如何構(gòu)建直流微電網(wǎng)

　　托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）除了在與特斯拉和西屋公司的臭名昭著的“電流之戰(zhàn)”中支持直流配電外，他對能源供應(yīng)和可持續(xù)性的看法與當(dāng)今正在制定的政策驚人地相似。他贊成使用本地發(fā)電，這樣可以最大限度地減少直流輸電損耗，并對利用風(fēng)能、太陽能和潮汐等可再生能源的前景著迷。

　　當(dāng)然，今天，對化石燃料的未來及其對環(huán)境影響的日益關(guān)注正將政策制定者的注意力引向可再生能源。此外，隨著技術(shù)進(jìn)步將小型光伏陣列和風(fēng)力渦輪機(jī)帶入企業(yè)、小型農(nóng)場和一些房主的財(cái)務(wù)范圍內(nèi)，本地發(fā)電——無論是連接到主電網(wǎng)還是孤島發(fā)電——已經(jīng)變得實(shí)用且經(jīng)濟(jì)可行。這種發(fā)電機(jī)的輸出通常是直流電，必須先轉(zhuǎn)換為適當(dāng)頻率和電壓的交流電，然后才能饋入本地線路電源。用于實(shí)現(xiàn)此目的的電源調(diào)節(jié)電路消耗了百分之幾的寶貴能量。如果可以消除對直流到交流逆變器的需求，則可以節(jié)省能源。

　　自愛迪生時(shí)代以來，電力消耗顯著增加；特別是通過越來越多的設(shè)備使用，例如個(gè)人電腦、移動(dòng)充電器、平板電視和小型辦公機(jī)器，這些設(shè)備基本上都是直流供電系統(tǒng)。此外，白熾燈正在逐步淘汰，取而代之的是直流供電的 LED 替代品。傳統(tǒng)上包含交流感應(yīng)電機(jī)（如洗衣機(jī)或冰箱）的電器中的節(jié)能變頻驅(qū)動(dòng)器現(xiàn)在將交流線路電源轉(zhuǎn)換為直流，然后以正確的頻率重建交流波形以實(shí)現(xiàn)所需的電機(jī)速度。從長遠(yuǎn)來看，廣泛使用插電式混合動(dòng)力或電動(dòng)汽車的前景將進(jìn)一步將需求平衡轉(zhuǎn)向可以通過直流電源更有效地運(yùn)行的本地直流負(fù)載，無需在輸入端使用 AC/DC 電源。電力研究所 （EPRI） 估計(jì)，直接使用現(xiàn)場可再生能源而不轉(zhuǎn)換為交流電的效率增益可能高達(dá) 15%。

　　然而，今天的交流電網(wǎng)代表著對設(shè)備和技術(shù)的巨大投資。此外，目前使用的大量電器設(shè)計(jì)為由高壓交流電源供電，并且需要調(diào)整為由直流電源供電，或以其他方式更換。因此，采用直流配電的革命性變化是不切實(shí)際的。

　　構(gòu)建直流微電網(wǎng)

　　另一方面，增量變化可以在最容易訪問的區(qū)域引入 DC 分布的優(yōu)勢。小型直流微電網(wǎng)可用于通過以最小的轉(zhuǎn)換損耗為 LED 照明或其他直流電器等負(fù)載供電來增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)交流線路電源。這為擁有自己的太陽能或風(fēng)力微型發(fā)電機(jī)的辦公室或家庭等物業(yè)提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，可以有效地利用可再生能源，從而同時(shí)減少水電費(fèi)和環(huán)境足跡。

　　隨著今天的配電網(wǎng)和電器變得更加智能并獲得智能以處理需求側(cè)管理和平衡，直流微電網(wǎng)可以成為整體智能電網(wǎng)戰(zhàn)略的組成部分，方法是在可以獨(dú)立供電的時(shí)候從主電網(wǎng)中移除負(fù)載，并在可以獨(dú)立供電的時(shí)候重新連接。當(dāng)?shù)啬茉匆芽萁?。微電網(wǎng)還可用于通過逆變器連接到主電網(wǎng)來從本地微??型發(fā)電機(jī)饋入任何多余的能量。

　　巴斯大學(xué)已經(jīng)實(shí)施了它聲稱的英國首個(gè)本地直流網(wǎng)絡(luò)，為校園圖書館供電。在為期六個(gè)月的實(shí)驗(yàn)中，50 臺(tái)經(jīng)過特殊改裝的個(gè)人電腦直接由直流電源供電，LED 照明也由直流微電網(wǎng)供電。此外，安裝了一組直接從直流微電網(wǎng)充電的備用電池，為照明和計(jì)算機(jī)供電，以防公用事業(yè)供應(yīng)中斷。由于該實(shí)驗(yàn)旨在研究建筑物內(nèi)的低壓直流配電，因此能源來自標(biāo)準(zhǔn)交流電網(wǎng)，而不是當(dāng)?shù)氐目稍偕茉垂?yīng)。前端的單個(gè) AC/DC 轉(zhuǎn)換器有效地取代了圖書館計(jì)算機(jī)中的單個(gè) AC/DC 電源，從而消除多組轉(zhuǎn)換損耗，從而提高整體效率。該大學(xué)聲稱圖書館的總能源消耗減少了一半，相當(dāng)于每年節(jié)省約 25，000 英鎊，而且建筑物內(nèi)的環(huán)境空氣溫度也降低了。

　　標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)進(jìn)步

　　可能阻礙直流微電網(wǎng)采用的一個(gè)因素是相對缺乏管理工作電壓、接線、安全和設(shè)備互操作性等方面的標(biāo)準(zhǔn)。EMerge 聯(lián)盟發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)旨在解決這一缺陷，其中包括 Occupied Space 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 24 V 的低壓直流配電，適用于為室內(nèi)照明和小型電器供電（圖 1）。該聯(lián)盟還發(fā)布了數(shù)據(jù)/電信中心標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了更高的 380 V DC電壓為高性能服務(wù)器提供更高的電源能力。通過減少配電電流，更高的電壓還有助于降低銅成本。預(yù)計(jì)會(huì)有更多的 Emerge 聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)，包括在室外空間提供照明和電動(dòng)汽車充電點(diǎn)等負(fù)載的標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖 1：Occupied Space 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)想在天花板上進(jìn)行低壓直流配電，并適用于現(xiàn)場產(chǎn)生的直??流電的饋入。

　　盡管低壓直流配電非常適合為 LED 照明供電，但沒有針對低壓直流插頭、電纜或輸入插座的機(jī)械、安全或保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)允許低壓直流供電設(shè)備上市或易于使用。如果采用直流微電網(wǎng)，它們可能首先僅用于為照明等負(fù)載供電，并且可能需要與標(biāo)準(zhǔn)交流單相電壓下的交流室內(nèi)配電并聯(lián)安裝。

　　《國際工程技術(shù)和物理問題雜志》 （IJTPE）中概述的一項(xiàng)計(jì)劃建議將交流和直流電網(wǎng)互連，以創(chuàng)建一個(gè)混合網(wǎng)絡(luò)（圖 2），該網(wǎng)絡(luò)可以由公用事業(yè)電源或本地太陽能或風(fēng)力微型發(fā)電機(jī)供電。逆變器處理從直流到電網(wǎng)交流側(cè)的能量傳輸，而交流/直流轉(zhuǎn)換器使公用事業(yè)電源能夠在太陽能電池陣列停止發(fā)電時(shí)在需要時(shí)為直流總線供電。

　　圖 2：由逆變器和轉(zhuǎn)換器互連的混合 AC-DC 電網(wǎng)。

　　儲(chǔ)能選項(xiàng)

　　由于可再生能源不一致，可能需要備用電源來幫助穩(wěn)定能源流動(dòng)并提供應(yīng)急電源。并網(wǎng)存儲(chǔ)可以是電池陣列，如圖 2 所示，也用于巴斯大學(xué)的實(shí)驗(yàn)，但也可以考慮使用其他類型的存儲(chǔ)，例如飛輪或超級電容器陣列。

　　超級電容器具有非常高的功率密度和快速放電能力，可以快速響應(yīng)短期的高功率需求。充電時(shí)間也比電池短得多，其他優(yōu)點(diǎn)包括更長的循環(huán)壽命、更高的可靠性、更低的維護(hù)、卓越的溫度穩(wěn)定性和更寬的工作溫度范圍。與普通電解電容器相比，體積效率提高數(shù)千倍，使工程師能夠設(shè)計(jì)緊湊輕巧的存儲(chǔ)，用于從包含單個(gè)超級電容器的板級脈沖或保持電路到適用于微電網(wǎng)備份或其他用途的大型超級電容器組UPS 或電力推進(jìn)等應(yīng)用。

　　AVX擁有 SCC 系列等超級電容器，其標(biāo)稱電壓為 2.7 V，有多種尺寸可供選擇，最大可達(dá) 165 mm x 60 mm，電容值從 1 F 到SCCR12B105SRB最高可達(dá) 3500 F。在由多個(gè)超級電容器組成的陣列中，設(shè)備管理器 IC（例如德州儀器 BQ33100）可以為多達(dá)五個(gè)串聯(lián)的超級電容器提供控制、主動(dòng)平衡以防止過壓、健康監(jiān)測和保護(hù)。與圖 3 中的BQ24640充電器 IC一起使用時(shí)，該 IC 通過 SMBus 連接向系統(tǒng)發(fā)送信息，例如單個(gè)設(shè)備的充電狀態(tài)。

　　圖 3：對小型超級電容器儲(chǔ)能器進(jìn)行充電和監(jiān)控。

　　要為微電網(wǎng)備份構(gòu)建大型電容器組，所需的超級電容器數(shù)量取決于所需的能量和輸出電壓。在他們的論文《在微電網(wǎng)系統(tǒng)中的超級電容器儲(chǔ)能應(yīng)用》中，Gorakhnath、Venkateshwarlu 和 Tukaram 使用以下等式計(jì)算了提供 86 W/h 以通過 DC/AC 逆變器為三個(gè) 400 V AC相中的每一個(gè)供電所需的單元數(shù)量高達(dá) 7 千瓦。

　　其中 W ini = 應(yīng)用所需的能量；C c = 每個(gè)超級電容器單元的容量；U Max = 超級電容的最大電壓；d=電壓放電比

　　同樣，滿足電壓要求所需的單元數(shù)量由下式給出：

　　其中 V Min = 組的最小電壓

　　Maxwell Technologies擁有一系列適用于各種備用應(yīng)用的現(xiàn)成超級電容器組，總電容高達(dá) 500 F，電壓范圍為 16 V 至 75 V。其中，BMOD0165 P048的工作電壓為 48 V DC，額定電容為 165 F，可存儲(chǔ) 53 W/h 的能量。

　　結(jié)論

　　在家庭或辦公室環(huán)境中，直接使用本地產(chǎn)生的低壓（例如 24 V）電力來為 LED 照明等負(fù)載供電是有意義的。通過最大限度地減少 DC/DC 轉(zhuǎn)換并避免使用逆變器，當(dāng)?shù)匚㈦娋W(wǎng)可以更好地利用可再生能源來節(jié)省水電費(fèi)并減少溫室氣體排放。并聯(lián)或混合 AC/DC 網(wǎng)絡(luò)是可行的，可能有助于鼓勵(lì)低壓直流微電網(wǎng)與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的集成。這些可以使用來自主要公用事業(yè)電源或現(xiàn)場微型發(fā)電機(jī)的能量供電，并由電池或大功率電源（如超級電容器組）提供支持。