直流配电系统对能源效率的影响及计算模型研究

© 2013 Zifa Liu，Mengyu Li.出版社：Elsevier B.V.由美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectAASRI Procedia 7（2014）68 - 742013第二届AASRI电力与能源系统直流配电系统Liu Zifa *，Mengyu Li地址：北京市昌平区回龙观镇北农路2号，邮编：摘要本文对直流配电系统的节能问题进行了研究。建立了馈线和负荷的效率计算模型，分析了AC/DC、DC/DC和DC/AC的效率。此外，一个交流系统和两个直流系统，双极和双极，能量效率的计算和比较。论证了采用直流供电的办公楼比采用交流供电的办公楼效率的提高。分析表明，直流配电系统的能量利用效率高于交流配电系统。© 2014作者。出版社：Elsevier B. V.这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。美国应用科学研究所关键词：能源效率;直流配电系统;计算模型1. 介绍随着新能源、信息技术和电力电子技术的迅速发展和经济的不断提高，用户对电能的需求以及对电能质量、可靠性、经济性和环保性的要求不断提高。配电系统面临负荷分流、城市中心供电不足、供电走廊压力大等问题。与传统的交流配电系统相比，直流配电系统具有供电容量大[1-3]、馈线损耗小[4-6]、能量传输效率高[7-9]、电能质量好[10]、供电可靠性高[11]、可再生能源可接入[12]等如果交流配电系统被直流配电系统取代，大量的整流和逆变环节，以及能量消耗，* 通讯作者。联系电话：电话：010 -61772177传真：010 -61772177电子邮件地址：tjubluesky@163.com2212-6716 © 2014作者出版社：Elsevier B.诉 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。美国应用科学研究所科学委员会负责的同行评审doi：10.1016/j.aasri.2014.05.031Zifa Liu和Mengyu Li / AASRI Procedia 7（2014）6869NNN可以减少这些部件的消耗，进而达到节能的目的。文献[12]研究表明，由于直流配电系统的馈线电压值是交流配电系统的2倍，直流配电系统的馈线损耗约占交流配电系统的15%~50%。本文对直流配电系统的能效问题进行了研究。首先介绍了直流配电系统的概念，给出了直流配电系统的结构图。然后，对馈线、电力设备和负荷的能效进行了分析，建立了它们的计算模型。最后对直流配电系统的总能效进行了计算分析。2. 直流馈线2.1 直流馈线馈线的能效指标主要包括馈线的有功损耗、输电效率、能量损耗和损耗率。交流馈线、双极性直流馈线和双极性直流馈线的计算模型比较如下。直流馈线的运行方式为金属环运行方式。交流馈线有功损耗计算模型如下：P（一）式中，P为负荷消耗的有功损耗，UN为馈线额定电压，cos为负荷功率因数，r为每公里馈线电阻，L为馈线距离。直流馈线有功损耗的计算模型如下：PURPOSEPURPOSE2/U2个RRL式中，R为两条馈线的总电阻。双极直流馈线有功损耗计算模型如下：P2P2/（2 U2）rL其中r是两个馈线的总电阻。传动效率计算模型如下：效率（P2/P1）100%式中P1为开始时输入有功功率，P2为结束时输出有功功率.能量损失计算模型如下：（二）（三）（四）Wz Pmax 最大（五）其中，最大有功功率损耗为最大负载时的有功功率损耗，最大负载时的有功功率损耗。馈线损耗率计算模型如下：一年中能量损失除以（WZ/W1）WZ/（W2WZ）100%其中W1为开始时的能量输入，W2为结束时的能量输出2.2 直流馈线（六）2.2.1 假定计算条件计算选用单相截面积为240mm2的YJV 22电缆，70Zifa Liu和Mengyu Li / AASRI Procedia 7（2014）68馈线距离为3km，负荷在馈线上消耗的有功功率为3MW，功率因数为0.9，电缆电压为10kV、 15kV、20kV、 25kV、 30kV五档。2.2.2 计算结果图1交流馈线与直流馈线从图1中可以看出，单相截面积为240mm2的YJV22电缆的传输效率和损耗率曲线，根据这些图可以比较交流馈线、直流馈线和双极直流馈线的损耗率。通过对图表结果的分析，发现在10 ~ 30 kV电压等级范围内的双极直流馈线中，电缆的效率总是最优的，且在10 kV电压等级时，其优势明显优于交流馈线。随着电压等级的升高，双极直流馈线相对于交流馈线的效率优势正在缩小。因此，在双极直流馈线中供电效率最高。3. AC/DC、DC/AC和DC/DC的能效分析AC/DC、DC/DC和DC/AC的损耗不用于计算，不能简单地用公式计算。通过电力电子设备效率表确定它们的能量效率。表1 AC/DC、DC/DC和DC/AC额定功率（W）转换101001000100001000001000000AC/DC 69%百分之七十五百分之八十一百分之八十七百分之九十三百分之九十九DC/DC 86%百分之九十百分之九十二百分之九十六百分之九十七百分之九十九DC/AC 90%百分之九十二百分之九十二百分之九十五百分之九十五百分之九十八AC/DC、DC/DC和DC/AC的运行效率与容量密切相关。根据对市场上这些动力电气设备的调查，效率如表1[13]所示。Zifa Liu和Mengyu Li / AASRI Procedia 7（2014）68714. 办公建筑4.1 办公楼4.1.1 服务器从上述数据中心服务器的电源系统来看，交流电源和直流电源的能效差异在于功率转换装置和馈线损耗。电源转换设备包括UPS、变压器和转换器等。图2清楚地表明，在服务器内，数据交换设备和其他核心IT设备在相同的直流电压下工作。所以无论是在交流还是直流供电系统中，服务器内部的核心设备在相同的运行环境下的能耗是相同的。DC/ACUPS服务器AC/DCDC/DC数据处理设备UPS服务器图2（a）服务器的交流供电系统;（b）服务器如果服务器使用传统的交流电源系统供电，其电源效率如下：公司简介 不间断电源AC/DC不间断电源DC/AC不间断电源馈线（七）如果服务器以前是由直流电源系统供电，那么电源效率如下：AC/DC直流电源馈线（八）其中，UPS是UPS的功率效率，是Transformer的功率效率，是AC/DC功率效率馈线。4.1.2 其他负载是DC/DC的功率效率，与服务器一样，空调、日光灯、LED灯和笔记本电脑的能效模型由公式（9）~（13）表示。空调：交流电源系统供电时的效率：公司简介 交流/直流馈线（AC/DC）（九）直流电源系统供电时的效率：荧光灯：美国DC 直流/直流馈电线（十）公式（11）是传统的由交流电源供电的荧光灯的效率，(10)它是由直流电源供电的。公司简介 自动送料机（十一）AC/DCAC/DCDC/DC数据处理设备72Zifa Liu和Mengyu Li / AASRI Procedia 7（2014）68）Wwer（kLED灯：交流电源系统供电时的效率：公司简介 AC/DC直流馈线（十二）直流电源系统供电时的效率：美国DC DC/DC直流馈电线（十三）由于配电系统通过电源适配器作为LED供电系统向笔记本电脑供电，因此在电源适配器中产生功率损耗，在馈线中产生多个损耗。因此，由交流系统和直流系统供电的笔记本电脑效率由公式（12）和（13）表示。4.2 办公建筑4.2.1 办公楼本文以一座10000m2的大型办公楼为例进行了分析。办公楼中常见的负荷包括空调、笔记本电脑、照明、IT设备等。表2列出了办公楼中的几种负荷。表2办公楼号负载功率（W）数量总计（W）1空调4000052000002荧光灯40600240003LED150100150004笔记本601000600005打印机200100200006IT设备50006300004.2.2 办公楼200150100500024681012141618202224时间（h）图3办公楼空调灯LED膝上型电脑功率Zifa Liu和Mengyu Li / AASRI Procedia 7（2014）6873本文将8：00 - 17：00的工作时间设定为，办公楼内的负荷曲线如图3所示。4.2.3 办公建筑节能计算结果分析在计算中，假设不考虑建筑物内馈线的损耗。根据负荷计算模型和负荷日变化曲线，可以计算建筑物和主要负荷一天的能耗，计算结果见表3。表3办公建筑空调（kWh/d31800589.27255.3975.34%87.57%荧光灯148.8041.24百分百百分之七十八点三LED17184.0319百分之六十七点零五百分之九十笔记本642343.8787.5565.12%百分之八十八IT设备366259.18109.4458.54%76.98%总3127.81276.35512.6171.02%85.92%从表中可以看出，采用直流电源供电的办公楼比采用交流电源供电的办公楼效率提高了14.90%。3.采用直流电源供电时，空调每天可节约最多的电能约333.88kWh，其供电效率提高了12.23%;而办公楼内的笔记本电脑每天可节约电能约256.32kWh，其效率可提高22.88%。其它负载的统计见表3。5. 结论本文建立了办公楼供电直流馈线和直流系统的计算模型。计算了交流供电系统的功率损耗和效率，并与直流供电系统的结果进行了比较。通过模型计算，与交流馈线和直流馈线相比，双极直流馈线具有最高的效率。直流供电时办公楼的效率比交流供电时高。办公楼的效率提高了14.90%。为办公楼直流供电系统替代交流供电系统提供了理论依据。引用[1] 姜道卓，郑焕。直流配电网的研究现状及发展前景[J].电力系统自动化，2012，36（ 83：98-104.[2] J. 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