极速飚摩托
范文一：一种低压直流LED照明分级供电系统
第８卷第２期深圳信息职业技术学院学报
Ｖ０１．８Ｎｏ．２
２０１０年６月
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｚｈｅｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｊｕｎ．２０ｌＯ
文章编号：１６７２—６３３２（２０１０）０２却０７３－０３【信息技术应用研究】
一种低压直流ＬＥＤ照明分级供电系统
刘孑Ｊ、东
（深圳信息职业技术学院科研设备处，深圳５１８０２９）
摘要：随着半导体照明技术的快速发展，ＬＥＤ照明已得到广泛的应用。本文提出一种采用低压直流分级的供电
方式，系统集中提供ＡＣ／ＤＣ的转换，而对单个的ＬＥＤ照明单元直接通过ＤＣ直流供电驱动。本系统因其具有高效率、低成本、高可靠性等特点，可在家庭、小区以及今后城市供电中进行推广、应用。
关键词：ＬＥＤ照明；低压直流供电；分级驱动
中图分类号：ＴＭ３
文献标识码：Ａ
随着半导体照明技术的发展，ＬＥＤ作为新型的此电路的缺点是效率不高，因为是隔离的结
照明器件，具有安全、环保、高效、节能和使用果，考虑到成本的原因，效率一般只能在８７％以下
寿命长等特性，在全球范围内得到广泛应用Ｉｌ。７】。（≤２０ｖＯ。输出的纹波电压比较高，需要大容量的
ＬＥＤ照明和传统的白炽灯照明系统，在驱动上有明。
输出ＤＣ电容才可以吸收工频的纹波。为了得到高
显的差别，它是超低功耗直流驱动。单节发光ＬＥＤ的功率因数，在输入不能并联电解电容，因此对输的最大直流压降是３．６Ｖ，而且采用恒流供电方式是入ＩＥＣ一６１０００—４＿５定义的浪涌的抑制比较差。
比较理想的ＬＥＤ供电方式，它能避免ＬＥＤ正向电压的改变而引起电流波动，同时恒定的电流使ＬＥＤ的
２两级驱动
亮度更稳定。因此每个独立的ＬＥＤ照明单元都需要单级驱动的缺点，可以通过在两级转换来解独立的ＬＥＤ驱动电路。在一个家庭或者一个住宅小决。如图２所示，第一级专门实现ＰＦＣ控制，第二区，可以实行集中的低压直流供电，让ＬＥＤ照明推
级专门实现ＤＣ／ＤＣ的恒流输出控制。实际上大功广更方便、高效和安全。
率的ＬＥＤ照明系统也都是两级驱动的。
但是相应
１单级ＰＦＣ驱动电路
的，整体的效率更低，器件更多，成本更高。
如下是一通用的单级功率因数矫正（ＰＦＣ）电路。它实现了隔离的ＡＣ到ＤＣ的转换，并能将功率
因数控制在９０％以上。
图２两级ＬＥＤ驱动框图
Ｆｉｇ．２Ｔｗｏ—ｓｔａｇｅ
ＬＥＤｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ
３分级驱动
为了解决上述矛盾，一种折中而优化的方案是图ｌ单级的ＰＦＣＬＥＤ驱动电路框图
Ｆｉｇ．１Ｓｉｎｇｌｅ—ｓｔａｇｅＰＦＣＬＥＤｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ
采用低压直流分级的供电方式（见图３）。此种方式
【收稿日期】２０１０－０３－－０１
【作者简介】刘孙东（１９７２－），男（汉），湖南邵阳人，实验师。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｓｄ＠ａｚｉｉｔ．咖．ｅｎ
７４
深圳信息职业技术学院学报第８卷
集中提供ＡＣ／ＤＣ的转换，而对单个的ＬＥＤ照明单元直接通过ＤＣ直流供电驱动。ＡＣ／ＤＣ的转换，从效率和单
位瓦数的成本上来考虑，最好是在ｌＫｗ以上，考虑到通用的电讯系统，输出的直流电压也应该设定在４８Ｖ。大功率的转换器，可以由多个模块并联构成。
（２）低成本：ＡＣ／ＤＣ的转换器由小区／楼宇，房屋中央供电。小功率的非隔离的ＤＣ／ＤＣ转换器不需要全波整流，浪涌抑制，ＰＦＣ控制，器件数目比较少，它的成本比小功率的ＡＣ／ＤＣ低得多。因
为没有隔离的要求，反馈电路和保护电路更容易设计。２０Ｗ以下，ＤＣ／ＤＣ的电源成本只有ＡＣ／ＤＣ成本
的５０％左右。另外一个和成本相关的是配套设施的选择，比如电源线的选择，旧的ＡＣ电源线可以直
接保留给ＤＣ照明系统使用，但是新建的照明系统的设计，安全电压（ＳＥＬＶ）下的ＤＣ供电所需要
图３分级供电框图
Ｆｉｇ．３Ｓｐｌｉｔ－ｓｔａｇｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ
的电源线不需要加强的绝缘而大幅度降低成本，某
些应用中可使用单线供电。相应的线管和开关的选
８
根据上述的方案，设计了交流输入转４Ｖ直
择都要便利容易的多。因为可以将电池直接并联到
流总线的电路原理框图（见图４），集中提供４８Ｖ直流总线；然后设计了基于ＬＴ３５９０的４８Ｖ输入ＬＥＤ
直流驱动原理框图（见图５）。
ＤＣ总线上，不需要逆变的ＵＰＳ电路，因此备份系统
的成本大大节约。
（３）高可靠性：较少的器件数目，非隔离的结构，更高的效率而相应的低器件工作温度，很明
显能得到更高的可靠性。直流Ｂ
ｕｃ
Ｋ电路不需要
很大的电解电容，可以显著的提高产品的寿命，集中的ＡＣ／ＤＣ转换器，可以通过多模块的冗余并联来提高系统的可靠性。因为可以将电池直接并联到ＤＣ总线上，备份系统的可靠性也得到最显著的提高。
（４）安全性和安规：安全电压（ＳＥＬＶ）消除了对人身的安全威胁，为照明的工艺性设计提供
图４交流输Ａｊｆｆ）－４８Ｖ直流总线的电路框图
Ｆｉｇ．４ＣｉｒｃｕｉｔｆｒｏｍＡＣ
ｔｏ
ＤＣ４８Ｖ
更多的选择。相比于单个的照明产品，在安规认证
（比女１１ＵＬ８７５０）上面的费用也大大降低，时间可
以缩短。
（５）其他的优点：提供直流的供电端口，不仅仅可以提供给直流照明用，而且可以给别的设备供电，比如，液晶电视、充电器、监控等数字系
统，网络供电（ＰＯＥ）。
４实验结果
ｌｉｌ５４８Ｖ输入Ｌ
Ｅ
Ｄ直接驱动电路框图
根据上述的设计理念，在一个２００平方米的实验室里给家庭中常用的顶灯、嵌灯、橱柜灯、台灯及床头装饰灯等７台不同的ＬＥＤ灯提供低压４８Ｖ直
ｗｉｔｈＤＣ４８Ｖ
Ｆｉｇ．５ＬＥＤｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ
这种低压直流ＬＥＤ分级供电有比较明显的优
点：
（１）高效率：大功率的ＡＣ／ＤＣ转换器可以实
流供电，设计了一个ＬＥＤ照明的直流低压配电箱。直流配电箱采用了安森美半导体芯片ＮＣＰｌ６０７ＰＦＣ
的ＡＣ—ＤＣ以及芯片ＮＣＰ３０６５／６的ＤＣ—ＤＣ，集中提供４８Ｖ总线直流电压。ＬＥＤ直流驱动采用凌力尔特芯片ＬＴ３５９０降压型白光ＬＥＤ驱动，为Ｌ
Ｅ
现９３％的整体效率（最高可以达到９７％）。非隔离
的ＢＵＣＫＤＣ／ＤＣ转换器，效率可以轻易达到９６％的
效率。整体的系统效率可以达到８９％。Ｄ的正常工
第２期
刘孙东：一种低压直流ＬＥＤ照明分级供电系统
７５
作提供ｌ００ｍＡ。２
Ａ的稳定工作电流和直流电
【２】张喜成．ＬＥＤ直流驱动电路设计新方法【Ｊ】．中国照明电
压范围为４—４８Ｖ稳定工作电压，且中间每４Ｖ设
器，２００９，（１）：３３—３４．
一挡，保证Ｌ
Ｅ
Ｄ能正常可靠地工作，更好的对Ｌ
ＺＨＡＮＧＸｉｃｈｅｎｇ．Ａ
ｎｅｗ
ｍｅｔｈｏｄｆｏｒＬＥＤＤＣｄｒｉｖｅｒ
ＥＤ光度进行调节，还可连接多路各种型号的ＬＥｃｉｒｃｕｉｔ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＬｉｇｈｔ＆Ｌｉｇｈｔｉｎｇ，２００９，（１）：３３－３４．（ｉｎＤ灯，对其进行集中供电。经过近三个月的跟踪测Ｃｈｉｎｅｓｅ）
试，在不同的温度和湿度环境下，最长工作时间达【３】詹俊，马小军．基于ＤＣ—ＤＣ的白光ＬＥＤ驱动电路的研究与
１２ｄｘ时的情况下，测试结果如下：
设计们．现代显示，２００８，１９（５）：５４－５７。
（１）在２４Ｖ系统中驱动７个串联的ＬＥＤ灯，能
ＺＨＥＮＪｕｎ，ＭＡＸｉａｏｊｕｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆｗｈｉｔｅ
效可达到９４％；
ＬＥＤ
ｄｒｉｖｅｒｂａｓｅｄ
Ｏｎ
ＤＣ／ＤＣ［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃｅｄ
Ｄｉｓｐｌａｙ，２００８，
（２）只发生过一次系统故障，系统故障率在
１９（５）：５４－５７．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
ｌ％以内，且采用的元器件相对较少，该系统具有
【４】程安宁，王晋，尚相荣．白光ＬＥＤ的ＰＷＭ驱动方式分析们．
较高的可靠性和稳定性；
电子设计工程。２０１０（２）：１０９—１１１．
（３）采用集中低压直流供电，相比于单个的ＣＨＥＮＧＡｎｎｉｎｇ，ＷＡＮＧＪｉｎ，ＳＨＡＮＧＸｉａｎｇｍｎｇ．Ａｎａｌｙｓｉｓ
供电系统，该系统节省成本下降一半；又因为提供ｏｆ
ＰＷＭ
ｄｒｉｖｅｒｍｏｄｅｆｏｒｗｈｉｔｅ
ＬＥＤ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
Ｄｅｓｉｇｎ
的是４—４８Ｖ电压，均在安全电压范围内，具有较高
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０（２）：１０９－１１１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
的安全性。
【５】吴霆．ＬＥＤ显示与驱动方法综述【Ｊ】．广东海洋大学学报，
２００７（４）：１０４－１０８．
５结论
ＷＵＴｍｇ．Ｓｔｌ唧０ｆｕ’Ｄｄｉ酬蚵ａＩｌｄ商、，ｉＩ唔赋岬Ｊｏｕｒｎａｌ
本文在分析单级和两级驱动电路的基础上，提０ｆ压肌ｊｉａＩｌｇ‰Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００７，（４）：１０４－１０８．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
出一种ＬＥＤ分级驱动电路。该电路具有高效率、低【６】罗静华．大功率ＬＥＤ智能化照明控制系统设计册．单片机
成本、高可靠性等特点，实验表明该分级驱动电路与嵌入系统应用，２０１０’（１）：５０－５６．
是有效的，可在家庭、小区以及今后城市供电中进
ＬｕｏＪｉｎｇｈｕＬＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌｉｇｈｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｈｉｇｈｐｏｗｅｒ
行推广、应用。
ＬＥＤＩＪ］．Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ＆ＥｍｂｅｄｄｅｄＳｙｓｔｅｍｓ，２０１０，
（１）：５０－５６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）
用吴金，刘桂芝，薛彦红．ＬＥＤ升压驱动电路系统的分析与设
【１】王大鹏，陈昌龙．新型白光ＬＥＤ驱动电路【Ｊ】．现代显示，
计们．电路与系统学报，２００８，（３）：６３－６７．
２００６，（６）：９８－１０１．
ＷＵＪｉｎ，ＬＩＵＧｕｉｚｈｉ，ＸＵＥＹａｎｈｏｎｇ．Ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｅｓｉｇｎ
ＷＡＮＧＤ日ｐ既ｌｇ’ＣＨＥＮＣｈａｎｆｌｏｎ昏Ｎｅｗｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒｗｈｉｔｅｏｆ
ａ
ｓｔｅｐｕｐＬＥＤｄｒｉｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｉｒｃｕｉｔｓａｎｄ
ＬＥＤ“Ｉ＇Ｉ．ＡｄｖａｎｃｅｄＤｉｓｐｌａｙ，２００６９（０：９８－ｍ１．∞Ｃｈｉｎｅｓｅ）
Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００８，（３）：６３－６７．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
Ａｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅＤＣＬＥＤｌｉｇｈｔｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ
ＬＩＵＳｕｎｄｏｎｇ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，ＳｈｅｎｚｈｅｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
Ｓｈｅｍｈｅｎ５１８０２９，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌｉｇｈｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＬＥＤｌｉｇｈｔｉｎｇｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄ．
Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｉｓｇｉｖｅｎ
Ｏｉｌ
ｈｏｗｔｏｄｅｓｉｇｎ
ａｎｅｗ
ｍｅｔｈｏｄｏｆｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅＤＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ
ｐｒｏｖｉｄｅｓｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄＡＣｌＤＣｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｆｏｒｉｎｄｉｖｉｄｕａｌＬＥＤｌｉｇｈｔｉｎｇｕｎｉｔｓｄｉｒｅｃｔｌｙｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＤＣｐｏｗｅｒｄｒｉｖｅｒ．Ｔｈｅ
ｓｙｓｔｅｍ
ｂｅａｓｔｓｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｌｏｗｃｏｓｔ，ｈｉ【ｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｂｒｏａｄｕｓａｇｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬＥＤｌｉｇｈｔｉｎｇ；ｌｏｗｖｏｌｔａｇｅＤＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｄｒｉｖｅｒ
【责任编辑：周学才】
一种低压直流LED照明分级供电系统
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
刘孙东， LIU Sundong
深圳信息职业技术学院科研设备处,深圳,518029
深圳信息职业技术学院学报
JOURNAL OF SHENZHEN INSTITUTE OF INFORMATION TECHNOLOGY2010,08(2)
参考文献(7条)
1. 王大鹏. 陈昌龙 新型白光LED驱动电路 2006(6)2. 张喜成 LED直流驱动电路设计新方法 2009(1)
3. 詹俊. 马小军 基于DC-DC的白光LED驱动电路的研究与设计 2008(5)4. 程安宁. 王晋. 尚相荣 白光LED的PWM驱动方式分析 2010(2)5. 吴霆 LED显示与驱动方法综述 2007(4)
6. 罗静华 大功率LED智能化照明控制系统设计 2010(1)
7. 吴金. 刘桂芝. 薛彦红 LED升压驱动电路系统的分析与设计 2008(3)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_szxxzyjsxyxb201002016.aspx
范文二：一种低压直流LED照明分级供电系统
一种低压直流LED照明分级供电系统 第8卷第2期
2010年6月
深圳信息职业技术学院
JournalofShenzhenInstituteofInformationTechnology
V01.8NO.2
Jun.2010
文章编号:1672—6332(2010)02—0073—03
【信息技术应用研究]
一
种低压直流LED照明分级供电系统
东 刘刊,
(深圳信息职业技术学院科研设备处,深圳518029)
摘要:随着半导体照明技术的快速发展,LED照明已得到广泛的应用.本文提出一种采用低压直流分级的供电
方式,系统集中提供AC/DC的转换,而对单个的LED照明单元直接通过DC直流供电驱动.本系统因其具有高效率,低
成本,高可靠性等特点,可在家庭,小区以及今后城市供电中进行推广,应用. 关键词:LED照明;低压直流供电;分级驱动
中图分类号:TM3文献标识码:A
随着半导体照明技术的发展,LED作为新型的
照明器件,具有安全,环保,高效,节能和使用
寿命长等特性,在全球范围内得到广泛应用一.
LED照明和传统的白炽灯照明系统,在驱动上有明
显的差别,它是超低功耗直流驱动.单节发光LED
的最大直流压降是3.6V,而且采用恒流供电方式是
比较理想的LED供电方式,它能避免LED正向电压
的改变而引起电流波动,同时恒定的电流使LED的 亮度更稳定.因此每个独立的LED照明单元都需要 独立的LED驱动电路.在一个家庭或者一个住宅小 区,可以实行集中的低压直流供电,让LED照明推 广更方便,高效和安全.
1单级PFC驱动电路
如下是一通用的单级功率因数矫正(PFC)电 路.它实现了隔离的AC~IJDC的转换,并能将功率 因数控制在90%以上.
r一,t——r———————广一g3vouT .
llL
——
.——L一一J
图1单69PFCLED驱动电路框图
Fig.1Single-stagePFCLEDdrivingcircuit
—01 [收稿日期】2010—03
【作者简介1刘孙东(1972一),男(汉),湖南邵阳人,实验师. 此电路的缺点是效率不高,因为是隔离的结 果,考虑到成本的原因,效率一般只能在87%以下 f?20W).输出的纹波电压比较高,需要大容量的 输出DC电容才可以吸收工频的纹波.为了得到高 的功率因数,在输入不能并联电解电容,因此对输 入IEC一61000—4—5定义的浪涌的抑制比较差. 2两级驱动
单级驱动的缺点,可以通过在两级转换来解 决.如图2所示,第一级专门实现PFC控制,第二 级专门实现DC/DC的恒流输出控制.实际上大功 率的LED照明系统也都是两级驱动的.但是相应
的,整体的效率更低,器件更多,成本更高.
图2两级LED驱动框图
Fig.2Two—stageLEDdrivingcircuit 3分级驱动
为了解决上述矛盾,一种折中而优化的方案是 采用低压直流分级的供电方式(见图3).此种方式 ]
74深圳信息职业技术学院第8卷
集中提供AC/DC的转换,而对单个的LED照明单元直 接通过DC直流供电驱动.AC/DC的转换,从效率和单 位瓦数的成本上来考虑,最好是在1KW以上,考虑 到通用的电讯系统,输出的直流电压也应该设定在 48V.大功率的转换器,可以由多个模块并联构成. 审井T'I48VDCBUST;抖
图3分级供电框图
Fig.3Split—stagepowersupply
设计了交流输入转48V直 根据上述的方案,
流总线的电路原理框图(见图4),集中提供48V 直流总线;然后设计了基于LT3590的48V输人LED 直流驱动原理框图(见图5).
图4交流输入转48V直流总线的电路框图 Fig.4CircuitfromACtoDC48V 48V输入
控制
图548V输入LED直接驱动电路框图
Fig.5LEDdrivingcircuitwithDC48V
这种低压直流LED分级供电有比较明显的优 点:
(1)高效率:大功率的AC/DC转换器可以实
现93%的整体效率(最高可以达~q97%).非隔离 的BUCKDC/DC转换器,效率可以轻易达到96%的 效率.整体的系统效率可以达到89%. (2)低成本:AC/DC的转换器由小区/楼宇 /房屋中央供电.小功率的非隔离的DC/DC转换器 不需要全波整流,浪涌抑制,PFC控制,器件数目 比较少,它的成本比小功率的AC/DC低得多.因 为没有隔离的要求,反馈电路和保护电路更容易设 计.20W以下,DC/DC的电源成本只有AC/DC成本 的50%左右.另外一个和成本相关的是配套设施的 选择,比如电源线的选择,旧的AC电源线可以直 接保留给Dc照明系统使用,但是新建的照明系统 的设计,安全电压(SELV)下的DC供电所需要 的电源线不需要加强的绝缘而大幅度降低成本,某 些应用中可使用单线供电.相应的线管和开关的选 择都要便利容易的多.因为可以将电池直接并联到 DC总线上,不需要逆变的UPS电路,因此备份系统 的成本大大节约.
(3)高可靠性:较少的器件数目,非隔离的
结构,更高的效率而相应的低器件工作温度,很明 显能得到更高的可靠性.直流BucK电路不需要 很大的电解电容,可以显着的提高产品的寿命,集 中的AC/DC转换器,可以通过多模块的冗余并联来 提高系统的可靠性.因为可以将电池直接并联~lJDC 总线上,备份系统的可靠性也得到最显着的提高. (4)安全性和安规:安全电压(SELV)消除
了对人身的安全威胁,为照明的工艺性设计提供 更多的选择.相比于单个的照明产品,在安规认证 (比如UL8750)上面的费用也大大降低,时间可
以缩短.
(5)其他的优点:提供直流的供电端口,不仅 仅可以提供给直流照明用,而且可以给别的设备 供电,比如,液晶电视,充电器,监控等数字系 统,网络供电(POE).
4实验结果
根据上述的设计理念,在一个200平方米的实 验室里给家庭中常用的顶灯,嵌灯,橱柜灯,台 灯及床头装饰灯等7台不同的LED灯提供低压48V直 流供电,设计了一个LED照明的直流低压配电箱. 直流配电箱采用了安森美半导体芯片NCP1607PFC
的AC—DC以及芯片NCP3065/6的DC—DC,集中提供 48V总线直流电压.LED直流驱动采用凌力尔特芯 片LT3590降压型白光LED驱动,为LED的正常工 第2期刘孙东:一种低压直流LED照明分级供电系统75 作提供100mA,2A的稳定工作电流和直流电
,48V稳定工作电压,且中间每4v设 压范围为4
一
挡,保证LED能正常可靠地工作,更好的对L ED光度进行调节,还可连接多路各种型号的LE D灯,对其进行集中供电.经过近j个月的跟踪测 试,在不同的温度和湿度环境下,最长工作时间达 12/b时的情况下,测试结果如下:
(1)在24V系统中驱动7个串联的LED灯,能 效可达到94%;
(2)只发生过一次系统故障,系统故障率在 1%以内,且采用的元器件相对较少,该系统具有 较高的可靠性和稳定性;
(3)采用集中低压直流供电,相比于单个的
供电系统,该系统节省成本下降一半;又因为提供
的是4—48V电压,均在安全电压范围内,具有较高
的安全性.
5结论
本文在分析单级和两级驱动电路的基础上,提
出一种LED分级驱动电路.该电路具有高效率,低
成本,高可靠性等特点,实验表明该分级驱动电路
是有效的,可在家庭,小区以及今后城市供电中进
行推广,应用.
参考文献(References)
[1】王大鹏,陈昌龙.新型白光LED驱动电路IJ1.现代显示,
2006,(6):98-101.
WANGDapeng,CHENChanglong.Newdrivingcircuitforwhite LEDs[J].AdvancedDisplay,2006,(6):98-101.(inChinese) [2】张喜成.LED直流驱动电路设计新方法[J1_中国照明电
器,2009,(1):33—34.
ZHANGXicheng.AnewmethodforLEDDCdriver circuit[J].ChinaLight&Lighting,2009,(1):33—34.(in
Chinese)
[3]詹俊,马小军.基于Dc—DC的白光LED驱动电路的研究与
设计[J1.现代显示,2008,19(5):54—57.
ZHENJun,MAXiaojnn.Researchanddesignofwhite LEDdriverbasedonDC/DC[J].AdvancedDisplay,2008, 19(5):54-57.(inChinese)
[4]程安宁,王晋,尚相荣.白光LED的PwM驱动方式分析『Jl_
电子设计工程,2010(2):109—111.
CHENGAnning,WANGJin,SHANGXiangrong.Analysis ofPWMdrivermodeforwhiteLED[J].ElectronicDesign Engineering,2010(2):109-111.(inChinese)
【5】吴霆.LED显示与驱动方法综述[J].广东海洋大学,
2007(4):104—108.
WUTing.SummaryofLEDdisplayanddrivingmethod[J].Journal ofZhanjiangOceanUniversity,2007,(4):104—108.(inChinese)
[6】罗静华.大功率LED智能化照明控制系统设计【JJ.单片机
与嵌入系统应用,2010,(1):50—56.
LuoJinghua.Intelligentlightingsystembasedonhighpower LED[J].Microcontrollers&EmbeddedSystems.2010
(1):50—56.(inChinese)
[7]吴金,刘桂芝,薛彦红.LED升压驱动电路系统的分析与设
计[JJ.电路与系统,2008,(3):63—67.
WUJin,LIUGuizhi,XUEYanhong.Analysisanddesign
ofastepupLEDdrivingsystem[J].JournalofCircuitsand
Systems,2008,(3):63—67.(inChinese)
Ahierarchicallow-voltageDCLEDlightingpowersupplysystem LIUSundong
(DepartmentofScientificResearchandEquipment,ShenzhenInstituteofInformationTechnology,
Shenzhen518029,P.R.China)
Abstract:Withtherapiddevelopmentofsemiconductorlightingtechnology,LEDlightinghasbeenwidelyused.
Introductionisgivenonhowtodesignanewmethodofhierarchicallow-vohageDCpowersupplysystem,which
providescentralizedAC/DCconversionforindividualLEDlightingunitsdirectlythroughth
eDCpowerdriver.The
systemboastshighefficiency,lowcost,highreliabilityandbroadusage. Keywords:LEDlighting;lowvoltageDCpowersupply;classificationdriver 【责任编辑:周学才】
范文三：低压直流供电系统研究综述_雍静
DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2013.07.011
42 第33卷 第7期 2013年3月5日 中 国 电 机 工 程 学 报
Proceedings of the CSEE V ol.33 No.7 Mar.5, 2013 ?2013 Chin.Soc.for Elec.Eng.
(2013) 07-0042-11 中图分类号：TM 72 文献标志码：A 学科分类号：470·40 文章编号：0258-8013
低压直流供电系统研究综述
雍静，徐欣，曾礼强，李露露
(输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) ，重庆市 沙坪坝区 400030)
A Review of Low Voltage DC Power Distribution System
YONG Jing, XU Xin, ZENG Liqiang, LI Lulu
(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology (Chongqing University),
Shapingba District, Chongqing 400030, China)
ABSTRACT: As the proliferations of distributed generation
and power electronic equipment in low voltage systems, the advantages of low-voltage direct current (LVDC) power distribution systems emerged and attracted more and more researchers’ attentions. The existing literatures about system structures, compatibility and the model of the load, power quality and power supply reliability, system protection and controlling, energy-saving evaluation for LVDC show that LVDC systems are available to supply most of loads designed for low voltage AC (LVAC) systems, and can control transient process effectively to keep the supply continuity. Especially in the LVDC system including distributed generation devices (such as solar, wind power, fuel cells), LVDC systems have enormous potential in energy saving, enhancing supply reliability and power quality, simplifying system structure in comparison with LVAC systems. This paper also presents the issues that need more research works and discussions.
KEY WORDS: low-voltage direct current (LVDC) power distribution system; load model; power loss; protection and control
摘要：随着分布式发电装置和电力电子设备在低压配电系统的广泛应用，采用直流供电方式的低压系统又显现出优越性，并引起学者的关注。迄今为止，学者们对低压直流系统的系统结构、负荷的兼容性、负荷模型、电能质量与可靠性、保护和控制、节能型评估等方面进行的初步研究表明：低压直流供电系统可以兼容目前大部分的低压负荷，可以对暂态过程进行有效的控制，并提高供电的连续性；特别是在具有分布式发电装置(如太阳能电池、风力发电、燃料电池) 的低压系统中，低压直流(low voltage direct current，LVDC) 供电系统在降低系统电能损耗、增强供电连续性和可靠性、提高电能质量方面，与交流系统相比，具有优越性，并且系统结构得以简化。同时，该文提出并讨论了低压直流系统需要进
基金项目：中央高校基本科研业务费资助(CDJZR11150003)。 Project Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (CDJZR11150003).
一步研究的问题。
关键词：低压直流供电系统；负荷模型；电能损耗；保护与
控制
0 引言
19世纪末，交流系统以其能方便地进行电压变换等优势取代了直流系统，成为供电系统的主流存在至今。但近年来，电源和负载的组成都有了明显的变化。从负载来看，随着电力电子技术的发展，大量低压用电设备都经过整流装置将交流电变换成直流电供给负载使用，如电脑、液晶电视、电子镇流器荧光灯、打印机等办公设备、变频调速空调、洗衣机、冰箱等家电，这种电能变换方式导致大量谐波电流注入系统，严重影响电能质量。为此，许多负载不得不配备功率因数补偿电路(power factor correction ，PFC) ，增加设备额外投入。同时，一些绿色分布式能源，如太阳能电池和燃料电池等，直接提供直流电，为与交流系统并网，必须进行DC/AC变换。即便如此，有时也很难满足交流电网苛刻的并网条件。其他绿色能源如燃气涡轮发电机、小型水电和风电产生频率各异的交流电，需要对其进行整流再逆变，满足并网条件后方可并入交流系统。这不仅增加技术难度，还因增加诸多交直流变换环节而增加投资，也给系统可靠性造成影响。鉴于此，学者们提出重新审视和研究低压直流供电系统在常规供电领域使用的可行性[1-6]。
直流供电在有分布式电源接入和大量开关电源类负载的供电系统中显现出诸多优势：
1）减少电能变换环节，降低损耗[2,7-8]。若使用合理电压等级的直流电源向开关电源类负载、变频调速类负载以及电子镇流器光源等负载供电，相应
第7期 雍静等：低压直流供电系统研究综述 43
的整流电路和PFC 电路都可省去，同时还能降低能耗和提高电能质量。金融、电信等部门往往存在大量敏感负载，对供电可靠性要求也非常高，一般采用不间断电源(uninterruptible power system，UPS) 来保证该类负荷的供电连续性。UPS 电源由整流器、电池组和逆变器构成，而在LVDC 系统中，电池组可以直接连接到直流母线上而不使用变流装置，可减少成本及能量损失。
2）降低线路损耗[8]：直流系统只存在电阻损耗，因此整个供电系统的损耗将有望大幅度降低。
3）提高电能质量[9]：将大容量可控AC/DC 变换器作为直流电源，采用适当的控制策略，可以有效提高直流系统的供电连续性和电能质量。
事实上，直流供电方式已经在通信系统[10]、电动汽车和混合动力汽车[11]、船用供电系统[12-13]、列车牵引系统和高压直流输电系统[14]中得到成功应用，在充分研究和解决低压直流系统在常规领域应用中的问题后，LVDC 系统在更大范围取代交流系统是可望实现的。国际电工委员会(IEC)也已将建立低压直流供电系统相关标准的工作提上议事日程。
目前学者们的研究已经广泛涉及到低压直流系统结构，负荷模型建立，LVDC 系统电能质量和可靠性分析，故障和暂态过程分析、系统保护和控制以及LVDC 节能效益分析等方面[1-9,14-21]。低压直流供电系统应用前景较大，很有研究价值，论文将针对上述几方面研究成果和存在的问题进行综述，并与现行低压交流(low voltage alternating current，LV AC) 系统进行分析比较，为后续的研究和应用提供了参考。
图1 LVDC系统结构图
Fig. 1 Layout of the LVDC distribution system
由两个电压源型整流器(voltage source rectifier，VSR) 并联构成，其中一个为备用，以提高系统可靠性，并方便系统在孤岛模式下工作。这两个VSR 均配备绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor ，IGBT) 并采用脉宽调制控制，对直流电网电压进行调整并维持在需要的电压水平[5,9,22-23]，同时降低谐波向交流系统的注入。
分布式电源在变电站集中接入。其中分布式交流发电设备(微型水力发电机、风力发电机等) 通过采用直接电流控制的VSR 实现与直流系统的接入，该方式与压控方式相比有控制稳定性好和易于实现等优势。电能储存装置通过双向斩波器接入，以保证用户在短时停电时的供电连续性。柴油发电机组用于电网较长时间停电时保证直流系统的供电连续性，通过高可靠性的二极管整流桥接入，可防止直流系统孤岛运行时，直流侧功率倒送柴油发电机。直流发电设备(如太阳能电池等) 则通过升压变换器接入，双向变换器使得在直流网络轻载时，分布式发电设备的多余能量可回馈交流电网。LVDC 系统孤岛运行时，由分布式发电设备和柴油发电机组对直流网络提供电能。
图1所示LVDC 系统结构对于商业和公共建筑用户是可行的。对于住宅建筑，由于每户住宅需要不同电压等级或同时需要DC 和AC 电源，且考虑计量问题，LVDC 系统可变为图2所示结构。区别是：分布式电源仍然在变电站集中接入，但DC/DC和DC/AC变换器分布在各个住宅内部以满足不同用电设备对电压性质和电压等级的要求[19,23-25]。
有学者提出进一步将DC 系统扩展到中压的方案[26]，如图3所示。在中压侧使用AC/DC变换器将交流变换成中压直流系统后再通过高功率
1 LVDC系统结构
为保证供电可靠性和充分利用绿色能源，分布式发电和储能系统必将大量接入低压供电系统，具有分布式发电机和电能存储系统的LVDC 系统应当满足以下要求[21]：1）在接入电网和孤岛状态下都能稳定运行；2）保证良好的电压质量和供电连续性；3）具有良好的可扩展性，以便在增加新的负载和电源时，不必改动总体控制策略；4）电气安全满足现行规范和标准要求。
合理的系统结构和保护控制方式是满足上述要求的前提。对此，文献[9,19,22]提出了LVDC 系统结构，如图1所示。
系统由变压器提供低压交流电源，AC/DC装置
44 中 国 电 机 工 程 学 报 第33卷
图4 低压交直流混合供电
图2 住宅用LVDC 系统
Fig. 2 A residential LVDC distribution system
Fig. 4 Hybrid ac&dc grid
和稳态响应有充分认识和了解，建立负荷计算方法和负荷模型。
文献[27]研究了目前为交流供电系统设计的负载在直流系统中的兼容问题，即现有负载在LVDC
系统中能否良好工作。研究中使用了多种直流电压等级，并要求负载在电压出现 ±10%偏差时也能正常工作。负载按如下方式进行分类：
1）阻性负载。分为发热负载和白炽光源负载，显然这类负载可以在交流和直流两种电源下工作。 2）旋转电机类负载。分为感应型电动机(电冰箱、洗衣机等) 负载和交直流两用电机(家用食品搅拌机、吸尘器等) 负载。其中交直流两用电机可以在直流条件下工作；而感应型电动机是交流电机，虽无法直接接入直流电源工作，但目前很多感应电动机因调速需要，由变频器供电，此时便可直接接入直流电源工作。
3）电力电子类负载。分为开关电源负载和电子镇流器荧光灯。开关电源通常可以工作在直流和47~63 Hz 电源条件下，因此可以在直流条件下很好地工作，并呈现出恒功率特性，在较宽电压范围内，负载消耗的功率是基本不变的。电子镇流器荧光灯电路主要由整流和高频逆变两个环节组成，也可以在直流电源下正常运行，并呈现出恒电流源特性，通常的工作电压范围是120~300 V 。
实验结果表明[27]：大多数负载可以在直流条件下正常使用，并可适应较宽范围的直流电压水平。由于不能在直流电压下直接使用的低压民用负载并不多，因此LV AC 系统转换为LVDC 系统时只需对少量的负载加装DC/AC变换装置即可。 2.2 LVDC系统中负载的稳态和暂态模型 2.2.1 负载稳态模型
文献[28]针对数十种常见负载进行了负载稳态
图3 中压直流系统 Fig. 3 Medium voltage dc grid
DC/DC变换器将电压变换到适当的电压等级供用户使用，以替代交流系统中的变压器。此时传输同样的有功功率所需电流较小，电缆损耗降低；而电缆电压降只有电阻产生，因此电缆利用率更高。将DC 系统延伸至中压的优势在于：更大范围提高电缆及设备使用效率；采用先进变换器控制技术，可有效阻止来自于输配电系统的电压扰动，隔离电网不利影响。
LVDC 系统结构可根据用户规模、负荷特性、分布式电源特性以及用户的可靠性要求，进行综合评估后，选择其中一种方式或如图4所示的交直流混合供电方式[11]。
2 LVDC系统负荷兼容性与负荷模型
2.1 LVDC系统对现有负载的兼容性
现有负载都是为交流系统设计，其在LVDC 系统中的兼容性以及对LVDC 系统的电压要求，是决定LVDC 系统能否在不影响用户使用的前提下，顺利替代LV AC 系统的关键。另外，与LV AC 系统相似，要使LVDC 系统得以广泛应用，并满足可靠性、经济性、安全性的要求，必须对负荷特性及其暂态
第7期 雍静等：低压直流供电系统研究综述 45
和暂态模型的研究。
根据IEEE Sta.399[29]，负载可用CR 、CC 、CP 或其混合模型描述，功率P 与电压U 的关系为
2）电动机负载。
传统电机的瞬态响应由两部分组成：快速的电瞬态响应和慢速的机械瞬态响应(持续时间约为电
瞬态响应的100倍) 。目前尚无合适的数学模型可以P (U ) =A CR U 2+A CC U +A CP (1)
同时描述上述两种瞬态响应。
式中：A CR 、A CC 、A CP 分别是恒电阻模型(constant
3
）电力电子类负载。
resistance ，CR) 、恒功率模型(constant power，CP)
开关电源式负载暂态测试结果如图6所示，当
和恒电流源模型(constant current，CC) 系数。
电源电压突变时，负载电流下降到零，之后电流重
通过对60多种不同功率和用途用电设备进行
新上升达到新的稳定值，因此开关电源的暂态模型
测试，各种用电设备稳态模型可以归纳如表1所示。
可用图7表示，包括二极管整流桥，RCL 元件组成
多数情况下，都需要实测数据来决定负载模型[28]。
的滤波器和稳态负荷特性，RCL 参数可由测量
表1 稳态负载模型 Tab. 1 Steady-state load models
负载
发热负载
阻性负载
光源负载 传统电机 开关电源负载 荧光灯负载
模型 R = R 0 R = R 1I + R 0 I = Y 0U + I 0 R = U 2/P 0 R = U /I 0
得到。
参数
R 0：额定功率计算
R 1：测量 R 0：额定功率计算Y 0、I 0：测量 P 0：测量 I 0：测量
电压/p u
1.1
1.00.90.80.70.00
0.04
旋转电机负载 电力电子负载
0.08 0.16 0.200.12
t /s (a) 电压突变
2.2.2 负载暂态模型
试验使用短暂电压跳变模拟短路时的电压暂态，将其施加于负载上研究负载的暂态行为。电压初始值为1.0 pu ，每个负载测试4种不同的电压跳变幅度：-0.12、-0.24、-0.38和 -0.53 pu 。
1）阻性负载。
对发热负载进行测试的结果显示，电压突变引起同样快速的电流突变，与突变电压幅度无关，可用U = R 0I 表述。白炽灯测试结果如图5所示，当电压快速突变时，电阻不突变且与电流成比例变化。当电流下降时，电阻也下降，然后电流开始增加。
电压/p u
电流/p u
1.5
1.00.50.0-0.50.00
Simulated
Measured
0.02
0.04 0.08 0.100.06
t /s (b) 负载电流
图6 开关电源负载的瞬态测试
Fig. 6 Transient measurement of switch mode power
supply
1.051.000.950.900.850.00
图7 电子负载的模型 Fig. 7 Model of electronic load
节能灯的暂态测试结果表明，当电源电压减小
0.02 0.06 0.040.08 0.10
t /s
(a) 电压突变
时，负载电流瞬间变为零但很快恢复到先前的值，
如图8所示。高频电子镇流器的瞬态响应非常复杂，其响应过程因控制电路的不同而不同，因此尚无合适的模型可以描述。
电流/p u
(b) 负载电流
电压/p u
1.05
1.000.950.900.850.00
测量值
0.02 0.06 0.040.08 0.10
t /s
1.11.00.90.80.70.00
0.02
图5 白炽灯负载的瞬态测试
Fig. 5 Transient measurement of incandescent lamp
0.06 0.04 0.08 0.10t /s (a) 电压突变
46
电流/p u
中 国 电 机 工 程 学 报
电流/p u
第33卷
1.51.00.50.0-0.50.00
Measured Simulated
0.02 0.06 0.040.08 0.10
t /s
(b) 负载电流
1.00.50.0-0.5-1.00.00
0.01
0.03 0.02 0.04 0.05t /s (b) 交流电网电流
图8 高功率因数镇流器的瞬态测试
Fig. 8 Transient measurement of high factor ballast
图10 负载通过整流器与电网相连
Fig. 10 loads supplied through the ac/dc interface
3 LVDC系统电能质量和可靠性
3.1 LVDC系统电能质量和可靠性
电能质量和供电可靠性是低压系统用户最为关注的问题。敏感的电子类负载对电能质量要求很高；应急负载对可靠性(供电连续性) 要求很高；而数据类负载则对电能质量和可靠性要求都很高。商业用户往往拥有大量的非线性电子负载，如照明设备、办公设备、监控设备、变频空调等，这些设备都有电磁兼容和电能质量问题，从而导致损耗增加和保护措施失效等问题
[30]
2）暂态。
对于在重要场所使用的电子和照明设备(计算机及应急灯等) ，电压瞬变和中断供电有可能导致计算机重启丢失数据或照明不满足要求等问题。一种解决办案是配备UPS ；另一种解决办案是使用直流供电。
在直流供电条件下做三相电压突变(如图11(a)所示) 实验，结果表明整流器在故障时可以维持如 图11(b)所示的稳定直流电压，计算机和照明设备并未受到影响。由于使用直流供电只需一次变流，与交流系统UPS 两步变流相比，可极大的减小损耗。
电压/p
u
。文献[9]对LVDC 系统
电能质量和可靠性的实验研究(未包括储能和分布式能源装置，未进行孤岛状态研究
) 得到如下结论。
0.400.350.30
0.00
1）稳态。
图9所示为电脑负载电流，是非常典型的二极管整流桥电子设备的电流波形，电脑产生大量低次谐波电流。一个解决办案是采用PFC 改善电流波形，降低谐波含量。另一个解决方案是对负载直流供电，如图10所示，此时负载电流几乎是恒定的，交流端电流呈近似正弦波形。
0.01
0.03 0.02 0.04 0.05t /s (a) 网侧电压
电压/p u
1.051.000.950.00
0.01
电流/p u
0.300.150.00-0.15
(I N /I 1) /p u
1.000.750.500.25
0.2 0.4f /kHz
0.03 0.02 0.04 0.05t /s (b) 输出直流电压
图11 交流电网两相电压突变时测试系统的性能 Fig. 11 Performance of the test system during a two-phase
fault on the ac grid
0.6
-0.300.00
0.0 0.5 1.5 1.0 2.0 2.5 0.0
t /ms
(a) 相电流波形
综上所述，对敏感负载或重要设备使用直流供
(b) 相电流FFT 分解
电，不仅可提高电能质量，还可一定程度提升供电可靠性，并减小损耗及成本。对拥有大量敏感负载的用户，选择直流供电系统将更为有利。 3.2 LVDC系统电力电子元件对可靠性的影响
由于电力电子器件的大量使用，其元器件可靠性对供电可靠性产生一定影响[31-32]。电力电子整流器可靠性主要受开关和主电路电容器两种元件的
图9 电脑负载电流
Fig. 9 Load current of the computer
电流/
p u
0.400.350.300.00
0.01 0.03 0.020.04 0.05
t /s
(a) 直流负载电流
性能影响，元件故障率与温度和负载情况有很大关
系。在LVDC 系统中，电力电子器件需承受一定的
第7期 雍静等：低压直流供电系统研究综述 47
温度波动和不同负载情况下的湿度影响，其次，电压和电流也对其有影响。文献[32]介绍了一种通过计算MTBF(mean time between failure)预测元件可靠性的方法，但并未计及电压或电流的突变和温度突然升高等情况，经测算，一个电解电容器的寿命大约为5年，IGBT 逆变桥的寿命大约为10 年。
不言而喻，供电系统中，高频电力电子开关器件使用越多，对配电系统可靠性的影响越大。但
4.2 LVDC系统控制
文献[9,36]根据LVDC 系统的特点，提出如 图12所示控制管理系统，该控制系统能有效避免设备控制器之间的冲突，并抑制瞬变状态对供电质量和连续性的负面作用。控制管理系统以电流控制为基础，根据输入指令和设定的阈值综合产生设备需要的指令。因此通过控制网络中的电流，可以保持直流电压稳定在要求值。对三相故障和相间故障的实验验证了该控制管理系统的有效性。
LVDC 网络的一次故障发生率相比中压网络的故障发生率小很多，造成的危害也小很多，特别是在农村架空线路中，这种优势更加明显。该优势足以补偿由于大规模电力电子器件使用导致的LVDC 系统的不足。另外电池储能装置和分布式发电装置的接入能更好的改善可靠性。
4 LVDC系统保护和控制
4.1 LVDC系统保护
低压系统中大量使用断路器的脱扣装置或熔断器作为短路和过载保护元件，LVDC 系统可以直接使用直流断路器或熔断器进行短路保护。此外，交流断路器也可以在直流系统中降低电压使用但是保护整定计算方法需要重新研究。
接地故障是低压系统中最常见的故障，用于交流系统的剩余电流保护装置(residual current
[33]
图12 最优化控制管理系统
Fig. 12 Optimized supervisory control system
，
1）交流侧三相故障。
实验设定0.4 s 时中压系统突发三相故障，电力供应中断，此时整流器前端的三相电压突然降落并最终到零，故障持续时间为250 ms ，考察在电力供应中断时控制系统是否能有效管理直流侧电压。三相故障发生时，电压波形如图13所示，直流电压从800 V 下降，直到设定的电池储能系统的阈值
RCD) 因为动作原理和分断能力(分断直流比device ，
不能直接用于直流系统。以分断交流困难) 的原因，
电气安全为目的的直流系统接地方式值得探讨，TT 系统和TN 系统的剩余电流保护装置也需要另外设计。对于IT 系统，欧盟2006/95/EC要求如表2所示。
表2 LVDC供电系统保护要求
Tab. 2 LVDC distribution system protection requirements
功能 电击防护 防止对地绝缘强度降低(中性线不接地系统) 电力电子整流器 短路保护
要求 安全电压：120 V 短路故障切除时间：5 s 接地故障切除时间：2 h
绝缘监测设备 集成在整流器内部的限流电路 保护方法 熔断器/断路器
[34]
以及芬兰
760 V ，电池系统开始向负载供电，同时，电池电流如图14逐渐减小，在电池开始向直流母线输出最大能量以补偿电压降落之后，控制器逐渐使直流电压稳定在预设值760 V 。
900
SESKO [35]对不接地的LVDC 保护措施专门规定，
电压/V
800
700
快速限制过大电流
600
0.3
0.4
t /s
0.5 0.6
由此可见，LVDC 系统保护方案较传统的交流系统更复杂
[2,24]
图13 交流电网发生三相故障时的直流电压波形 Fig. 13 DC voltage waveform during a three phase fault in
the AC grid
，既要满足低压标准的规定，又要
具备可操作性。
48 中 国 电 机 工 程 学 报 第33卷
电流/k A
2.5
控制直流电压。
3）直流侧短路故障。
1.5
直流网络短路故障电流非常大，短路尖峰电流可能损坏整流器中的IGBT 等元件，应特别注意。实验设定开关上的过电流为2 kA ，是额定电流的2
倍，故障发生时间在0.25 s 。在电容器附近发生短
0.5 0.9 0.7 1.1 1.3
t /s
0.5
-0.5
0.3
路故障时，电容器最初充当电压源角色，随后，电容器和短路线路的感抗发生高频振荡，短路电流波形如图17。直流电压波形与电流相似，在一段时间后电容器电压释放完毕，直流端电压变为零，由于故障发生在直流母线，因此短路故障将造成系统运行中断。开关上的直流电压波形图如图18所示，在电压下降的第一个瞬间，AC/DC整流器从交流侧得到的能量不变，储存在滤波电容器上。随后，控制器维持输出电压在设定值。过电压峰值由滤波电容大小和控制器的速率决定。因此只要滤波电容足够大，控制器的反应速率足够快，过电压峰值则不会威胁到整流器中的IGBT 。
图14 电池斩波器中流过电感的电流波形 Fig. 14 Waveform of the current flowing through the
inductor of the battery chopper
2）交流侧相间故障。
实验设定0.4 s 时中压系统突发两相相间短路，此时整流器前端的两相电压突降，另一相电压降为零，此故障维持200 ms ，考查交流侧相间故障时控制系统是否能有效管理直流侧电压。
故障时直流侧电压下降到电池系统阈值，随后
电池控制器使直流电压稳定在760 V 如图15所示。从图中可以看出，电池控制器起作用前，电压波形呈典型的100 Hz 震荡。在故障切除后，AC/DC整流器重新开始工作，同步过程结束后重新达到稳态，如图16所示。此时整流器接替电池系统重新
电流/k A
2001000-100
电压/V
900
800
-200
0.20
0.24
700
0.32 0.28 0.36
0.40t /s
图17 故障电流
600
0.35
0.39 0.47 0.430.51 0.55
t /s
Fig. 17 Fault current
电压/k V
1.00.80.60.40.20.0
0.20
0.24
0.28 0.36 0.32 0.40
t /s
图15 中压系统中相间故障的直流电压波形 Fig. 15 Dc voltage waveform during a phase-to-phase
fault in the MV system
电压、电流/(103 p u )
3
1
sec
-1
I L -3
0.9
1.1 1.0 1.2 1.3t /s
图18 直流电压波形 Fig. 18 DC voltage
一个性能良好地综合控制管理系统和保护系统，能使因交流电网故障产生的中断供电事故减少，减小直流母线短路时对系统的危害，全面提高安全性和可靠性。
图16 VSR电感电流波形
Fig. 16 Current flowing through the VSR inductor
第7期 雍静等：低压直流供电系统研究综述 49
5 LVDC系统节能分析
5.1 传输功率
技术措施，由于48 V 直流已经在电信系统中使用，比较成熟。
测试结果表明，采用48 V 直流电压供电时，当供电半径为20 m 时，只能供给相当于一台电脑的功率，实际上是不可行的。
由于直流电路不存在电抗，采用直流配电的线路功率损耗较少，文献[8]中提到在香港的普通高层建筑中，直流配电系统配电线路的有功损耗较交流系统减少4.11%，如果是可再生能源一体化建筑
[39-41]
LVDC 系统中，配电电缆可选择三线制和五线制，相同的电缆在不同的配电系统中传输电能的能力是不同的[37]。不同标称电压时，三线制和五线制导线传输功率分别如图19、20所示。
功率/k W
7
DC 220 V 5
DC 300 V
，电源处更可节省7.2%的电能。文献[42]作者
3
AC 220 V
对一种智能LED 照明系统应用于LVDC 和LV AC 的能量效率进行了实际的比较，发现LVDC 的智能
1
LED 照明系统相较传统的LV AC 系统能节约
100 50 150 200
距离/m
44.23%的能量。
换流器普遍存在于家庭及办公用电设备中，品质参差不齐，其效率随着额定功率的增加而升高，在相同额定功率下，DC/DC换流器的效率普遍高于
图19 三线制供电系统的导线传输功率 Fig. 19 Transmission power of the three-wire system
功率/k W
97531
AC 380 V
DC 400 V
AC/DC整流器。研究表明[2]，电能转换一次，能量损失约为2.4%，因此，用额定功率大的AC/DC整流器代替额定功率小的整流器，电能转换所产生的能量损失将会减少；用电设备中，用相同额定功率的DC/DC换流器代替AC/DC整流器，电能转换所产生的能量损失也会减少。在普通高层建筑中，直
100 300 200 400 500距离/m
流配电系统用电设备换流器损耗较交流配电系统减少5.5%~14.4%[8]。 5.3 功率传输极限
图20 五线制供电系统的导线传输功率
Fig. 20 The transmission power of the five-wire system
LVDC 系统的传输能力不仅是线路的传输能力，系统传输能量会引起电压不稳定，而这种电压不稳定现象使直流系统的传输能力受到限制[43]。通常，功率传输极限依赖于负载数量和负载对电压的敏感度、配电线路长度和半径、供电电压的高低。
经推导，功率传输极限[44]可表达为
2
1C in (R +R in ) U R =, C =0 (2) 1-αL +L in +RR in C in
当传输长度大于某值时，由于受负载端允许电压偏差(±5%)限制，导线传输最大功率的能力急剧减小，在配电电压水平相同的情况下，由于交流系统存在线路感抗，直流配电系统相同传输距离传输的功率略大于交流配电系统。 5.2 电压等级及电能损耗
文献[38]对LVDC 的合适配电电压等级进行了测试和分析。为与线电压为400 V ，相电压为230 V 的三相交流系统对应，测试了4种直流电压水平：
P lim, d 0
1）326 V ：电力电子类电器的二极管整流器输出电压，对应RMS 值为230 V 电压的峰值。
P lim, a
2
1CRU R
, C >0 (3) =
1-αL
式中：R 、L 和C 表示配电线路的电阻、电抗和电容；α 表示电压敏感度；R in 、L in 和C in 表示瞬态模型中的电阻、电抗和电容；U R 表示当电压扰动产生后负载两端的电压。P lim, d 0和P lim, α 是C 的函数，如图21所示。C 取值在零附近时，P lim, d 的值是几乎不变的，由此可以确定C 的取值在0附近的功率传
2）230 V ：因为与交流230 V 的均值相同，此电压等级能适应现有的电阻设备。
3）120 V ：使用120 V 电压可以不用采取间接电击防护措施，系统更简单[35]。
48 V ：这个电压等级不需采取直接电击防护4）
50 中 国 电 机 工 程 学 报 第33卷
功率传输极限/W
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图21 功率传输极限
Fig. 21 Upper limitation of deliverable power
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6 结论
通过对低压直流配电系统的结构，负荷模型的建立，LVDC 系统的电能质量和可靠性分析，故障和暂态过程分析、系统的保护和控制以及LVDC 的节能效益分析等方面的综述，并与现行LV AC 系统比较可知，含分布式能源的LVDC 系统，在降低系统电能损耗、增强供电连续性和可靠性、提高电能质量等方面均具有很大潜力。目前，低压直流配电仍有较大的研究空间，需要在系统拓扑结构和控制保护方式、电气安全、电力电子设备的可靠性、直流腐蚀问题的处理、如何避免采用插座分断负载电流时的电弧问题等方面开展进一步的研究。
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收稿日期：2013-01-31。 作者简介：
雍静(1964)，女，博士，教授，主要研究方向为电能质量，yongjingcq@yahoo. com.cn ；
徐欣(1988)，女，硕士研究生，主要研
雍静
究方向为电能质量，278168841@qq.com
。
(责任编辑 王剑乔)
Extended Summary 正文参见pp.42-52
A Review of the New Low Voltage DC Power Distribution System
YONG Jing, XU Xin, ZENG Liqiang, LI Lulu
(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology (Chongqing University)) KEY WORDS: low-voltage direct current (LVDC) power distribution system; load model; power loss; protection and control; reliability
As the proliferations of distributed generators and power electronic devices in low voltage systems, the advantages of low-voltage direct current (LVDC) distribution systems have been emerged and attracted more and more researchers’ attentions.
Fig. 1 Layout of the LVDC distribution system
The layout of the LVDC system proposed by many literatures is shown in Fig. 1. In this system, AC supply and other distributed supplies, such as diesel generators, batteries, PV cells and micro-hydro (micro-wind turbines) are the main supply, which are combined to ensure a high degree of the voltage quality and continuity. The interface between the ac power supply and the LVDC system is realized by two converters operating in parallel, one of which is kept in reserve for improving the reliability of the entire system and making the operation in the islanding mode easier. The two VSC are equipped with IGBTs and controlled by PWM , which allows the regulation of the dc network voltage and its maintenance to achieve the desired value. To guarantee the continuity of customers supply during short time interruptions, a storage power system is interconnected to the low voltage dc distribution system with the help of a bidirectional chopper. The diesel power system is designated to supply the dc loads during sustained interruptions in the ac network.
The existing loads are designed for the AC system. Whether these loads can be supplied by the LVDC systems is one the most important factors for LVDC replacement without effect on users. The experimental results conducted by researchers demonstrate that most of the loads used today can operate equally well with a DC supply as with an AC supply. Simple models describing the steady-state behavior of loads are derived
S6
from measurement data. Models for the transient-state behavior of resistive loads and electronic loads with SMPSs are also obtained, however, transient models for universal machines and electronic lighting appliances with HF ballasts have not been constructed yet.
Quality and reliability of power supply are the most concerned problem for the low voltage system users. Electronic loads can be used in systems where these loads cannot be affected by disturbances on the utility grid, and lighting which is used to illuminate emergency exits or important processes cannot also be shut off. A better option is to supply the sensitive loads or emergency lightings with DC. A well-designed ac/dc interface will absorb sinusoidal currents from the utility grid to ensure high-power quality. This arrangement will provide a lower cost, and less power loss but higher reliability. The more power electronics with a high switching frequency are used，the more effect it has on the reliability of the distribution system. The harm caused by a fault in the LVDC network is quite small compared to a fault incidence in the medium voltage network. Especially in rural overhead line networks, this is enough to overtake the disadvantages caused by power electronics. Connecting energy storages and small-scale distributed generation into the DC section can improve the situation even further.
Another key point is the deliverable power of LVDC systems. There are two aspects about deliverable power of LVDC systems. One is the transmission capacity of the line. Power transferred in the DC system by the same transmission distance is slightly larger than in the AC system due to line inductance in the ac system. The other is upper limitation of deliverable power in LVDC systems owing to a voltage instability phenomena appearing for a DC system.
LVDC distribution systems with distributed power have a great potential in reducing power loss, enhancing reliability of power supply and improving power quality. At present, there are still many research spaces for the further development, such as system topology, system protection and control, grounding and electrical safety, electrode corrosion and DC current interruption.
范文四：低压直流双极供电系统的接地型式研究
DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.13.024 文章编号:0258-8013 (2014) 13-2210-09 中图分类号:TM 72
低压直流双极供电系统的接地型式研究
李露露，雍静，曾礼强，何乐婷
(输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆市 沙坪坝区 400030)
Researches on Grounding Types of Low-voltage DC Bipolar Distribution Systems
LI Lulu, YONG Jing, ZENG Liqiang, HE Leting
(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology (Chongqing University),
Shapingba District, Chongqing 400030, China)
ABSTRACT: For the civil low voltage DC distribution 地电阻取值范围及保护装置技术要求。 systems, selecting a suitable grounding type and improving 关键词:低压直流;双极供电系统;接地型式;电气安全 electrical security is of significance. Using the DC bipolar
distribution system based on DC micro-girds and voltage 0 引言
balancer as the research subject, this paper presented the 近年来，直流微网以及利用直流微网的低压直 grounding fault parameters and validated them with the aid of 流(low voltage direct current，LVDC)供电方式引起 Matlab/Simulink software. On this basis, this paper discussed [1-3]越来越多研究者的关注，随着电力电子技术的成 the power supply continuity, protection property against
electric shock and protection requirement for each grounding 熟与绿色分布式能源(如太阳能电池、燃料电池等) type. It indicates that, compared with the traditional AC 220 V 的发展，LVDC 系统进一步向民用建筑等常规领域 distribution system, the low voltage DC distribution system has 推广势在必行。目前，低压直流供电系统设计缺乏 a significant advantage in terms of electrical security. In [4]统一的工程规范和标准，尤其在电气安全方面。 addition, the power supply continuity and the electrical security 虽然直流牵引、船舶直流配电、通信直流配电等系 of the DC TT system equipped with residual current device [5-7]统有一些可以借鉴的设计经验，但这些作业场所 (RCD) can be improved as well, which is more suitable for this
均为专业场所，从电气安全的角度考虑，上述直流 bipolar distribution system with voltage balancer than IT or TN
系统并不适用于使用者为非专业人员的民用供电 system. Finally, the allowed range values of the grounding
resistors and technical requirements are given to ensure the 场所。而传统交流系统的设计要求对直流系统也不 electrical security. 再适用，为此，IEC 正在组织工作组开展对直流系
[8]统电气安全方面相关标准的制定。LVDC 供电系 KEY WORDS: low voltage DC; bipolar distribution systems;
grounding type; electrical security 统在常规民用领域应用时的电气安全问题亟待进
行深入研究，提出解决方案。 摘要:针对民用低压直流供电系统的接地型式和电气安全问
题，分析基于直流微网、电压平衡器的直流双极供电系统的 据已有文献报道，学者们对 LVDC 电气安全问 接地故障参数，利用 Matlab/Simulink 软件构建 DC ,190 题中的过流保护、直流电弧灭弧问题等方面研究已
[9-12]V 系统进行验证。在此基础上，讨论各接地型式的供电连续取得部分研究成果，但对 LVDC 的接地型式却 性、 电击防护性能与保护设备要求。与传统交流 220 V 供电鲜有深入研究报道。由系统接地型式决定的电击防 系统 的对比表明:低压直流供电系统在电气安全方面有较明护性能是衡量一个系统电气安全的重要指标，文 显的 优势;直流 TT 系统在配备剩余电流保护器的情况下，献[13]讨论了日本用于通信数据中心的直流系统的 其供 电连续性和电气安全性能可以得到很好兼顾，相较直
接地型式，并给出 IT(I,电源侧不接地或经高阻流 IT 和直流 TN 系统而言，更适合作为该类含有电压平衡
抗 接地，T,用电设备外露导电部分直接接地)器的直 流双极供电系统的接地型式。并给出了保证其电气安
系统为 最佳选择的建议，现有低压直流系统中也全的接 [14-15]大多采用 无中线的 IT 系统。研究表明，对基金项目:国家自然科学基金项目(51077138)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China 于不存在对 地电容的直流系统而言，IT 系统的一(51077138). 次接地故障监
李露露等:低压直流双极供电系统的接地型式研究 第 13 期 2211
电压平衡器 测十分困难，用户也无法用电笔测试出该系统直流 ， [4,9,15]L 电的极性 。而我国传统交流系统中广泛使用 M DC 的 TN 系统(T,电源侧直接接地，N,用电设备外, L 露 保护 设备 接地故障转化为短路故障从而增大故障电流、利于 [16]直流 保护设备的动作，但由电力电子变换装置提供电 设备 M ,L R RE M 电力电子器件，该特性能否在直流系统中发挥同样 (a) TT 系统 的优势需作进一步的探讨。 直流微网一般采用两电压平衡器 ，L 根线传输电能，不存在 0 M V 电压点，因此通常在直流微网接入末端系统的前 DC [17],端设置电压平衡器，构造电压为 0 V 的中线以实 L
现不同的接地型式(电源侧可接地)，并形成直流双 保护 设备 极供电方式。直流双极供电可降低母线对地电压等 R H直流 级，用户可根据需要选择单级、双极供电，还能满 设备 M ,L 足电网中不同负载变换器对输入电压平衡的要 R E[18]求。论文针对这种形式的 LVDC 系统，研究其在 (b) IT 系统
电压平衡器 不同接地型式下的电气安全问题，并与交流系统进 ，L M 行比较，提出保证该类 LVDC 系统电气安全的措施 DC , L PE 保护 设备 1 低压直流双极供电系统的接地故障模型 直流 设备 ,M L [19] R 根据 IEC60364-1对直流系统接地型式的定 M
(c) TN 系统 义，与交流系统一样，也可分为 TT(T,电源侧直
图 1 直流双极系统的接地形式 接 接地;T,用电设备外露导电部分直接接
Grounding type of DC bipolar system Fig. 1 地)、IT、 TN 三种接地型式。如图 1 所示，对于
电压平衡器 直流双极系
，正常 L 统接地电阻;R为设备接地电阻;R为 IT 系统的 负载 E H D2 C 1 T1 高阻抗接地电阻;，L、,L、PE 分别为正极、负， M L UL 2极、 保护线。 s 1Z x i d ， , Zt U t 低压供电系统接地形式的选择，主要考虑系统 D 1 , C 2 T2 , 的供电连续性与电击防护性能，尤以电击防护性能 L Z d为重点。系统电击防护性能主要由系统发生带电极
接地故障时，人体的“预期接触电压 U”能否满足 t图 2 接地故障等效电路 [16]Fig. 2 Equivalent circuit of grounding fault 安全电压要求来衡量。鉴于双极同时接地的概率
表 1 各接地形式等效电阻 很低，仅讨论单极接地的情况。为便于分析各接地
Tab. 1 Equivalent resister for each grounding type 系统的故障参数，将直流 TT、IT、TN 系统的故障
电路统一用图 2 所示的等效模型表述，即在电压平 接地形式 TT 系统 IT 系统 TN 系统
衡器的故障极串联等效故障阻抗 Z来表示(以负极 ZR+RR+RZ+Z d dMEHEPE L接地为例)。图中，Z为人体“预期接触电压 U” t tZRRZ tEEPE
Z R R Z 的等效分压阻抗，Z为剩余阻抗。同时，针对不同 x M H L x
接地型式的故障电路特点，对各等效阻抗做了一定 量与电感分量组成。
的简化，具体含义见表 1。表中 Z、Z分别为 TN LPE 值得注意是，直流电对人体的电击效应(发生电 系统的正极(负极)导线、保护线的阻抗，由电阻分 击时人体的生理反应)与电流方向极其相关，这与交
中 国 电 机 工 程 学 报 第 34 卷 2212
， ,流系统有本质区别。如图 3，若通过人体的电流方 i d向为纵向向上(考虑人体竖直站立于地面)，对应的 U/2 s[20]ZZ xtU 安全电压限值为 90 V;若通过人体的电流方向为 t, [21]纵向向下，危险性将为纵向向上的一半，对应的
安全电压限值约为 180 V。因此，负极接地故障危 电压平衡器正常工作模式下的等效电路 图 4 险性更大，在讨论系统各接地型式的电击防护性能 Fig. 4 Equivalent circuit when voltage 及保护设备要求时，应对正、负极碰壳接地的情况 balancer during normal operation 分别讨论。 此时，人体预期接触电压、接地电流可由如下
电压平衡器 公式表述: ，L M U DC sU (2) t 2(1 ， Z / ,t x , L Z )
U 保护设备 保护设备 sI (3) d 直流 直流 , 设备 设备 M ,M ,L 2.2 电压平衡器保护断开模式 L 若故障电流超过电压平衡器的过流保护设定 图 3 正、负极电击时的电流通路 值，则电压平衡器不能正常工作，满足该情况的判 Fig. 3 Current direction when positive 据为 or negative electric shocks occur
U S2 基于电压平衡器的接地故障参数分析 R (4) d 2 , I , max2.1 电压平衡器正常工作模式 在此模式下，电源在极短的时间内被切断，同 图 2 所示直流系统电源经电压平衡器转化而 样不考虑人体在接地故障发生的瞬间接触漏电设 [22] 来，其工作原理为 :电压平衡器利用控制 备外壳，则对人体不会产生任何危害。而供电连续 IGBT(T1、T2)的通断使电路在 Buck-Boost 工作模 性能否保证将取决于电压平衡器的保护动作能否 式之间进行切换，维持 C、C的电压平衡，保持 12 与其他保护设备相配合，因此有必要分析电压平衡 中线电压恒为 0 V。注意到电压平衡器中含有对过
器的动作时间及此暂态过程中的接地故障电流。电 流敏感的电力电子器件 IGBT，一般情况下，该器
压平衡器的工作状态由 2 部分组成。 件中设置有过流保护装置，即当电流达到某一设定
1)工作状态 1:假定负极接地故障，通过 T1 阈值 I时会自动阻断，这使得接地故障等效电路 max
管的电流在故障发生后尚未达到设定阈值，控制器 可分为正常工作模式与保护断开模式两种情况。
对 T2 发出关断信号、T1 发出开通信号，故障电路 若电压平衡器在故障后仍能正常工作，即故障
可简化为图 5。 电流不超过电压平衡器的保护设定阈值。考虑稳定
为找到 T1 的阻断时间，有必要对通过 T1 的电 状态下，直流系统的故障电感因素可忽略，则满足
该情况的判据为 流进行分析。当 T1 导通时，电源通过 T1 对 L 充 1
电，T1、L中的电流不断上升，T1 的电流即为 L 1 1 U s的电流。相较 L而言，故障点等效阻抗 Z的电感 1 d R (1) d 2 , Imax 分量可忽略，则 T1 导通期间的电感电流满足: ,
电压平衡器 式中 R为等效故障阻抗 Z的阻性分量。此时，故 d d
正常 ，障极相当于不同程度地增加了负载量，从而导致电 ， 负载 iL L1 CUL 1 1C1 C 1, 压平衡器双极负载不平衡，输出电压在短暂的小幅 ， T1 D 2， M U sUs LL 12Z x, 波动后将可恢复平衡，其暂态过程取决于电压平衡 i d， , Z C i t2dUZD C2 d 1C 2, 器的控制策略，对于电击防护来说，不考虑人体在 T2 ,L Z 接地故障发生的瞬间接触漏电设备外壳，则可近似 d认为输出电压一直保持不变，图 2 的等效电路可进 图 5 工作状态 1 的等效电路 一步简化为图 4。 Fig. 5 Equivalent circuit of work stage 1
李露露等:低压直流双极供电系统的接地型式研究 第 13 期 2213
电压平衡器 d L1 s ， dt 负载 D2 C 1CU1 C1 ， T1 , ， M Us 当 T1 关断时，L通过 D1 对故障点释放电能， 1 L L U s 2 , 1 Zix d ， Z ,d Z Li Ci 在极为短暂的 1/2 个开关周期内，可近似认为 L的 t1 L1 2 1 d DU1 C2 C2 , T2 , 电流恒定不变，即在 T1 阻断前整个过程中，对 L1 L Z d的充电过程只持续了 1/2 的时间，假定电路在故障 工作状态 2 的等效电路 图 6 前已达到平衡状态，电感电流的初始值为 0 A，结 Fig. 6 Equivalent circuit of work stage 2 合式(5)可求出 T1 的电流为 路由工作状态 1 切换为工作状态 2 时，电感电流不
R能突变，电感电流初始值即为电压平衡器的过流保 , U d s 2 L1 t , i(t) , i , (6) L1 T1 护阈值 I。对式(10)求解可得 maxR (1 , e d) , R d 当流过 T1 电流达到过电流阈值 I时，T1 阻 max L1 t ,,(11) i(t) , I, L1 max 断，阻断时间 T为 cut e 综上分析，当电压平衡器工作于保护断开模式 2LI 1 max ln(1 , T时，保护动作时间、接地电流的分段函数表达式为 (7) cut RU , R ,dsd 2 , LI) max 1 ln(1 , T(12) cut 由图 5 分析可知:接地电流由过流电感 L1 的 R U , Rd s , ,d ) 电流与电容 C、C的放电电流组成。其中，由 U、 12 s , Rd , U U C、C、Z组成的电路结构并不会因 T1 的开关状 12d S ,,t S t,2L 1 esin(,t) (1 e ) , ， , ,cut , R 态而改变，即 C、C在该过程中一直持续对故障 d12 0 t T , , i (t) , d , , d (13) t U点放电，电容放电电流满足如下关系式: 2,L, R S ,dL1 , T , te sin(,t) t max cut ,e , , ,, ， I
1 2,R ,U, uds C1 其中:, , ，, , 2 (C L2 ,, d 1 2 d d， u , C2 di(t) , dC 2L u , ， C )L C 2 d , dt 以上结果将用于分析该系统各接地型式的供 i ,L (8) , R dC d电连续性、电击防护性能及保护设备要求，并在第 , 3 节得到验证。 du(t) (t) du,, C1 C2 1 2 dC , , dt dt C 3 仿真验证与各接地形式性能分析 C, i同样假定电路在故障前已达到平衡状态，电容
电压的初始值均为电源电压的 1/2，对式(9)求解可 3.1 系统参数
得接地故障电流的电容电流分量为 为验证理论分析的正确性，并分析该系统各接
地型式的性能，论文构建了容量为 100 kW 的 DC , U ,, t si (t) e, ,190 V 双极直流系统，系统结构如图 2，该系统2, sin(,t) dC ,的 直流源设为理想直流源(视上级直流微网工作,(9) R/ , , ,d ,在稳 定状态)，经电压平衡器将输入电压 380 V 转L (2L) d 1 d ,, 化为双 极,190 V 输出(该电压等级为现有交流 2 ,2,(C1 , 220 V 系统 对应的最大允许直流电压，目前已被, ， C)L 2 d2)工作状态 2:通过 T1 管的电流随着电感电 ,美国电力研究 院(electric power research institute，,流的上升达到设定阈值，自动阻断。此时，T1、T2 EPRI)所验证接 受，并逐渐成为合理的直流电压标均被关断，简化故障等效电路如图 6 所示。 [4]准)。电源阻抗 忽略不计，系统额定电流为 263 此时电容 C1、C2 的继续对故障点放电，电源 A，电压平衡器的 过流保护动作值约为系统额定电不再对 L1 充电，电感 L1 中的能量持续对故障点释 [11]流的 2 倍，设为 500 A;电容值取为 3 300 μF，储放直至 0，同样忽略故障电感分量，该过程中的电 能电感值为 3 mH， 开关频率 5 kHz，占空比 感放电电流满足: 50%。接地电阻 R、R一般为数欧，但不会超ME
过 10 ,，设在 1~10 ,内变 化。同时，为与传,,di(t) ,, , , i(t) L1 (10) d L1 L , ， dt 统交流供电系统相比较，论文还 构建了容量 100 0 假定电压平衡器的过流保护顺利动作，因为电 RkW 的 AC 220 V 系统，各线路阻抗
中 国 电 机 工 程 学 报 第 34 卷 2214
值的选取参见文献[9,16]。系统的主要参数见表 2。 为直流 TT 系统正极、负极接地时，接地故障电流
I和人体预期接触电压 U随接地电阻 R、R变化 d t ME 表 2 系统的主要参数
的等值线图，可见仿真结果与理论分析一致。 Tab. 2 Parameters for the systems 同理，对 AC 220 V TT 系统进行仿真分析，仿 系统名称 DC,190 AC220 V V 真结果如图 10。对比发现，AC 220 V 系统的接地 正极、负极、保护线 r,0.641 r,0.24 l2m?/m m,/m 电阻值选择区域比 DC,190 V 系统小很多(交流 (l<100 m)="" x,0.34="" mh/km="" x,0.076="" mh/m="">
安 全电压为 50 V)，其 k 临界值为 0.28，即便系系统接地电阻 R1~10 M ,统接 1~10 设备接地电阻 R E地电阻达到最大值 10 ，设备接地电阻也需, ,C,C,3 300 ,F，12小于 电压 10 L,L,3mH 12I/A d 平衡器 开关频率:f,5 kHz，占空比:50% T1、T2 过流保护阈值 I:500 A max 8 3.2 TT 系统 1)供电连续性。 6 /由表 1、式(1)可知，该系统在接地故障发生时 E安全区域 , 电压平衡器仍能有效工作。对其进行仿真验证， 4
图 7 为接地电阻 R、R均取 4 ,，负极在 0.2 ME s 发 生接地故障时的输出电压波形。可见，电压2
平衡器 的输出电压在短暂的波动后，迅速趋于平6 2 4 8 10 稳，其后 负载仍能有效工作，不影响其他电路正R/M ,常运行，供 连续性较强。 (a) I d
U/V 10 t300 200 / ，V 8 100 R0 0 6 /E安全区域 ,,1/U,00 V U 4 ,2,3 00 0.05 0.15 0.25 0.35 0.45 00 2 t/s
2 4 6 8 10 图 7 接地故障时的输出电压(TT 系统) R/MFig. 7 Out voltage when ground-fault occur(TT system) , (b) U t2)电击防护性能。 图 8 I、U随接地电阻变化的等值线(正极接地) dt 由表 1、式(2)可知，人体预期接触电阻将由系 Fig. 8 Contour lines for I& Uas the change of d t 统电压 V、接地电阻比值 k=R/R决定，而与电压 sME grounding resistances(positive pole grounding) 平衡器参数无关，因此 k 可以作为该接地系统是否 I/A d10 满足电气安全条件的判据。分别代入正极、负极安
全电压限值，对于正极接地故障，接触电压均在安 8 全电压(180 V)的范围内，对接地电阻阻值没有要 R 求;而对于负极接地故障，为避免接触电压超过 6 R/E90 V，接地电阻比值 k 的临界值应为 0.9。另一方面， ,安全区域 由式(3)，接地电流将由接地电阻之和决定，但出于 4
保证安全电压的考虑，有所限制的接地电阻取值将
2 对接地电流产生一定的影响，对该系统而言，接地
电流可在 9.5~95 A 的范围内变化。 2 4 6 8 10 R利用仿真模型对故障进行仿真，图 8 和 9 分别 M/, (a) I d
李露露等:低压直流双极供电系统的接地型式研究 第 13 期 2215
U/V t统一样，线路常规保护设备(直流断路器或熔断器) 10
很难有效动作断开电路。以断路器为例，断路器瞬
8 时脱扣器要求故障电流大于 10 倍以上额定电流时
才能可靠动作，即断路器只能保护额定电流小于 6 9.5 A 的电气设备。因此，对于大多数较大容量设备 /E,而言，需要增设其他保护装置，如可用于直流系统 安全区域 4 的剩余电流保护器(residual current device，RCD)。 同时，在图 8、9 中安全区域内，尽可能减小接地 2 电阻值，可增大接地电流以保证 RCD 的灵敏性，
2 4 6 8 10 与图 10 中交流系统的限制范围相比，选择更为宽 R/M裕。但值得注意的是，若接地电阻不能满足负极接 , (b) U t地故障的安全区域要求，为保证发生电击事故时的 图 9 I、U随接地电阻变化的等值线(负极接地) dt 人身安全，应使负极 RCD 在 0.4 s 内可靠的切断电 Fig. 9 Contour lines for I& Uas the change of d t
grounding resistances(negative pole grounding) 路，而对正极 RCD 则无此要求，只需发出绝缘警
I/A d报即可，这一点与传统交流系统有所差异。 10
IT 系统
8 IT 系统发生单点接地故障时，接地电阻非常
大，造成的故障等值负载的变化几乎可以忽略不 R 6 计，因此故障时电压平衡器仍能有效工作，几乎没 /E,有故障暂态过程，供电连续性强。且与交流 IT 系
4 统一样，直流 IT 系统正极、负极接地故障均不会
对人体造成任何危害，电击防护性能十分出色。对 2 安全区域 于高阻抗接地的 IT 系统(通常接地阻抗 R为 10~ H
50 k,)，其接地电流最大也不超过几十 mA，2 4 6 8 10 R/M应采 用高灵敏度的绝缘监测设备;对电源侧不接地, (a) I d的 IT 系统而言，交流 IT 系统因导体普遍存在对地
U/V t10 电容， 尚有电流通过，直流 IT 系统则几乎无电
流通过， 要监测出接地故障十分困难，若不及时8 排除故障， 系统可能因第 2 点异极接地而造成短R 路，此时的保 护措施需另作考虑。 6 / TN 系统 E R, 1)供电连续性。 4 TN 系统发生接地故障时，将接地故障转化为 短路故障，由式(4)可知电压平衡器将不能正常工 2 安全区域 作，图 11 为该系统负极末端在 0.2 s 发生接地故障 25 2 4 6 8 10 时，电源正、负极的输出电压波形。可见，系统在 R/M ,故障后 0.1 s 内达到稳定状态，故障极的电压降为 0 (b) U tV，非故障极电压升为 380 V，电压平衡器不能正常 图 10 I、U随接地电阻变化的等值线(AC220 V TT) dt
Fig. 10 Contour lines for I& Uas the change of d t 工作将使得故障范围因此扩大，导致供电连续性变
grounding resistances (AC220 V TT) 差。而传统交流系统则不会出现此类问题，因此，
2.8 ,，要做到如此小的接地电阻十分困难，相较TN 系统将接地故障转化为短路故障这一特性在该 交 直流供电系统中将不能发挥同样的优势。 流系统而言，直流 TT 系统接地电阻的设计更容易 2)电击防护性能。 满足电气安全要求。 由图 11 可知，当该系统发生接地故障时，因 3)保护设备要求。
由以上分析结果，直流 TT 系统发生接地故障
时，接地电流将在 9.5~95 A 范围内变化。与交流系
中 国 电 机 工 程 学 报 第 34 卷 2216
400 表 3 动作时间与最大接地电流 /300 Tab. 3 Actuation time and the max grounding current ， V 200 故障参数 电压平衡器动作时间/ms 最大接地电流/A 100 0 仿真结果 9.0 1160 100 计算结果 8.3 1200 0 /U 值，且故障点的阻抗也会对放电峰值产生较大影 ,V 10,0 响;而电压平衡器的保护动作时间，主要由过流保 ,200.15 0.25 0.35 0.45 护阈值及电感电流决定，将取决于电源电压、电压 0 t/s 平衡器的电感值。 在进行保护配合时，可通过 接地故障时的输出电压(TN 系统) 图 11 式(12)、(13)对断路器的参数进行校核。 Fig. 11 Out voltage when ground fault occur(TN system) 以该系统为例，要求故障处的断路器能在 9 ms 电压平衡器自身保护动作，故障极的电压将在 5 ms
内切断故障，若末端选用施耐德 Compact NSX100 内达到稳态变为 0 V，与理论分析一致。因此无论
直流断路器，断路器额定电流 I整定为 63 A，其配 r 该系统正极或负极发生接地故障，对人体而言，不
备的 TM63D 热磁脱扣曲线如图 13 所示。 考虑故障瞬间触碰到带电设备外壳的情况，均相当
于切断电源，几乎不会产生任何危害。而对于传统 10 000 当断路器并联使用按照如 5 000 下 I和 I的修正系数:r m 的交流系统， TN 系统的预期接触电压常大于 2 000 II r m1 000 [16]2P k,1.25 k,2 110 V，因此，相较交流系统而言该直流 TN 系统 500 3P k,1.20 k,3 t/s 200 具有更高的电击防护性能。 4P k,1.15 k,4 100 50 3)保护设备要求。 由上述分析可知，接地 20 10 故障发生后非故障极电 5 压升为 380 V，对于双极供电设备没有影响，但对 2 TM63D I,11，I mr1 于单极供电设备，非故障极负荷将承受 2 倍额定电 0.5 ,,压，器件极有可能损坏，因此该系统要求在电压平 2 ,,衡器的保护动作前即时切断故障，即需要保护设备 1 能量脱扣: ,,05 与电压平衡器的自身保护相配合。图 12 为由接地 t<10 ms="" 0.02="" 0.01="" 电流、电感电流计算所得曲线与仿真波形的对比，="" 0.005="" 5="" 7="" 1="" 2="" 3="" 4="" 5="" 7="" 10="" 20="" 30="" 50="" 70="" 100="" 200300="" 表="" 3="" 为涉及保护设备参数选取的电压平衡器动作时="" 0.002="" i/i0.001="" r="" 间、最大接地电流值的计算与仿真结果。="">
直流断路器的热磁脱扣曲线 图 13 仿真实验与理论计算结果基本一致，分析可 Fig. 13 Thermal-magnetic trip line for DC circuit breaker 得:该系统接地故障电流峰值主要由电容的瞬间放 由脱扣曲线可知，1 160 A 的短路电流值能使断 路电分量决定，取决于电源电压、电压平衡器的电容 器瞬时脱扣，但 0.02 s 的分断时间仍然无法满足 600 要求，此时可考虑选用能量脱扣或其他能高速切断 实验 400 计算 故障的设备(如高灵敏度的直流 RCD 等)，保证电路 U/A L1 在规定的时间内切断。若故障在 6 ms 后切断，电压 0 平衡器的输出电压波形将如图 14 所示。可见，如 600 400 果保护设备能在接地电流达到电压平衡器的限流 /A iT1200 值前切除故障，输出电压将在 0.03 s 的短暂波动后 0 恢复正常，一般设备仍可持续运行，但对于过电压 1 500 敏感的电子设备等需做进一步的校核。若不满足要 /A id500 i求，可以针对设备的过电压耐受能力设置过电压保 0 护器。 0.18 0.22 0.26 0.30
t/s 综上分析，若该 TN 系统的保护设备能与电压 图 12 电感电流与接地电流的仿真、计算波形 平衡器的保护动作相配合，该系统仍可保证系统供
Fig. 12 Waveform of iand ifor d L1 电的连续性与设备安全。但是，一方面考虑到在民 simulated and calculated
李露露等:低压直流双极供电系统的接地型式研究 第 13 期 2217
400 装置变换而来，系统的故障参数将很大程度上依赖
/，于电力电子装置的选择及其自身的保护设置，并影 200 V 响整个系统的电气安全性能。 0 2)对于含有电压平衡器的直流系统各接地型式 0 /U而言，直流 TT、TN 系统均比相应的交流系统具有 ,V 2,U 00 更高的电气安全性能。但 TN 系统需要采用高速动 ,40.18 0.22 0.26 0.30 00 作的保护装置与电压平衡器相配合来保证系统的供 t/s 电连续性;而直流 TT 系统只需配备 RCD，其供电 图 14 故障切除后的输出电压 连续性和电气安全性能就能得到很好的兼顾，相较 Fig. 14 Out voltage when the fault been cutted 用低压供直流 IT 和直流 TN 系统而言，直流 TT 系统更适合 电系统中，接地故障相较极间短路故障发 生频率作为该类含有电压平衡器的低压直流双极供电系统
高得多;另一方面，因直流电不存在自然过 的接地型式。同时，因不同方向直流电通过人体时 零点，分断直流过电流十分困难(直流电弧不易熄 的电击效应差异，对该接地型式正极、负极接地时， 灭)。因此该系统对保护设备提出了很高的要求，即 接地电阻取值范围及保护设备的要求是不同的。 在保证足够短分断时间的同时，能频繁、可靠的切
断故障过电流，这不仅使保护设备的损耗增大、寿 参考文献
命缩短，供电连续性也难以得到保证，因此该接地 [1] Lohjala J，Kaipia T，Lassila J，et al(Potentiality and 形式在直流系统中的采用应谨慎。 effects of the 1kv low voltage distribution system[C]// 3.5 各接地型式的性能比较 2005 International Conference on Future Power
表 4 给出了根据上述分析得到的对含有电压平 Systems(Amsterdam，Netherlands:IEEE，2005:1-
6( Salamonsson D，Sannino A(Low-voltage DC 衡器的 LVDC 系统各接地型式的接地电阻要求、电 [2]
Distribution system for commercial power systems 气安全性能、保护设备要求、供电连续性等方面的
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绝缘检测器 818-824( 保护设备要求 难以监测 (高灵敏度) Ciezki J G，Ashton R W(Selection and stability issues
供电连续性 较差 较好 [6] associated with a navy shipboard DC zonal electric
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60-68( (责任编辑 张玉荣) Yang Yue(Electrical safety[M](Beijing:China Machine
范文五：低压供电系统
低压配电系统
1、保安应急段 10KV
保安应急段 → 应急变压器 → ?
??
??公用工程变电所应急段
变电所应急段
烧碱变电所应急段 305304302PVC
应急变压器二次 0.4KV 电源分别送到 302烧碱变电所,限定负荷量 646.9KW ;
304PVC 变电所,限定负荷量 608.4KW ;
2、 301所 10KV 母线Ⅰ段和Ⅱ段供电系统 302所
????→
←↓段
联络开关 应急段 回 应急变压器出线
13021301???????
??→←→???→←→↓段
段联络 段
段联络 段 变压器 段 变压器 回
段出现 所 43213#41#22210301KV ???→→↓段 变压器 段
变压器 回
段出线 所 4#32#12110301KV
305所
????→
←↓段
联络开关 应急段 回 应急变压器出线
13051301???????
??→←→???→←→↓段
段联络 段 段联络 段 变压器 段 变压器 回
段出现 所 43213#41#22210301KV ???→→↓段 变压器 段
变压器 回
段出线 所 4#32#12110301KV
306所
???????
??→←→???→←→↓段 段联络 段
段联络 段 变压器 段 变压器 回
段出现 所 03013#01#22210301KV ??
?→????→←→↓段
变压器 段 变压器 回
段出线 所 段
段联络 0#32#1211030102KV 307所 1#变压器 → 1段
3、 304所 10KV 母线Ⅰ段和Ⅱ段供电系统 304所
????→
←↓段
联络开关 应急段 回 应急变压器出线
13041301??
???????→←→???→←→↓段
段联络 段
段联络 段 变压器 段 变压器 回
段出现 所 43213#31#12210304KV ???→→↓段 变压器 段
变压器 回
段出线 所 4#42#22110304KV
303所
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段联络 段
段联络 段 变压器 段 变压器 回
段出现 所 43213#31#12210304KV ???→→↓段 变压器 段
变压器 回
段出线 所 4#42#22110304KV
308所
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段联络 段 变压器
回
段出现 所 211#11210304KV {段
变压器 回
段出线 所 2#21110304→↓KV
4、开关柜配置情况
柜体结构及性能特点
A 、低压抽出式开关柜采用金属结构,户内直立安装,主构架采用敷铝锌板 覆盖全组装而成,外壳防护等级:IP4X 。
配电柜均为防护式组合结构,零件用螺栓连接,加工精度保证抽屉的互 换性;
主母线采用 TMY-T2系列硬铜排, 铜排的连接部分搪锡, 含铜量≥ 99.99%。 B 、大负荷馈线回路 (≥ 800A) 选用框架式智能型抽出式断路器。
负荷馈线回路 (<800a ≥="" 400a)="">
其余馈线回路 (<>
400A 及以上断路器采用电动操作型。
C 、 电动机回路中 75KW 及以上电机控制单元采用固定安装, 断路器为抽出式; 其它电动机控制单元采用抽屉式, 断路器为固定式, 相同型号的抽屉能互换, 即 使在短路事故发生后,其互换性不能改变。
变频器回路为抽出式。
D 、 10kw 以下电动机 (不包括 10kw ) 不配置电动机保护器, 图纸上配置电动 机保护器的改为热继电器保护。 10kw 以上电动机按图纸配置。
许继工控详细的交货清单
(1) 302所开关柜数量 74台:包括
4台进线柜,
2台母联柜,
1台应急段进线柜
1台应急段母联
4台电容柜(350Kvar) ,
9台软启动柜
7台变频柜
1台智能照明柜(SJZ-160KV A) ,出线柜
(2) 304所开关柜数量 64台,包括
4台进线柜,
2台母联柜,
1台应急段进线柜
1台应急段母联
4台电容柜(500Kvar) ,
16台软启动柜
6台变频柜
1台智能照明柜(SJZ-200KV A) ,
出线柜
索凌电气供货范围
(1)所有低压开关柜 (施耐德 BLOCKSET 型)包括开关柜中的母线 (详见 所附单线图 ) 两列开关柜之间;开关柜与变压器之间的母线槽,开关柜所需的 专用工具等。
(2) 301所开关柜数量:交流屏 2套; 5台 /套,包括
1台进线柜,
3台应急出线柜(302所、 304所、 305所) ,
1台抽屉柜 (回路有 AC1交流屏电源Ⅱ, AC2交流屏电源Ⅱ, UPS 电源装 置Ⅰ, 6个备用)
(3) 303所开关柜数量:53台 /套,包括
4台进线柜,
4台电容柜(JJG-0.4/350/6,分组 35Kvar ×10) ,
1台智能照明(GGDZ-T-3150, 150KV A) ,
9台软启动柜,
4台变频柜,
2台母联柜,
出线柜
(4) 305所开关柜数量:64台 /套,包括
4台进线柜,
2台母联柜,
1台应急段进线柜
1台应急段母联
4台电容柜(JJG-0.4/500/6),
13台软启动柜
2台变频柜
1台智能照明柜(GGDZ-T-3160, 160KV A)
出线柜
(5) 306所开关柜数量:22台 /套包括
4台进线柜,
3台电容柜(JJG-0.4/300/6),
3台备用电源柜,
3台备用进线柜,
出线柜
(6) 307所开关柜数量:5台 /套
1台进线柜,
1台电容柜(JJG-0.4/300/6),
出线柜
(7) 308所开关柜数量:26台 /套,包括
2台进线柜
4台软启动柜
2台电容柜(JJG-0.4/300/6)
1台变频器柜
1台智能照明柜(GGDZ-T-3160, 160KV A)
母联柜 1台
(8)厂外供水泵站开关柜数量:6台/套(具体配置见图) 1台进线柜
3台变频器柜
1台电容柜(JJG-0.4/95/6)
特别说明:301、 305、 306、 307、 308各变电所,要带相应干式变压器内 的铜排, 铜排长度以连接到变压器低压出线端子, 并按变压器出线端子连接要求 打好眼、 搪好锡, 具备直接连接的条件为准。 规格及型号与配电柜内的铜排相同, 具体的制作见详图,由干式变压器供货商提供。
同三相油浸式自冷全密闭户外防腐 2级电力配电变压器二次出线的连接 用密闭母排桥架, 一直制作到变压器二次出线法兰盘, 按照变压器二次出线法兰 盘做好相应法兰并打好孔,具备直接连接安装的条件。
301变电所高压侧母线桥不在报价范围。
具体母排明细:
301所:2000KV A 干式变压器二次出线端子到 MNS 、 BLOKSET 柜母排 1套。 305所:2000KV A 干式变压器二次出线端子到 MNS 、 BLOKSET 柜母排 4套。 306所:1000KV A 干式变压器二次出线端子到 MNS 、 BLOKSET 柜母排 4套。 307所:1250 KVA 干式变压器二次出线端子到 MNS 、 BLOKSET 柜母排 1套。 308所:1250 KVA 干式变压器二次出线端子到 MNS 、 BLOKSET 柜母排 2套。
305公用工程变电所变频柜、软启动柜配置表
308电石破碎变电所变频柜、软启动柜配置表
厂外供水泵站变频柜、软启动柜配置表
5、变压器
变压器台数一览表
变压器台数一览表
油浸式变压器技术参数
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