柔性直流配电网电压等级选择与数据中心工程设计实践

李红军，姜世公，王云飞，王哲，刘艳茹

(1.国网北京经济技术研究院，北京市 102209；2.国家电网公司发展策划部，北京市 100031)

柔性直流配电网电压等级选择与数据中心工程设计实践

李红军1，姜世公1，王云飞1，王哲2，刘艳茹1

(1.国网北京经济技术研究院，北京市 102209；2.国家电网公司发展策划部，北京市 100031)

电压等级是直流配电系统众多研究内容的基础，关系到电网结构和布局、电气设备与设施的设计与制造、电力系统的运行与管理等方面。以柔性直流配电网电压等级选取方法为目标，研究影响电压等级序列选择的内外部因素，分析了设备、直流配电系统的输送能力和输送距离等相关约束条件，确立了直流电压等级的选取原则及中低压直流电压等级选择过程。根据上述研究结果，基于数据中心负荷位置距离、负荷容量、负荷电压等级、分布式电源接入要求等因素，通过计算确立了实例工程电压等级为中压±10 kV，低压750 V和240 V。结合数据中心供配电可靠性等级要求，提出了数据中心交直流配电网拓扑结构。研究成果可为直流配电网电压等级选择和直流配电系统规划建设提供参考。

直流配电网；电压等级选择；输送距离；输送容量

0 引 言

伴随着电力负荷增长和新能源发电技术进步，传统交流配电网发展遇到了线路走廊紧张、供电容量不足等许多瓶颈，以绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar translator, IGBT)为代表的电力电子技术发展日益成熟，直流配电成为解决传统配电网问题的一种新途径。与传统的交流配电网相比，直流配电网具有省略DC/AC逆变环节，减低能耗；节能变频类家电一级变流环节，节约能耗，降低用户采购费用；提高供电系统输送容量、可控性以及电能质量；易于协调大电网与分布式电源之间的矛盾，充分发挥分布式能源的价值和效益，提高能源利用率等优点[1-4]。另外，随着电力电子技术的不断发展，不同电压等级之间的功率变换和保护等设备也日趋成熟[5-7]，直流配电技术也具备了设备技术基础。

直流配电技术的发展很大程度上得益于分布式电源发展推动。分布式电源接入后，传统配电网呈现出有源特征，潮流由单向变为多向。采用直流配电技术后，光伏、燃料电池、风机和燃气轮机等输出电能接入直流配电网可省去大量换流环节，提高能源转换效率。另外，为节省能源，原有交流配电网中的家用负荷多采用变频技术，而LED照明、电动汽车、计算机等本身就是直流负荷，如果采用直流配电方式可省去大量AC/DC环节，提高能源利用率[8-10]。

为了充分发挥分布式能源效能，分布式电源往往采用微电网形式并入主网。美国、日本、欧洲各国、韩国、中国台湾等国家及地区已经开展了直流配电网的相关研究工作，并提出了各自的直流配电网概念和发展目标[11-15]，可以预见，直流配电网将成为未来的发展方向。与交流配电网类似，未来直流配电网的发展也应该是由多级组成，规范合理的直流配电电压等级序列是直流配电网发展中亟待解决的问题。目前，针对这一方面的研究主要集中在直流配电系统末端的低电压等级选择方面，文献[16]研究表明直流400 V作为数据中心供电系统的电压等级具有较高的效率；文献[17]对326、230、120和48 V等4种可能的直流电压等级进行了对比分析，研究结果表明电压降和电能损耗会随着直流配电电压的降低而迅速升高；文献[18]研究了柔性直流输电中电压等级和输送容量之间的关系，分析了±80 kV和±150 kV柔性直流输电的经济性。

目前，针对直流输配电系统电压等级的研究主要集中在配电线损、换能损耗和经济性对比分析等方面，但针对直流配电系统电压等级选择的相关研究较少。由于直流配电网中负荷波动大、供电灵活度高、分布式电源接入多以及改造用地成本高等特点，因此对直流配电电压等级选择展开专门研究是十分有必要的。

本文基于对影响直流电压等级的内部和外部因素的分析，总结出目前直流配电设备的发展水平、交直流配电网输送能力和输送距离等方面约束条件，结合实例工程项目中分布式电源和负荷的容量、分布特性等方面因素，确定直流配电电压等级。

1 直流配电网电压等级选择的影响因素

电压等级的选择是配电网规划的基础，既要满足不断增长的负荷需求，又要适应未来电网结构的变化，影响直流配电网电压等级选择的主要因素主要包括内部和外部两类因素。

1.1 内部因素

1.1.1 经济性影响

经济性对直流配电电压选择的影响主要包括运行经济性和投资经济性两方面。电力系统经济运行是指在保证电力系统安全可靠运行和电能质量符合标准的前提下，尽量提高电能生产和输送的效率；配电系统规模大、投资大，对构建直流配电网而言，投资经济性非常关键。新建直流配电网、交流配电网直流改造等建设投资，直流一次设备、直流配电线路等设备投资，以及电能损耗费用等，采用不同电压等级会有不同的结果。合理的直流配电电压等级要能保证在系统安全稳定可靠运行的前提下，以投资经济性最优为目标。

1.1.2 技术性影响

系统的安全稳定是电力系统运行的最基本要求，而电压等级与网络结构及接线方式密切相关，满足系统安全稳定的要求，是合理的网络结构及电压等级的前提。

(1)电压质量。采用相同线路参数，输送相同功率时，电压降百分数反比于电压的平方若将直流电压提高1倍，线路电压损耗可减小75%。因此，直流配电釆用较高的电压等级，可以减小电压损耗，提高线路末端的电压质量。

(2)电气绝缘。相同有效值电压的交、直流电场施加于绝缘时，交流电压的峰值约为直流电压峰值的1.7倍，因此对绝缘介质的绝缘强度要求比直流严格。相较交流配电方式，同绝缘水平的电缆应用于直流可以运行于较高的电压，这是采用直流配电的优势。但是，考虑到过高的电压等级会导致绝缘要求增加，受空间资源和设备费用限制，直流电压等级选择不宜太高。

(3)供电可靠性。随着信息社会的蓬勃发展，计算机、办公和家用设备对供电电源的可靠性要求越来越高。传统交流配电系统中，通常使用不间断电源(uninterrupted power supply, UPS)来满足电源可靠性的要求。对于直流配电系统，不仅省去了整流、逆变等环节，而且更便于超级电容和蓄电池等储能装置的接入，在一定程度上相当于将原来分散于用户的UPS集中起来，减少用户事故备用，提高供电可靠性和整体经济性。另外，因为直流线路不存在频率稳定和无功功率等问题，故供电可靠性相对较高。但是，较高的配电电压等级，意味着单条馈线上的负荷也显著增加，当馈线发生故障时将有更多的客户遭受停电威胁。

1.2 外部因素

1.2.1 社会发展

目前，釆用直流配电的行业主要有城市轨道交通、通信信息系统、船舶系统等。随着社会的发展，直流供电的需求和优势得到越来越显著的体现，金融信息系统、大型楼宇供电系统也开始进行直流供电的探索，制定科学合理的直流配电电压等级，要考虑适应这些行业对电能质量、供电可靠性的高要求。因此，社会发展影响着直流供电制式及合理电压等级的选择。

1.2.2 经济发展影响

随着社会经济的不断发展，经济总量的攀升使得用电量快速增长，这就要求配电系统输送更大的容量，保证电力满足国民经济发展需要，降损和提高电力使用效率非常重要。另外，配电系统还要适应产业结构的变化调整，随着第三产业及其用电的比重提高，中压配电网供电的比例相应提高，因此需要加强中压配电网的结构，提高供电能力，并采用合理的电压等级。

1.2.3 技术发展的影响

大容量IGBT等电力电子器件的商业应用，使得更接近于配网电压等级的轻型直流输电逐步得到推广；直流配电网用电压源型换流器、直流变压器、断路器等基础设备的发展水平对直流配电网的可靠性、效率有着最直接的影响；储能技术的发展和应用，能提高系统效率和设备利用率，增加备用容量，提高系统供电质量，保障电网应急电能供应，抑制由于大规模新能源接入造成的稳定性影响。

1.2.4 电源构成的影响

随着分布式发电技术的发展，常规电网需要接纳越来越多的分布式能源(distributed generation, DG)，而此类电源主要接入配电网，即配电网将发展成为内部具有电源的主动配电网，使配电网成为能够整合分布式能源和微网的配电网络。因此，未来的配电网应能够接纳风能、太阳能等新能源发电的大规模、分布式并网，便于各种分布式电源和储能装置的接入。

1.2.5 负荷需求的影响

未来配电网中的直流负荷将占越来越大的比重，特别是在办公区、住宅区和学校等非工业负荷区，直流负荷将逐渐占据主导地位，建立直流配电网将减少电力变换环节，大幅提高供电效率。负荷对电源需求的变化，使得发展直流配电技术将成为必然的要求。因此，在选择直流配电电压等级的时候要充分考虑负荷的需求。

2 直流配电网电压等级选择的约束条件及选择过程

综合分析目前直流配电网发展情况，中压电压等级选择应与交流系统匹配，低压电压等级选择较为灵活，但应与用户负荷匹配。另外，在选择电压等级时要综合考虑目前直流配电设备发展水平、不同电压等级的输送容量和输送距离等方面约束。

2.1 换流设备水平及配电方式

目前适用于柔性直流配电系统的换流器主要有两电平或三电平电压源换流器和模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)。两电平电压源型换流器(voltage source converter, VSC)拓扑多采用压接式IGBT，每个桥臂由多个IGBT元件串联组成，具有结构简单、紧凑等优点，但存在输出电平数少，波形畸变较为严重，环流阀承受的电压幅值较高，开关频率较高时损耗较大等缺点；对于三电平VSC，每桥臂包含4组开关管及2个钳位二极管，相对两电平结构输出电平数增加，换流阀所承受的电压下降了一半，但存在直流电容电压不平衡的问题；采用MMC结构的VSC，每个桥臂由若干个相互连接且结构相同的子模块与一个电抗器串联构成，运行过程中能够实现低电平台阶变化的多电平电压输出，降低了电压变化的幅度和梯度，有效缓解了换流器阀承受的电气应力，具有较优的波形品质及较低的谐波含量，采用模块化设计方式，易于扩展应用灵活，但由于电容元件分布在子模块中，电容均压较为困难，并且同样的直流电压等级下所使用的开关器件数为两电平VSC串联时的2倍。因此，直流电压等级的选择要考虑换流站发展水平及经济性等方面。

直流输配电主要有单极传输和双极传输两种方式。单极传输的容量易受到入地电流大小的制约，但建设改造成本低；双极传输容量大，灵活性和可靠性高，但建设成本高。从长远角度考虑，直流配电网采用双极传输方式更为合理。此外，双极传输相当于提供了更多的电压等级选择，如±750 V可用作1.5 kV，±325 V可用作750 V，这种等级设定可有效减少变压环节。

2.2 线路输送能力

2.2.1 交直流线路载流量分析

架空线路大多采用铝绞线，20世纪七八十年代起大量应用钢芯铝绞线等复合材料导体，钢芯主要承受机械拉力，而由1层或多层铝线绞合的部分则承受导电作用。架空线路导体稳态运行时的载流量为

(1)

式中：pr为辐射热损耗；pc为对流散热损耗；ps为太阳辐射热；RT为工作温度下的导体单位长度交流电阻。

由式(1)可知，影响架空线路载流量的主要因素为热损耗及线路电阻，考虑到交直流架空线路上述参数相差不大，因此直流配电系统载流量分析过程中可用交流载流量代替，导体截面积分别为120,240 mm2条件下，架空线路载流量为380, 610 A。

电缆载流量计算是依据电缆稳态运行时所形成的物理温度场微分方程求解得到的，根据电缆用于交流系统还是直流系统以及敷设方式的不同，其计算形式也有所不同。另外，空气中敷设时是否受到阳光照射也对电缆载流量有一定影响。通用的导体额定载流量为

(2)

式中：Δθc为高于环境温度的导体温升；Wd为导体绝缘单位长度的介质损耗；T1为导体和金属套之间单位长度热阻；T2为金属套和铠装之间内衬层单位长度热阻；T3为电缆外护层单位长度热阻；T4为电缆表面和周围介质之间单位长度热阻；n为电缆中载有负荷的导体数；λ1为电缆金属套损耗相对于所有导体总损耗比率；λ2为电缆铠装损耗相对于所有导体总损耗的比率。截面积与载流量的对应关系如表1所示。

表1 不同截面交直流电缆的载流量对比
Table 1 Transfer current comparisons between DC cables and AC cables with different conductor sections

2.2.2 交直流配电网输送能力对比分析

由于直流配电无涡流损耗和集肤效应，故输送容量高于同等级的交流输电。以直流双极系统和三相交流系统为例：

(3)

式中：Pdc、Pac分别为直流输送功率和交流输送功率；Udc、Uac分别为单级直流电压和交流相电压；Idc、Iac分别为直流电流和交流相电流；a为相数；ki为直流配电容量增益系数，一般取1.2；cosφ为交流系统的功率因数，一般取0.95。

基于载流量分析结果，计算10 kV电压等级不同导线截面的交直流架空铝导线输送容量如表2所示。

表2 10 kV电压等级交直流架空线路输送容量对比
Table 2 Transmission capacity comparison of 10 kV AC/DC overhead lines

另外，由式(2)可知，相同电缆绝缘强度和电流有效值下，直流双极系统可输送的功率大约是对应三相交流输电系统的1.18倍。另外，交流地下电缆由于受对地电容的影响，无功功率难以得到补偿，大容量、长距离电能传输难度大，而直流电缆无此问题，在城市负荷集中地区，可通过直流低压大电流传输来满足需求。表3给出了导线截面为300 mm2时交直流电缆输送容量的对比结果。

表3 交直流配电系统输送容量对比(cosφ=0.95)
Table 3 Transmission capacities comparison between AC/DC distribution power system (cosφ=0.95)

2.3 输送距离

对于双极直流配电系统，电压损耗率可表示为

(4)

式中：Udc为直流电压；Rd为直流线路的等效电阻；Pdc为线路传输功率。

则供电距离与直流配电电压等级的关系为

(5)

式中：r0为线路单位电阻；L为配电距离。

参照《电能质量供电电压允许偏差》(GB12325—2008)中关于交流50Hz系统电压偏差规定，相同电压等级的直流配电系统选择相同供电电压偏差，即30kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%，20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%。表4、5分别给出了10kV电压等级极限输送容量条件下不同导线截面的交直流架空线路和电缆输送距离的对比。由对比结果可知，10kV等级下的交直流配电系统中，直流架空线路输送距离约为交流架空线路的2.7～3.2倍，直流电缆输送距离约为交流电缆的2.1倍。

表4 交直流架空线路输送距离对比
Table 4 Transmission distance of AC/DC overhead power lines

表5 交直流电缆输送距离对比Table 5 Transmission distance comparisons of AC/DC power cables

2.4 电压等级选择过程

电压等级选择过程中应充分考虑换流设备制造水平、负荷容量、输送容量、输送距离等相关因素之间的匹配程度。

对于中压直流电压的选址，首先通过计算分析明确各电压等级的输送容量范围、输送距离，输送容量的确定应根据现有典型规格电缆的载流量进行计算；其次，在中压直流电压等级制定的过程中要考虑交直流电压之间的匹配程度，此过程还要分析换流站等相关设备的制造能力和水平；再次，分析供电区域内的直流负荷容量、换流站地理分布位置，确定输送距离和供电容量，并确定换流设备容量；最后，根据负荷供电容量和输送距离，对比中压各电压等级的适用范围及设备制造能力，确定中压直流电压等级。在此过程中，如果某级电压供电能力无法满足负荷需求，可考虑提升电压等级或选择大截面线缆，但需进行技术经济性对比。

对于低压直流电压等级的选择，首先充分考虑供电区域直流负荷、各类分布式电源和储能装置的接入电压等级要求及容量配比关系；其次，分析直流电力电子变换设备的制造能力、各等级输送距离和容量，最终确定低压直流电压等级的选址。电压等级选择过程如图1所示。

图1 中低压直流电压等级选择过程Fig.1 Selecting process of medium and low voltage levels

3 直流配电网电压等级选择

3.1 负荷、分布式电源及配电网建设情况

假设数据中心规划建设18 MW服务器负荷，考虑其他网络设备一类负荷，预计直流负荷将达20 MW以上。考虑到园区内通勤、检修需要，规划建设3台40 kW一体式直流充电机，可同时满足6辆电动车充电需求，此时电动汽车负荷为120 kW；规划建设屋顶光伏200 kW，为提高分布式能源消纳能力，抑制光伏出力波动，储能与光伏电源采用1∶1配置。

该项目已通过规划建设110 kV变电站解决其用电负荷供电问题，变电站低压侧出线为交流10 kV，具备换流站的接入条件，变电站距离数据中心大约6 km。

3.2 直流电压等级选择

3.2.1 中压直流电压等级的选择

目前，MMC结构的柔性换流站具有模块串联技术风险较小、无需滤波装置、开关频率低、损耗小、开关器件应力小、模块化设计、便于安装和维护等优点。综合考虑成本及效率等因素，目前10 kV AC/20 kV DC 及以下等级的MMC结构换流站研制较为成熟，并已具备工程应用条件。

数据中心采用分模组供电方案，本文电压等级的选择也是根据单个模组的供电需求展开分析，可为6 MW左右直流负荷供电，考虑其他网络设备电动汽车等负荷，预计直流负荷为7～8 MW。

根据前述分析，±10 kV直流电压等级输送容量范围为7.7～13.28 MW，采用240 mm2及以上电缆输送距离可超过7.5 km。另外，考虑规划交流配电网所具备的接入条件，换流站交流侧就近接入已规划110 kV变电站的10 kV出线，供电距离约6 km左右。因此，综合分析负荷供电容量及供电需求、换流设备制造能力、交流接入条件等信息，选择中压直流电压等级为±10 kV，换流站容量为10 MW，电缆线路导线截面为240 mm2。

3.2.2 低压直流电压等级的选择

直流电源为240 V，交流电源为380 V。为保证供电可靠性，两侧电源互为备用，系统正常工作时交直流各为50%负荷供电，当一侧电源发生故障时另一侧电源负责为全部负荷供电。规划建设屋顶光伏200 kW，储能容量与光伏采用1∶1配置。综合分析，服务器类直流负荷容量占比较大，电压等级的选择应尽量与其接入电压匹配；参考交流分布式电源接入配电网相关技术标准要求，光伏、储能及电动汽车等可通过DC/DC变换器接入低压配电网；中低压之间以及各类分布式电源、负荷接入低压直流配电网用的DC/DC变换器的研制较为成熟，具备工程应用条件。因此，低压直流配电网电压等级拟选择为750和240 V。

3.3 柔性直流供电拓扑方案

实际工程直流配电网拓扑采用辐射式结构，110 kV变电站10 kV出线经过换流站变换至±10 kV接至中压直流母线I，数据中心供电模组通过DC/DC变换器接入该段中压母线，DC/DC变换器输出为直流240 V，为数据中心服务器直流侧提供供电电源；中压直流母线I与中压直流母线II之间采用常闭直流开关构成单联络，中压直流母线II和750 V低压直流母线之间采用DC/DC变换器相联，电动汽车充电站、屋顶光伏、储能等经DC/DC变换器接入750 V低压直流母线，具体拓扑结构如图2所示。

图3为数据中心单模组配电结构。用户原有配电结构依据Uptime数据中心可用性TIER3等级，每个模组最大可为2万台服务器供电，柴油发电机组采用N+1配置，其交流出线通过可控开关分别与2段10 kV交流母线相连，2段10 kV交流母线之间通过母联相连。2段低压380 V交流母线分别通过变压器与10 kV交流母线相连，同时2段低压交流母线之间通过母联开关相连。根据数据中心可靠性相关要求，2段中压交流母线和2段低压交流母线之间的开关分别采用“5选2”和“3选2”配置，并且列头柜和整流器输出之间并入蓄电池单元。对于空调、照明等其他类型负荷通过开关柜接入低压交流母线。

根据用户单模组配电结构，方案中的中压直流母线通过DC/DC降压接至240 V低压直流母线，2段低压直流母线之间采用联络开关构成单联络，低压直流母线出线作为服务器直流供电电源。采用推荐直流配电方案后，用户现有配电结构未做较大调整，在原有交流10 kV电源、柴油发电机和蓄电池基础上增加了1路240 V直流电源，进一步提高了服务器一类直流负荷的供电可靠性；另外，新增的240 V直流供电电源无需经过变换直接接入用户列头柜，提高了用户的供电效率，降低了用电成本。

图2 直流配电网结构Fig.2 DC distribution network structure

图3 数据中心单模组供电结构Fig.3 Power supply structure of single module in data center

4 结 论

本文以分析经济性和安全性等内部因素以及社会、经济、技术、电源构成和负荷需求等外部因素对电压等级选择的影响为基础，量化对比分析了交直流配电系统各中压电压等级的输送容量和输送距离，证明了直流配电系统相对于交流配电系统的优越性，提出了直流配电系统电压等级选择的约束条件及中/低压电压等级的选择过程。最后，根据工程所在区域内直流负荷容量、位置分布、接入电压等级、屋顶光伏和储能容量等相关情况，基于本文提出的电压等级选择方法，确定了电压等级为中压±10 kV、低压750 V和240 V，并提出了直流配电网结构和数据中心单供电模组接入方案。

[1]江道灼, 郑欢. 直流配电网研究现状与展望[J]. 电力系统自动化，2012, 36(8): 98-104. JIANG Daozhuo, ZHENG Huan. Research status and developing prospect of DC distribution network[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(8): 98-104.

[2]曾嘉思, 徐习东, 赵宇明. 交直流配电网可靠性对比[J]. 电网技术, 2014, 38(9): 2582-2589. ZENG Jiasi, XU Xidong, ZHAO Yuming. Reliability comparison of AC and DC distribution network[J]. Power System Technology, 2014, 38(9): 2582-2589.

[3]赵倩, 张群, 严兵,等.柔性直流输电系统控制策略及动模试验[J]. 电力建设, 2015, 36(12):57-62. ZHAO Qian, ZHANG Qun, YAN Bing, et al. Control strategy and dynamic simulation test of VSC-HVDC system[J]. Electric Power Construction, 2015, 36(12): 57-62.

[4]余世峰， 马为民，聂定珍，等. 舟山多端柔性直流工程过电压与绝缘配合[J]. 电力建设, 2014, 35(3):7-12. YU Shifeng, MA Weimin, NIE Dingzhen, et al. Overvoltage and insulation coordination for zhoushan multi-terminals VSC-HVDC project[J]. Electric Power Construction, 2014, 35(3):7-12.

[5]YUAN Liu, WEI Xiaoguang, GAO Chong, et al. Topological analysis of HVDC circuit breaker with coupling transformer[C] //Proceedings of the 1st International Conference on DC Microgrid, Atlanta, USA: IEEE, 2015: 129-134.

[6]KIM B C, CHUNG Y H, HWANG H D, et al. Development of HVDC circuit breaker with fast interruption speed[C]//Proceedings of the 9th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia, Seoul, Korea:IEEE, 2015: 2844-2848.

[7]QI L, GUAN L L, QI S, et al. Building and analysis of integrated wideband models for key components in HVDC converter valve systems[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2014, 56(6): 1697-1706.

[8]王虹富, 王毅, 高崇, 等. 基于网损等值负荷模型的直流潮流迭代算法[J]. 电力系统自动化, 2015, 39(1): 99-103. WANG Fuhong, WANG Yi, GAO Song, et al. Iterative algorithm of DC power flow based on network loss equivalent load model[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(1): 99-103.

[9]陆晓楠, 孙凯, 黄立培, 等. 直流微电网储能系统中带有母线电压跌落补偿功能的负荷功率动态分配方法[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(16): 37-46. LU Xiaonan, SUN Kai, HUANG Lipei, et al. Dynamic load power sharing method with elimination of bus voltage deviation for energy storage systems in DC micro-grids[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(16): 37-46.

[10]吴卫民, 何远彬, 耿攀, 等. 直流微网研究中的关键技术[J]. 电工技术学报, 2012, 27(1):98-106. WU Weimin, HE Yuanbin, GENG Pan, et al. Key technologies for DC micro-grids[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(1):98-106.

[11]BOROYEVICH D, CVETKOVIC I, DONG D. Future electronic power distribution systems: A contemplative view[C] //Proceedings of the 12thInternational Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment, Basov, Russia: IEEE, 2010: 1369-1380.

[12]KAKIGANO H, MIURA Y, ISE T. Low-voltage bipolar-type DC microgrid for super high quality distribution[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(12): 3066-3075.

[13]MAGUREANU R, ALBU M, PRIBOIANU M. A DC distribution network with alternative sources[C] //Proceedings of the Mediterranean Conference on Control and Automation, Athens, Greece: IEEE, 2007: 1-4.

[14]LEE J, HAN B. Operational characteristic analysis of dc micro-grid using detailed model of distributed generation[C] //Proceedings of the IEEE Transmission and Distribution Conference and Exposition, New Orleans, USA:IEEE, 2010:1-8.

[15]WU T F, SUN K H, KUO C L. Predictive current controlled 5-kW single-phase bidirectional inverter with wide inductance variation for DC-microgrid applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(12):3076-3084.

[16]PRATT A, KUMAR P, Aldridge T V. Evaluation of 400 V DC distribution in telco and data centers to improve energy efficiency[C] //Proceedings of the International Telecommunications Energy Conference, Rome, Italy:IEEE, 2007: 32-39.

[17]SANNINO A, POSTIGLIONE G, BOLLEN M H J. Feasibility of a DC network for commercial facilities[C] //Proceedings of the 37thIAS Annual Meeting, Pittsburgh, USA:IEEE, 2002: 1710-1717.

[18]曾丹, 姚建国, 杨胜春, 等. 柔性直流输电不同电压等级的经济性比较[J]. 电力系统自动化, 2011, 35(20): 98-102. ZENG Dan, YAO Jianguo, YANG Shengchun, et al. Economy comparison of VSC-HVDC with different voltage levels[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(20): 98-102.

(编辑 蒋毅恒)

Voltage Selection of VSC-DC Distribution Network and Project Design Application on Data Center

LI Hongjun1, JIANG Shigong1, WANG Yunfei1, WANG Zhe2, LIU Yanru1

(1.State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China;2. Department of Development and Planning, State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China)

The voltage selection is the basement of many research contents in DC distribution network which concerns the structure and layout of grid, the design and manufacture of electrical equipment, and the operation and management of power system. Taking the voltage selection method of VSC-DC distribution network as purpose, this paper studies the internal and external factors which can impact the voltage selection, analyzes the constraint conditions including the transmission capacity and distance of equipment and DC distribution system, and confirms the DC voltage selection principle and the process of middle-low voltage DC voltage selection. According to the research results, we calculate and determine that the middle voltage in engineering project is ±10kV and the low voltage is 750V and 240V, based on the load distance, the load capacity, the load voltage, the access requirements of distributed generation and other factors in data center. Combined with the reliability level requirements of power supply and distribution in data center, we propose the topological structure of AC/DC distribution network data center. The research results can provide theoretical reference for the voltage selection and planning of DC distribution power system in the future.

DC distribution network; voltage selection; transmission distance; transmission capacity

TM 751

A

1000-7229(2016)05-0138-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2016-03-01

李红军(1971)，男，工学博士，高级工程师，主要从事交直流配电网规划、设计等方面的研究工作；

姜世公(1983)，男，工学博士，工程师，主要从事交直流配电网电压等级、网架结构等方面的研究工作；

王云飞(1979)，男，工学硕士，高级工程师，主要从事交直流配电网规划等方面的研究工作；

王哲(1983)，男，工学博士，高级工程师，主要从事交直流配电网规划等方面的研究工作；

刘艳茹(1985)女，工学硕士，工程师，主要从事交直流配电网规划等方面的研究工作。