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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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，直流不能解决高效变压问题；直流广泛应用于交通牵引和备用电源；供电系统的选择取决于电气设备的需求和技术手段的匹配；
高效：如果外部仍然是交流电网，只是分散AC/DC集中，节能1~2个百分点，节能效果明显，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费比有关；
经济：直流设备电源简化，减少AC/DC环节，减少滤波电容器；增加直流供电，显著增加供电设备成本、可靠性和运行维护问题，直流开关成本和可靠性低于沟通；有利于低成本小型化，但供电系统需要不同项目的具体分析来增加成本。
安全性：直流触电易于摆脱，直流安全性高于交流。
结论：交流技术成熟，行业雄厚，直流只有明显的安全优势，前景令人担忧；如果分布式电源规模大，本地消费比例高，直流设备成本降低，直流机会更大

2 民用建筑低压直流的发展机遇
电气产品逐渐电子化，发电侧可再生能源比例增加

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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--选择直流供电系统的电压等级和接线形式

1 电压等级
100V以下基本用于小功率及单个设备，100V以上与照明、中央机房、电动汽车、光伏、储能、轨道交通等建筑场景有关。
影响电压等级的因素和选择原则：安全、经济、兼容性、电气需求、安全上限、经济成本下限、兼容交流电器，考虑直流电器的技术趋势。
安全：原则上，安全至少高于安全：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、经济电流密度和供电距离，确定电压下限326V；
兼容性:目前交流电器内部DC300~400V，无法实现安全考虑；从长远来看，直流电器需要重新设计；成熟的交流供应链可用于800伏以下的电压范围；
电气需求：频繁活动区安全要求较高，功能区成本效率要求较高；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，降低小功率电器保护成本；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优点，负电压安全性差。未来应该是单极多级电压。

总结:安全上限-280V或 325~375V/400V；经济型下限300m距离，326V；兼容性<800V；电气要求，低压安全，高压高效，48V、375/400V、750V；电压等级的选择也与接地方式和保护密切相关

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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--选择直流供电系统的电击保护和接地方式

1 直流供电系统电击防护
电气设备电击防护措施：0种基本绝缘、一种保护接地（无泄漏）、二种双绝缘（无泄漏）、三种安全特低电压；
建筑物电击防护措施：等电位连接
电源系统电击防护措施：电气隔离、剩余电流保护（不怕泄漏）、绝缘监测

2 直流供电系统接地方式
三种典型的接地方式：TT电源和用户单独接地，保护特性复杂，基本不使用直流；IT电源不接地或高阻接地，用户侧接地；TN电源侧接地，用户侧通过PE线路与电源侧连接，电位关系清晰，保护简单；
TN：一般采用交流系统，直流特性与交流相似；接地故障电流大，过流保护实现电击保护；电击事故也可采用剩余电流保护；PE断线可能导致剩余电流保护拒绝；
IT：目前直流系统示范工程多采用IT；由于电阻值大，单点故障几乎没有电击危险；两点故障风险显著增加，需要配置绝缘电阻检测（故障定位能力差、电击保护和供电可靠性矛盾）IT系统预计接触电压最高可达2Udc；
接地与接线形式的结合：轻度危险，长时间接触室颤的概率很低， 280V/-190V；中度危险，<200ms，室颤概率低， 375~400V/-280V；重度危险，<40ms， 450V/-325V；
综合比较选择电压等级、接线方式和接线形式；

3 几个与接地有关的小问题
并联电弧及短路保护：接地故障(碰壳)、短路故障，TN增加电弧的严重性；故障特性、保护和沟通差异较大；
杂散电流：直流杂散电流会腐蚀地下金属，地铁影响大，民用建筑好；
交直流混合系统的电击保护：电气隔离可降低风险，简化故障分析保护，但增加隔离变压器，降低效率，提高成本；
剩余电流保护装置：传统：RCD对剩余电流波形敏感，直流RCD需要进一步完善产品和标准；

总结:组合更安全，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。将单点故障切换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--低压交流与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、功率半导体设备实现电流通断，电气设备为各种变换器；功率半导体设备；kHz~MHz开关动作 PWM；
过载能力：AC--变压器、开关、电机过载能力5~超过10倍；对过压过流不敏感；DC--过载能力约为2倍，基本无过压能力；电流控制能力非常快，使用寿命长；
控制功能：AC--变压器分接头、开关开关开关开关、有级投切无功补偿，手段少，功能简单，速度慢；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，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，纹波引起的无功率很小，可以忽略不计。
功率特性及惯性：AC--电网通过频率紧密耦合；电压相差和阻抗决定电流和功率；同步发电机转子转动惯性大，有利于系统稳定；DC--各级直流电网可通过变换器有效解耦；电压差和电阻决定电流和功率，物理关系简单；变换器响应快，惯性小；储能环节可增加惯性，提高系统临时响应性能；
感性容性：AC--一般情况下，变压器电感、变压器交流滤波器电感、线路杂散电感、电感限制短路电流、抑制电流谐波、电流关闭过电压；DC--电容性、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，增加系统惯性，容易与线路电感谐振；

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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
直流电压和电流中流电压和电流中；纹波系数=交流量/直流量，注意交流量可能采用有效值、振幅值、峰值，目前没有统一规范；
直流系统必须包含由变换器内部功率半导体器件开关动作引起的纹波；通过增加电感电容，提高开关频率，可以改变拓扑和调制PWM抑制纹波的策略；
纹波的影响:纹波谐振；电磁干扰；纹波电压导致纹波电流，从而导致电容损失甚至损坏；

2 电压偏差
电压偏离设定值的比例表现为稳态和暂态；
稳态电压偏差:线路压降；电压下垂(虚拟电阻)特性用于分配不同变换器之间的功率；
临时电压偏差：故障扰动、设备切割、工况突变、功率变化快、系统功率平衡损坏、电压临时变化、变换器调节性能、系统功率调节充足；
电压偏差的影响：偏差小，设备损坏、电容器和功率半导体设备；电压过低容易导致过流、损耗增加、停止工作；由于电力电子设备对电压非常敏感，可能会引起连锁反应；

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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--保护DC供电系统

1 供电系统
源网储存设备、开关、线路
电压保护：过压保护-电力电子设备、电容器等电压裕度一般较小；欠压保护-欠压可能导致电流过大；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。