直流微電網共直流母線技術及應用

1. 直流應用的變化和趨勢

一百年前愛迪生直流電和尼古拉˙特斯拉交流電的技術線路之爭中，特斯拉的交流電占據了一百年時間里絕大部分市場份額，幾乎成為電力輸送的代名詞。但事實顛覆了大家的直觀感覺，在實際用電設備的最終環(huán)節(jié)大部分都是直流，因為直流電源系統可靠性較高、電壓平穩(wěn)，抗干擾性能好，直流開關電源效率也高于交流UPS，直流電壓低可以很容易實現電池的較長后備時間，也較容易實現不間斷供電。

而當年的技術條件有限，交流變壓器很快被研發(fā)出來，而直流變壓器遲遲未被開發(fā)，沒有直流變壓器，就無法升高電壓、減小電流和損耗，將電輸送至千家萬戶。

如今，隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，直流電發(fā)展的關鍵問題被解決，伴隨著新能源的爆發(fā)，直流有了明顯的優(yōu)勢以及更好的發(fā)展路徑。可以從以下三方面來看：

①負荷端一是數字社會，如騰訊這種創(chuàng)新型企業(yè)，當100萬臺服務器運作時，其能源消耗已占到所有支出中最大比重，其數據中心的負荷是直流的；二是交通電氣化，無論天上飛的、路上走的還是水里游的交通工具都有電氣化趨勢，如美國的燃料電池飛機、特斯拉/蔚來的電動汽車，都是較典型的電氣化交通工具，其復合也是直流的。這兩個是負荷端最大、最主流的變化。

②發(fā)電端以化石能源為主要結構能源供給形勢已經不能滿足需求，必須尋求新的能源結構。而光伏發(fā)電、燃料電池、生物質能等各種各樣的新發(fā)電形式，絕大部分都是直流。

③儲能端由于發(fā)電端的新能源形式大多不穩(wěn)定，所以需要配置儲能，而儲能大多數為直流，如說鋰電池、鉛炭電池、超級電容等儲能設備都是直流。

從負荷端、發(fā)電端、儲能端三方面都可以看出直流地位越來越顯著。

2. 直流的優(yōu)勢

從技術上說，交流電有幅值、頻率、相位三個量需要控制，而直流電只需要控制電壓幅值，更加簡單穩(wěn)定，且實際用電設備的最終環(huán)節(jié)大多是直流的。直流自帶關鍵詞：簡單、綠色、高效。

具體來講，直流微電網有以下優(yōu)點：

1、沒有無功問題

直流系統中不存在無功電流分量，在提供同樣有功功率的情況下，直流系統電流幅值及相應損耗較交流系統更小，當直流微電網電壓為交流線電壓的兩倍時，直流線路的有功損耗僅為交流線路的15%-50%。沒有無功問題也使電壓分布與線路電感、電容參數無關，更有利于電壓控制；

2、沒有相位問題

交流電網中的設備（主要為電源）切換與相位、相序、頻率等交流電特征量密切相關，直流微網上的設備無需考慮相位問題，切換更容易，穩(wěn)定性也得到增強；

3、結構簡單

由于大多數新能源發(fā)電都是直流電，如果并入直流母線，則只需要一級變換，省略了許多變流器環(huán)節(jié)，降低了損耗，節(jié)省了經費，也提高了可靠性；

4、體積小

DC/DC變換器多采用高開關頻率，因此裝置功率密度遠大于工頻變流器，體積更小；

5、高質量供電

由于大多數儲能都是直流電，因此直流微電網更易于接入儲能裝置，從而提供高質量供電；

6、綠色、環(huán)保

直流電不會產生交變電磁場，因此電磁輻射小，更加環(huán)保。

當然，直流微電網目前也有部分技術問題亟待解決，如直流斷路器等目前實現過程復雜、成本較高等。

3. 直流微電網中的共直流母線技術

直流是一種組織方式，可以將各種新能源發(fā)電、儲能、負荷通過直流母線耦合起來，這就是所謂直流微電網的概念。直流微電網是由直流構成的微電網，是未來智能配用電系統的重要組成部分，對推進節(jié)能減排和實現能源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。相比交流微電網，直流微電網可更高效可靠地接納風、光等分布式可再生能源發(fā)電系統、儲能單元、電動汽車及其他直流用電負荷。

交流微電網需要控制提供的頻率、幅值、相位，而直流微電網的關鍵問題是直流母線的幅值，這就需要直流微電網中的共直流母線技術。

定義：通過一條公共的直流母線將所有微電源連接起來，整個直流母線通過一個雙向DC/AC與交流電網對接，其稱為共直流母線的技術路線。

共直流母線已經已經有幾十年的歷史了，是非常古老的技術路線，最早的時候只是交流大電網通過整流提供直流電。只有一種方式，并且負荷簡單，但是非常不靈活。

現在的發(fā)電的手段和儲能的手段和負荷的種類都比以前復雜的多，這些全部是影響直流母線的因素。因而現在的直流母線技術靈活性更強，同時復雜度也很高，復雜到一定程度需要一個上層的系統來進行有效的能量管理。

共直流母線技術的三個要素：雙向DC/AC、雙向DC/DC以及能量管理。

雙向AC/DC

因為早期的負荷都是交流的，所以最早需要解決的問題就是DCAC，這個現在已經有很多企業(yè)在做了。這里不做贅述。

雙向DC/DC

如果基于直流母線給直流負荷供電，必須需要DCDC，隨著直流負荷的增多，DCDC的場景、電壓等級也需要隨之越來越豐富，價格也需要越來越低。

能量管理

當所有的設備、功能齊全之后，需要開始考慮優(yōu)化，可以分為四個部分：

1.首先需要監(jiān)控，保證安全性。

2.然后通過智能的調度，保證穩(wěn)定性，和經濟性。

3.利用云和大數據來分析用戶行為，由此進行優(yōu)化

4.最后需要做到互動，通過各種手段，如經濟上獎勵或者懲罰來讓用戶參與到系統中來。

4. 直流微電網的應用場景

點擊播放嘉賓對直流微電網應用實例的詳細分析：

總結：

直流電網時代還早，直流母線時代已來

直流負荷已經逐步應用

直流變換器的成本降低極為重要

智能型共直流母線技術值得普及