低压直流供电系统负载特性

闵晓晴，冯 琳，李国杰，袁晓冬，李 强，柳 丹

（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240；2.国网江苏省电力公司电力科学研究院，南京 211103）

近年来，低压直流LVDC（low-voltage direct cur⁃rent）供电技术已经逐渐受到国内外学者的广泛关注。由于环境问题以及化石燃料储能的减少，便于可再生的分布式电源的渗透率逐渐增加，其中光伏发电、直驱风力发电机、微型燃气轮机、储能设备（超级电容、各类电池等）以及电动汽车充换电站等都可以直接接入直流配电网。目前分布式能源所广泛接入的交流配电网需耗费大量的换流环节，如光伏发电等产生直流电的分布式电源，需要通过DC-DC和DC-AC两级变换接入交流网。而风力机和燃气轮机等虽然产生交流形式电能，但都不是恒定频率50 Hz，一般需要通过AC-DC和DC-AC两级变换，变频后才能接入交流配电网以保证供电稳定性。若采用接入直流配电网，则可以省去以上逆变环节，不仅减少了构建成本，也降低了变换器带来的功率损耗[1-2]。

要使LVDC系统得到广泛应用，负载在LVDC供电下也应具备相应优势。由于现有负载大部分都为交流系统设计，所以需要对现有负载在LVDC供电下的兼容性、可靠性、运行效率和暂稳态特性进行充分研究。近几年来，电力电子技术得到了较快的发展，这也使得用户的用电方式发生了较大转变。许多用电负载都使用了电力电子技术。一方面负载直接通过直流供电，如液晶电视、荧光灯、计算机等，采用直流供电时，不仅可以省去内部的整流器，负载原本配备的功率因数补偿PFC（power factor compensation）电路也可去除，从而简化了负载结构，节约负载成本，减少能耗，提高了用电可靠性。另一方面负载内部通常含有直流环节，如目前广泛使用的变频空调、变频冰箱等搭载变频技术的负载，需要经过AC-DC-AC转换才能达到变频，而对于直流配电网，则只需进行DC-AC转换，从而省略了AC-DC环节，降低了变换器损耗[3]。可见，LVDC系统为现有用电负载提供了一个方便且高效的供电平台。

1997年，荷兰能源研究中心提出在住宅中采用直流供电技术的方案，对住宅中直流家电以12～24 V的直流供电，避免使用价格较高的逆变器以及逆变过程带来的电能损失[4]。随后，美国、日本以及欧洲各国都对直流供电系统展开相关研究和示范工程建设。2007年，美国弗吉尼亚理工大学 CPES中心提出 SBI（sustainable building initia⁃tive）研究计划，为未来住宅和楼宇提供直流电力，并于2010年将SBI发展为SBN（sustainable build⁃ing and nano-grids），通过两个电压等级的直流母线380 V和48 V分别给不同等级负载供电[2]。2004年，日本东京工业大学等机构提出基于直流微电网的配电系统构想，并完成了一套10 kW直流配电系统样机[5]。瑞典UPN公司构建直流供电系统时采用燃料电池、太阳能光伏发电等多种分布式电源，利用电力电子装置对公共交流供电网进行电能变换，并配套蓄电池[6]。2011年我国国家电网公司启动“直流配电方式的可行性研究”。2014年国家863研究课题提出一种新型直流配电网网架结构，代表了我国在直流配电网领域中新的研究动向[7]。

直流负载方面，日本夏普、TDK和松下公司在2007—2009年的日本电子展中都展示过适用于“直流生态住宅”的技术和产品。松下电工公司在2008年宣布开发适用于交直流混合供电的住宅配电产品，并在2010年批量销售[4]。我国在研究直流供用电方面还处于起步阶段。2010年广东白色家电产学研创新联盟研发成功了一系列采用直流供电的家用电器样品，并以此为基础进行了直流家电在住宅环境下运行的验证性试验[8]。

本文对LVDC供电系统下的负载特性进行较为详细的研究，分别总结了目前LVDC系统中负载侧的供电容量、供电效率、电能质量、可靠性、负载兼容性以及在直流供电下建立负载的暂稳态模型。对于负载在直流供电下运行所产生的一些技术问题，尚需深入研究。

1 LVDC系统负载侧能效分析

1.1 电压等级分类

LVDC系统中需制定不同电压等级，以适应不同负载需求。一般从3个方面考虑不同电压的选取：①LVDC系统的供电范围及容量与负载需求；②LVDC系统构建成本；③LVDC系统的绝缘与开关设备的选取[7]。

文献[9]根据相电压为230 V、线电压为400 V的三相交流供电系统，给出了4种直流供电电压等级，可一一对应到我国相电压为220 V、线电压为380 V的三相交流供电系统。文献[10]也考虑了两种合理的LVDC配电等级，可统一归纳如下。

（1）750 V等级：公共电压网络一般采用的直流电压值，可为小型分布式能源和轨道交通提供接口。

（2）400 V等级：由于500 V是低压配电电缆（截面积2.5 mm2）的极限值，所以此电压等级是目前较规范的直流电压等级，各类设备也可直接适用。

（3）311 V等级：许多电力电子类负载内置二极管整流器，输入220 V交流电压，输出峰值为311 V。直接供直流311 V，设备所需的改装最少。

（4）220 V等级：对电阻类负载（加热器、白炽灯）最适合，因为其有效值与交流220 V相同。

（5）120 V等级：无需间接接触保护，无需接地，系统更简单。

（6）48 V等级：无需直接接触保护，可使用在通信设备和家用直流负载中。

1.2 供电容量计算

随着负载数量和密度的日益增加，现有系统需要在有限的配电线路走廊上输送更大的容量。由于直流线路不存在涡流损耗和趋肤效应，所以同等级直流线路输送容量高于交流线路。若交流线路额定线电压为Uac，同等级双极直流供电电压为则

式中：Pdc为双极直流配电所传输的额定功率；Pac为现有交流线路传输的额定功率；cos φ为功率因数。

由式（1）可见，相同电缆绝缘强度和电流有效值下，双极直流供电线路的传输功率与交流线路（功率因数为0.9）基本相同。在线路造价和走廊宽度相同时，直流线路传输功率是交流线路的1.5倍，所以采用直流供电时能够提高供电容量。

同时文献[10]指出，直流地下电缆比交流地下电缆输送容量大，因为直流电缆没有无功补偿的问题，可以实现中低压大容量传输。

1.3 功率损耗计算

文献[9]对LVDC和低压交流LVAC（low-voltage alternating current）配电中的功率损耗进行了简化计算，将交流供电中的电力电子接口由二极管整流电路代替，这在实际情况中是不可行的。需要在其基础上进行更加详细的分析和计算[12]。

1）线路损耗计算

对于单相负载，功率损耗可表示为

而三相交流负载，功率损耗表达式为

直流供电时，功率损耗表达式为

式中：P为负载消耗功率；Ur为相电压有效值；Udc=；r为线路单位阻值；L为线路长度。

将直流供电损耗分别与单相负载损耗和三相负载损耗相比，得

可见，交流系统中接单相负载时，无论功率因数的大小，损耗都比直流供电时大。而接三相交流负载时，只有在功率因数较低的情况下，直流供电才会比交流供电的损耗更小。所以有学者提出将现有三相电缆输送直流电，使用两条平行导线传输，另一条作为回路，将大大减小线路损耗值。

文献[13]中对普通高层建筑中的LVDC配电网络进行研究，得出直流配电系统配电线路的有功损耗较交流系统减少4.11%。文献[14]通过分析和仿真，发现在不同电压等级和线路参数的情况下，直流供电线损是相应交流系统的15%～50%。

2）变压器和转换器损耗

交流供电系统中，变压器会产生损耗，可通过变压器的短路电阻和输出电流计算。直流供电系统中，不同电压等级之间转换和整流变换都会产生损耗，可分为传导损耗和开关损耗[12]。

每相桥臂的传导损耗可表示为

式中：Irms为电流有效值；ron为绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）开通状态阻值；Uon为开通状态压降。

要计算开关损耗，需要知道IGBT在开通时的能耗Pon和关断时的能耗Poff以及二极管反向恢复开关能耗PRR，开关损耗与开关频率成比例，可表示为

式中：Inom为IGBT模块额定电流；fsw为开关频率。

文献[15]提出输电损耗只占整体损耗的一小部分，所以研究转换器损耗，提高转换器效率意义重大。文献[16]在计算不同负载转换器效率时，发现空调、电冰箱、LED等负载在直流供电时效率都要比交流供电时高3%左右。文献[13]研究表明DC/DC变换器的效率普遍高于AC/DC整流器效率，而且不同变换器的效率都随额定功率提升而提高，最终趋于一致。因此用大功率AC/DC整流器代替负载内部小功率整流器将减少电能损失。同时用相同功率的DC/DC变换器代替整流器，也会减少变换器损耗。通过对不同设备负载的效率分析，结果如表1所示。

表1 不同负载在直流供电下的效率提升Tab.1 Efficiency improvement of different loads under DC power supply

对整个LVDC和LVAC系统的功率损耗进行比较时，文献[16]得出采用光伏和燃气发动机热电联产供电且不采用任何储能的情况下，直流系统损耗比交流系统损耗低15%。文献[17]对10 kW住宅楼建模，分析得出采用直流供电系统可分别从输电角度和配电角度提高4.7%和1.5%的效率。

1.4 电能质量分析

LVDC供电时，负载侧电流纹波减小，电能质量提高，其原因有两点[18]。

（1）大多数设备内的AC/DC电路不起作用，只充当一个反向极性保护。

（2）由不同设备引起的纹波是不同步的，因此其没有像交流谐波电流被放大。因为交流环境中，谐波与基波电流是同步的，而在直流情况下，噪声是随机的。

文献[19]对荧光灯负载电流波形采取了两种改善措施：一是采用PFC电路；二是采用直流供电。实验结果表明，采用PFC电路后，电流仍包含低次谐波，而直流供电下的负载电流几乎恒定，交流端电流近似正弦波形，电能质量较高。

1.5 供电可靠性比较

配电系统可靠性对于保障用户稳定用电具有重要意义[20]，对于敏感性负载，为了防止失电带来的损失，传统交流供电方式下通常对其采用不间断电源UPS（uninterruptible power supply）供电。UPS可以保护负载不受电网电压突变和短时间断电的影响，其损耗在5%～10%左右。

在LVDC系统中，电池组及后备储能装置可以不通过变换器直接与直流母线相连，在电网故障时向低功耗敏感性负载供电[19]。测试表明，相比利用UPS而言，采用直流供电的解决方案只需一个变换器，不仅缩减了系统的构建成本，而且大大减少了系统损耗。

2 LVDC系统负载兼容性分析

2.1 负载分类及用电特点

根据负载内部结构特点，负载一般可分成如下几类[18，21]。

（1）阻性负载分为阻性电热负载和白炽光源负载。纯电阻加热器利用电流热效应实现加热，可直接运行在直流模式下。白炽光源负载是传统的光源负载，可等效为纯电阻模型，可以使用直流供电，但是这些电灯泡容易受过电压的影响，缩短寿命。所以直流供电情况下不能超过交流供电电压的有效值。

（2）旋转电机负载分为通用型电机和感应电机。吹风机、吸尘器、食品搅拌机中一般是通用型电机，在直流和交流条件下均可工作。较大功率负载如电冰箱和洗衣机中，通常使用感应电机，通过交流供电，在直流供电下需要增加逆变器的成本。但一些可调速负载内部的变频器是将电网供电的工频交流电源变为适用于交流电机调速用的电压可变、频率可变的变流装置，可以通过直流控制。

（3）电力电子负载分为开关电源SMPS（switchedmode power supply）负载和荧光灯负载。SMPS负载可通过交流和直流供电，配备典型SMPS单元，保持内部电压不变。SMPS工作电压范围较大，通常在100～240 V/50～60 Hz，实际上可以达到85～380 V/47～63 Hz，直流工作电压与交流相同。荧光灯负载内部含有电子镇流器，通常情况下的直流供电电压可以达到300 V，比相应的交流供电电压要高一些。使用电子镇流器时，荧光灯最终都会运行在直流模式下。

目前主要的研究方向是将LVDC供电方式应用在工业园区[22]、商业楼宇[9，19]、住宅[21]、电动车充电站等领域。由于应用领域不同，通常负载的用电特点也不尽相同。

（1）工业园区。传统工业园区通常耗电量多、规模大，供电电压等级较高，负载用电等级通常可以达到10 kV。旋转电机类负载占比重大，敏感型电力电子负载较多，一般需要高可靠性供电[22]。一些新能源发电园区，如海上风电场电压等级可以达到300 kV[23]。

（2）商业楼宇。一些写字楼、银行和数据中心的计算机系统必须运行在“24-7”的原则下，即每星期7天24小时不间断运行，并且不能受到电网突变和断电的影响[19]，需要较高的供电可靠性。同时电力电子类负载如计算机、荧光灯等占了商业楼宇负载中的较大比例，供电电压等级在750 V左右。

（3）住宅。出于安全考虑，应用于住宅地直流供电电压等级通常在400 V左右[23]。住宅中负载类型比较多样，功率较小，对供电可靠性要求并不高。

2.2 负载兼容性分析

2.2.1 非电力电子类负载兼容性

纯电阻加热器和通用电机类负载都可以运行在交直流两种情况下，但实际情况下用户需要调节负载不同档位，实现不同功能。

以通用电机类负载为例，通常需要调节不同转速以实现不同功能。运行在交流情况下通过改变磁场绕组来控制速度，同时需要铁芯片减少涡流损耗、补偿绕组降低电枢反应的影响等。若运行在直流下，则无需以上步骤，可通过斩波电路中改变占空比实现速度控制[24]。

内部搭载变频器的电机类负载，如变频空调，其内部电机虽然不能通过直流供电，但可通过直流控制其变频环节，将AC-DC-AC变换简化为DC-AC变换，具有可行性。另外由于直流无刷电机与感应电机相比，具有效率高、适应性强、控制简单等优点，在电机类负载如空调、电冰箱、洗衣机等中都具有广泛的应用前景，在直流供电下也无需考虑兼容性问题。

2.2.2 电力电子类负载兼容性

对SMPS负载交流供电时，首先进行整流，然后经输入电容器滤波，PFC进行功率校正，产生输入直流电。输入电容通常较大，目的是在电源周期性下降的情况下能够保持供电稳定性。由于隔离变压器和整流桥的存在，开关电源的整体效率降低。

直流供电情况下，无需整流和PFC模块，某些隔离模块也可省去。可见负载运行在直流时无需过度改装，并且负载内部结构的简易程度大大提高，原整流器的附加损耗也可忽略。交流和直流供电情况下SMPS负载的交流和直流供电结构如图1所示。

图1 SMPS负载的交流和直流供电结构Fig.1 Block diagram of AC and DC powered SMPS load

电磁炉虽然是电热负载之一，但利用的是电磁感应原理，其内部控制原理与SMPS负载相似。若重新设计运行在直流供电下，则无需整流器和PFC模块，直流母线电压的纹波更小，从而减少了组件的数量，提高了整体效率。文献[25]给出了运行在直流情况下电磁炉的详细设计，包括谐振回路、功率变换器、电磁兼容EMC（electromagnetic compati⁃bility）滤波器和控制部分。结果表明，直流供电可避免电容和感应负载的非线性行为所导致的电流失真，同时能够获得更好的动态特性。

荧光灯负载工作原理基本与SMPS负载基本相同，所以运行在直流情况下所需的改装也相似。许多现代电气设备无需改装即可工作在直流和交流情况下，因为在直流情况下，整流器被自动旁路了[18]，如飞利浦系列荧光灯镇流器，只需在灯具中安装外部保险丝，可以直接通过直流供电。

2.3 负载兼容性注意要点

考虑到负载虽然能够直接运行或稍加改装后运行在直流供电下，仍需考虑如下问题。

1）极性问题

与交流供电相比，负载在直流供电下的一处不同点是，用户必须分辨系统的极性，以正确的方向接电。对于解决极性问题的研究，现有文献有改变插头的形状的方法[26-27]，也有学者提出输入极性校正电路，能够在接电瞬间自动校正极性。采用MOSFET或继电器的极性校正电路比常用的二极管桥式电路的损耗小，并且考虑到MOSFET校正电路对直流电弧有更好的抑制作用，所以建议在直流负载内部嵌入MOSFET极性校正电路[28]。

2）直流电弧

电弧是一种气体放电现象，是电流流经一些绝缘介质（如空气）产生的瞬间火花现象。较高电压等级的直流供电系统在插头拔出时可能会出现电弧，电弧现象会导致触电，严重损坏电子设备，若空气中含有可燃气体微粒，则可能导致火灾或爆炸。

电弧现象是由于电流通道突然切断而产生的，在电感性负载断开电源的情况下可能发生。直流电弧对直流配电系统的负面影响大于交流配电系统。交流电流在半周期时为0，不会产生电弧现象，但直流电压在断开前是恒定不变，电流也不会为0，可在负载插头内部放置二极管以消除电弧现象[29]。二极管反向连接在正负极之间，与续流二极管功能类似，电感反向电流通过二极管，可以减少电弧现象。

3）电火花现象

强电场在空气中形成电离导电通道会产生电火花现象，通常发生在插头接入直流电源时。与电弧现象一样，也会对用户和设备产生危害。

电火花现象的出现是由于空气中存在电势差，在电容性负载接入电源的情况下可能发生。许多负载含有功率变换模块，如DC-DC变换器等，可以看成电容性负载。电源接入情况下，由于电源和负载存在电势差，会产生电火花现象。而电源断开情况下，源荷电势平衡，不会产生电火花现象。

负载内置初始充电电路可减少电火花现象的发生[29]，其作用是在电源接入时限制浪涌电流，在电容充满电时，利用磁接触器创建新的电流路径。初始充电电路广泛应用在交流系统中，实践证明，同样可以应用在直流配电系统中。

4）其他问题[18]

（1）设备内部组件不能承受过大电压范围，如一些内部电感在低压输入时不能承受过电流，内部电容无法承受过电压。只有适当范围的直流供电电压，这些设备才能运行在正常状态。

（2）设备内部电路设计不能使用过大电压范围。这些设备通常工作在特定电压范围下，如前端使用Buck拓扑将交流电源转换成较小的电压水平，例如170 V，则不能接受低于170 V的直流电压输入。

（3）设备输出电压取决于输入电压等级。如电阻类负载或内部包含不受控AC/DC变换器。由于输出电压规定在一定范围内，其输入电压范围也较小，如LED等。尽管直流情况下这些设备能够工作，但输出电压通常不满足要求。

3 LVDC系统负载暂稳态模型

3.1 负载稳态模型

根据IEEE.Std.399[30]，负载可归类为恒电阻CR（constant resistance）模型，恒电流源CC（constant current）模型，恒功率CP（constant power）模型或者上述几种的组合形式。稳态工况下，负载功率PL与电压U的关系可表示为

式中，ACR、ACC、ACP分别为CR、CC和CP系数。该模型常称为ZIP模型。

文献[31]通过可调直流电压源供电，测试不同负载在稳态状态下的运行特性，以及快速电压跳变状态下测试负载的暂态运行特性，并对负载进行稳态和暂态建模。其中，负载稳态模型可分别表示。

（1）阻性负载。阻性负载分为阻性电热负载和白炽光源负载。

稳态响应的测试结果表明，所有阻性电热负载的电阻均为恒定值，即可等效为恒电阻模型，可表示为

式中：R0为20℃时的电阻；ρ、l、s分别为负载电阻的电阻率、长度和截面积；ρ0为20℃时的电阻率。

白炽光源负载的电阻是随电流大小而变化的，即与温度相关，其电阻可表示为

式中，β为电流系数。

（2）旋转电机负载。通用电机的稳态工作电流可以表示为

式中：Ua为通用电机的稳态工作电压；Req为等效电阻；Φ为定子每极磁通量；ωr为转子转速；常数Ka取决于电机自身构造。

根据式（13）和实际稳态测量可将交直流两用电机等效成一个可变电流源，即

式中：Y0为初始状态电导测量值；I0为初始状态电流测量值。

（3）电力电子负载。电力电子负载可分为SMPS负载和荧光灯负载。

SMPS负载内部使用的DC/DC变换器保持内部电压不变，所以无论负载电压大小，都会消耗相同的功率，与恒功率负载相类似，其稳态模型通过可控电阻实现，可表示为

式中，恒定功率P0可通过测量得到。

荧光灯负载中含有高频镇流器，一些高频镇流器可以在供电电压变化的情况下保持恒亮度输出，另一些设计用作可调节亮度的荧光管。不同荧光灯的稳态响应表明，有些高频电子镇流器可等效成恒功率模型R=U2/P0，而另一些高频电子镇流器在较高电压范围下可等效成恒功率模型，在较低电压范围下可等效成恒电流源模型R=U/I0。

3.2 负载暂态模型

实验使用短暂电压突变模拟短路时电压暂态，观察负载的暂态行为，分别得出以下结论[31]。

1）阻性负载

阻性电热负载的电压突变会引起等比例的电流突变，与电压突变的幅值无关，所以暂态模型与稳态模型相同，为R=R0。

白炽照明电压突变时负载电阻不突变，电流与电压成比例变化，然后电流开始增加，负载电阻减小。暂态过程中，其阻值可以表示为

式中：Δt为仿真步长；τ为时间常数，时间常数与额定功率有关；k为当前仿真步数；R(k)为仿真第k步时的稳态电阻；为仿真第k步时的暂态电阻。

2）旋转电机负载

通用电机的暂态响应分为两个步骤：快速的电暂态响应和慢速的机械暂态响应（响应时间是电暂态的100倍）。从响应结果可以得出，通用电机响应特性与可变电阻串联电感相类似[30]。

3）电力电子负载

SMPS的暂态响应结果表明，供电电压突降时，负载电流突变为0，一段时间的中断后开始增加至新的稳态值[32]。电力电子负载暂态模型如图2所示，包括二极管整流桥，RCL元件组成的滤波器和稳态负载模型，RCL参数可由测量得到。当供电电压低于电容电压时，二极管截断负载电流，负载从电容吸收电能。当电容器电压与供电电压相同时，负载电流增加至新的稳态值。

图2 电力电子负载暂态模型Fig.2 Transient model of power electronic load

带高频镇流器的荧光灯负载的暂态响应比较复杂，因控制电路和自身特性的不同而异。有些荧光灯负载也可以用图2表示，前提是要知道暂态过程的时间常数，其他荧光灯负载只能通过带阻尼振荡的二阶系统的纯数学模型表征。

3.3 综合负载模型

目前，电力系统稳定计算通常采用稳态工况下ZIP模型与动态电动机模型按照一定比例组合的综合负载模型。综合负载模型采用的电动机模型通常是三阶感应电动机模型。有学者在经典综合负载模型基础上还考虑了配电网等值阻抗和配电网无功补偿装置，弥补了经典模型的不足，更加方便地模拟包括配电网、无功补偿系统和有发电机接入低压电网的供电系统[33]。该模型在直流配电网络的适用性，有待进一步研究。

4 结语

本文通过对比LVDC供电系统和LVAC供电系统负载侧的用电效率、电能质量及可靠性，并分析LVDC系统对现有负载的兼容性，负载在LVDC系统下的运行特点和负载模型建立等方面，可以得出含分布式能源的LVDC系统较LVAC系统在节能、供电质量及可靠性方面更具优越性。现有负载在LVDC系统供电下效率更高，并且具有良好的兼容性。目前，LVDC供电系统仍未得到广泛引用，现有负载的直流化设计也未得到广泛的推进，但由于LVDC系统具有较广阔的应用前景，本文旨在为现有负载采用LVDC供电提供可行性分析。直流负载保护方式、电气安全等一些技术性的问题需要在今后的应用中展开进一步的研究。