直流微電網(wǎng)共直流母線技術(shù)及應(yīng)用

1. 直流應(yīng)用的變化和趨勢(shì)

一百年前愛迪生直流電和尼古拉˙特斯拉交流電的技術(shù)線路之爭中，特斯拉的交流電占據(jù)了一百年時(shí)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(shí)顛覆了大家的直觀感覺，在實(shí)際用電設(shè)備的最終環(huán)節(jié)大部分都是直流，因?yàn)橹绷?a target="_blank">電源系統(tǒng)可靠性較高、電壓平穩(wěn)，抗干擾性能好，直流開關(guān)電源效率也高于交流UPS，直流電壓低可以很容易實(shí)現(xiàn)電池的較長后備時(shí)間，也較容易實(shí)現(xiàn)不間斷供電。

而當(dāng)年的技術(shù)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(shù)的不斷發(fā)展，直流電發(fā)展的關(guān)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(shì)以及更好的發(fā)展路徑。可以從以下三方面來看：

①負(fù)荷端一是數(shù)字社會(huì)，如騰訊這種創(chuàng)新型企業(yè)，當(dāng)100萬臺(tái)服務(wù)器運(yùn)作時(shí)，其能源消耗已占到所有支出中最大比重，其數(shù)據(jù)中心的負(fù)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(shì)，如美國的燃料電池飛機(jī)、特斯拉/蔚來的電動(dòng)汽車，都是較典型的電氣化交通工具，其復(fù)合也是直流的。這兩個(gè)是負(fù)荷端最大、最主流的變化。

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

③儲(chǔ)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(chǔ)能，而儲(chǔ)能大多數(shù)為直流，如說鋰電池、鉛炭電池、超級(jí)電容等儲(chǔ)能設(shè)備都是直流。

從負(fù)荷端、發(fā)電端、儲(chǔ)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(shì)

從技術(shù)上說，交流電有幅值、頻率、相位三個(gè)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(shí)際用電設(shè)備的最終環(huán)節(jié)大多是直流的。直流自帶關(guān)鍵詞：簡單、綠色、高效。

具體來講，直流微電網(wǎng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、沒有無功問題

直流系統(tǒng)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(tǒng)電流幅值及相應(yīng)損耗較交流系統(tǒng)更小，當(dāng)直流微電網(wǎng)電壓為交流線電壓的兩倍時(shí)，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(shù)無關(guān)，更有利于電壓控制；

2、沒有相位問題

交流電網(wǎng)中的設(shè)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(guān)，直流微網(wǎng)上的設(shè)備無需考慮相位問題，切換更容易，穩(wěn)定性也得到增強(qiáng)；

3、結(jié)構(gòu)簡單

由于大多數(shù)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(jí)變換，省略了許多變流器環(huán)節(jié)，降低了損耗，節(jié)省了經(jīng)費(fèi)，也提高了可靠性；

4、體積小

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

5、高質(zhì)量供電

由于大多數(shù)儲(chǔ)能都是直流電，因此直流微電網(wǎng)更易于接入儲(chǔ)能裝置，從而提供高質(zhì)量供電；

6、綠色、環(huán)保

直流電不會(huì)產(chǎn)生交變電磁場，因此電磁輻射小，更加環(huán)保。

當(dāng)然，直流微電網(wǎng)目前也有部分技術(shù)問題亟待解決，如直流斷路器等目前實(shí)現(xiàn)過程復(fù)雜、成本較高等。

3. 直流微電網(wǎng)中的共直流母線技術(shù)

直流是一種組織方式，可以將各種新能源發(fā)電、儲(chǔ)能、負(fù)荷通過直流母線耦合起來，這就是所謂直流微電網(wǎng)的概念。直流微電網(wǎng)是由直流構(gòu)成的微電網(wǎng)，是未來智能配用電系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)推進(jìn)節(jié)能減排和實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。相比交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)可更高效可靠地接納風(fēng)、光等分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能單元、電動(dòng)汽車及其他直流用電負(fù)荷。

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

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(gè)直流母線通過一個(gè)雙向DC/AC與交流電網(wǎng)對(duì)接，其稱為共直流母線的技術(shù)路線。

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

現(xiàn)在的發(fā)電的手段和儲(chǔ)能的手段和負(fù)荷的種類都比以前復(fù)雜的多，這些全部是影響直流母線的因素。因而現(xiàn)在的直流母線技術(shù)靈活性更強(qiáng)，同時(shí)復(fù)雜度也很高，復(fù)雜到一定程度需要一個(gè)上層的系統(tǒng)來進(jìn)行有效的能量管理。

共直流母線技術(shù)的三個(gè)要素：雙向DC/AC、雙向DC/DC以及能量管理。

雙向AC/DC

因?yàn)樵缙诘呢?fù)荷都是交流的，所以最早需要解決的問題就是DCAC，這個(gè)現(xiàn)在已經(jīng)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(fù)荷供電，必須需要DCDC，隨著直流負(fù)荷的增多，DCDC的場景、電壓等級(jí)也需要隨之越來越豐富，價(jià)格也需要越來越低。

能量管理

當(dāng)所有的設(shè)備、功能齊全之后，需要開始考慮優(yōu)化，可以分為四個(gè)部分：

1.首先需要監(jiān)控，保證安全性。

2.然后通過智能的調(diào)度，保證穩(wěn)定性，和經(jīng)濟(jì)性。

3.利用云和大數(shù)據(jù)來分析用戶行為，由此進(jìn)行優(yōu)化

4.最后需要做到互動(dòng)，通過各種手段，如經(jīng)濟(jì)上獎(jiǎng)勵(lì)或者懲罰來讓用戶參與到系統(tǒng)中來。

4. 直流微電網(wǎng)的應(yīng)用場景

點(diǎn)擊播放嘉賓對(duì)直流微電網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例的詳細(xì)分析：

總結(jié)：

直流電網(wǎng)時(shí)代還早，直流母線時(shí)代已來

直流負(fù)荷已經(jīng)逐步應(yīng)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(shù)值得普及