性負(fù)載

阻性電熱負(fù)載的電壓突變會(huì)引起等比例的電流突變，與電壓突變的幅值無關(guān)，所以暫態(tài)模型與穩(wěn)態(tài)模型相同，為R=R0。

白熾照明電壓突變時(shí)負(fù)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(fù)載電阻減小。暫態(tài)過程中，其阻值可以表示為

式中：Δt為仿真步長(zhǎng)；τ為時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)與額定功率有關(guān)；k為當(dāng)前仿真步數(shù)；R(k)為仿真第k步時(shí)的穩(wěn)態(tài)電阻；為仿真第k步時(shí)的暫態(tài)電阻。

2）旋轉(zhuǎn)電機(jī)負(fù)載

通用電機(jī)的暫態(tài)響應(yīng)分為兩個(gè)步驟：快速的電暫態(tài)響應(yīng)和慢速的機(jī)械暫態(tài)響應(yīng)（響應(yīng)時(shí)間是電暫態(tài)的100倍）。從響應(yīng)結(jié)果可以得出，通用電機(jī)響應(yīng)特性與可變電阻串聯(lián)電感相類似[30]。

3）電力電子負(fù)載

SMPS的暫態(tài)響應(yīng)結(jié)果表明，供電電壓突降時(shí)，負(fù)載電流突變?yōu)?，一段時(shí)間的中斷后開始增加至新的穩(wěn)態(tài)值[32]。電力電子負(fù)載暫態(tài)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(wěn)態(tài)負(fù)載模型，RCL參數(shù)可由測(cè)量得到。當(dāng)供電電壓低于電容電壓時(shí)，二極管截?cái)嘭?fù)載電流，負(fù)載從電容吸收電能。當(dāng)電容器電壓與供電電壓相同時(shí)，負(fù)載電流增加至新的穩(wěn)態(tài)值。

圖2 電力電子負(fù)載暫態(tài)模型Fig.2 Transient model of power electronic load

帶高頻鎮(zhèn)流器的熒光燈負(fù)載的暫態(tài)響應(yīng)比較復(fù)雜，因控制電路和自身特性的不同而異。有些熒光燈負(fù)載也可以用圖2表示，前提是要知道暫態(tài)過程的時(shí)間常數(shù)，其他熒光燈負(fù)載只能通過帶阻尼振蕩的二階系統(tǒng)的純數(shù)學(xué)模型表征。

3.3 綜合負(fù)載模型

目前，電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算通常采用穩(wěn)態(tài)工況下ZIP模型與動(dòng)態(tài)電動(dòng)機(jī)模型按照一定比例組合的綜合負(fù)載模型。綜合負(fù)載模型采用的電動(dòng)機(jī)模型通常是三階感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型。有學(xué)者在經(jīng)典綜合負(fù)載模型基礎(chǔ)上還考慮了配電網(wǎng)等值阻抗和配電網(wǎng)無功補(bǔ)償裝置，彌補(bǔ)了經(jīng)典模型的不足，更加方便地模擬包括配電網(wǎng)、無功補(bǔ)償系統(tǒng)和有發(fā)電機(jī)接入低壓電網(wǎng)的供電系統(tǒng)[33]。該模型在直流配電網(wǎng)絡(luò)的適用性，有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)比LVDC供電系統(tǒng)和LVAC供電系統(tǒng)負(fù)載側(cè)的用電效率、電能質(zhì)量及可靠性，并分析LVDC系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有負(fù)載的兼容性，負(fù)載在LVDC系統(tǒng)下的運(yùn)行特點(diǎn)和負(fù)載模型建立等方面，可以得出含分布式能源的LVDC系統(tǒng)較LVAC系統(tǒng)在節(jié)能、供電質(zhì)量及可靠性方面更具優(yōu)越性?，F(xiàn)有負(fù)載在LVDC系統(tǒng)供電下效率更高，并且具有良好的兼容性。目前，LVDC供電系統(tǒng)仍未得到廣泛引用，現(xiàn)有負(fù)載的直流化設(shè)計(jì)也未得到廣泛的推進(jìn)，但由于LVDC系統(tǒng)具有較廣闊的應(yīng)用前景，本文旨在為現(xiàn)有負(fù)載采用LVDC供電提供可行性分析。直流負(fù)載保護(hù)方式、電氣安全等一些技術(shù)性的問題需要在今后的應(yīng)用中展開進(jìn)一步的研究。