直流微电网共直流母线技术及应用

直流微电网共直流母线技术及应用

1.  直流应用的变化和趋势

一百年前爱迪生直流电和尼古拉˙特斯拉交流电的技术线路之争中，特斯拉的交流电占据了一百年时间里绝大部分市场份额，几乎成为电力输送的代名词。但事实颠覆了大家的直观感觉，在实际用电设备的最终环节大部分都是直流，因为直流电源系统可靠性较高、电压平稳，抗干扰性能好，直流开关电源效率也高于交流UPS，直流电压低可以很容易实现电池的较长后备时间，也较容易实现不间断供电。

而当年的技术条件有限，交流变压器很快被研发出来，而直流变压器迟迟未被开发，没有直流变压器，就无法升高电压、减小电流和损耗，将电输送至千家万户。

如今，随着电力电子技术的不断发展，直流电发展的关键问题被解决，伴随着新能源的爆发，直流有了明显的优势以及更好的发展路径。可以从以下三方面来看：

①负荷端一是数字社会，如腾讯这种创新型企业，当100万台服务器运作时，其能源消耗已占到所有支出中最大比重，其数据中心的负荷是直流的；二是交通电气化，无论天上飞的、路上走的还是水里游的交通工具都有电气化趋势，如美国的燃料电池飞机、特斯拉/蔚来的电动汽车，都是较典型的电气化交通工具，其复合也是直流的。这两个是负荷端最大、最主流的变化。

②发电端以化石能源为主要结构能源供给形势已经不能满足需求，必须寻求新的能源结构。而光伏发电、燃料电池、生物质能等各种各样的新发电形式，绝大部分都是直流。

③储能端由于发电端的新能源形式大多不稳定，所以需要配置储能，而储能大多数为直流，如说锂电池、铅炭电池、超级电容等储能设备都是直流。

从负荷端、发电端、储能端三方面都可以看出直流地位越来越显著。

2.  直流的优势

从技术上说，交流电有幅值、频率、相位三个量需要控制，而直流电只需要控制电压幅值，更加简单稳定，且实际用电设备的最终环节大多是直流的。直流自带关键词：简单、绿色、高效。

具体来讲，直流微电网有以下优点：

1、没有无功问题

直流系统中不存在无功电流分量，在提供同样有功功率的情况下，直流系统电流幅值及相应损耗较交流系统更小，当直流微电网电压为交流线电压的两倍时，直流线路的有功损耗仅为交流线路的15%-50%。没有无功问题也使电压分布与线路电感、电容参数无关，更有利于电压控制；

2、没有相位问题

交流电网中的设备（主要为电源）切换与相位、相序、频率等交流电特征量密切相关，直流微网上的设备无需考虑相位问题，切换更容易，稳定性也得到增强；

3、结构简单

由于大多数新能源发电都是直流电，如果并入直流母线，则只需要一级变换，省略了许多变流器环节，降低了损耗，节省了经费，也提高了可靠性；

4、体积小

DC/DC变换器多采用高开关频率，因此装置功率密度远大于工频变流器，体积更小；

5、高质量供电

由于大多数储能都是直流电，因此直流微电网更易于接入储能装置，从而提供高质量供电；

6、绿色、环保

直流电不会产生交变电磁场，因此电磁辐射小，更加环保。

当然，直流微电网目前也有部分技术问题亟待解决，如直流断路器等目前实现过程复杂、成本较高等。

3.  直流微电网中的共直流母线技术

直流是一种组织方式，可以将各种新能源发电、储能、负荷通过直流母线耦合起来，这就是所谓直流微电网的概念。直流微电网是由直流构成的微电网，是未来智能配用电系统的重要组成部分，对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义。相比交流微电网，直流微电网可更高效可靠地接纳风、光等分布式可再生能源发电系统、储能单元、电动汽车及其他直流用电负荷。

交流微电网需要控制提供的频率、幅值、相位，而直流微电网的关键问题是直流母线的幅值，这就需要直流微电网中的共直流母线技术。

定义：通过一条公共的直流母线将所有微电源连接起来，整个直流母线通过一个双向DC/AC与交流电网对接，其称为共直流母线的技术路线。

共直流母线已经已经有几十年的历史了，是非常古老的技术路线，最早的时候只是交流大电网通过整流提供直流电。只有一种方式，并且负荷简单，但是非常不灵活。

现在的发电的手段和储能的手段和负荷的种类都比以前复杂的多，这些全部是影响直流母线的因素。因而现在的直流母线技术灵活性更强，同时复杂度也很高，复杂到一定程度需要一个上层的系统来进行有效的能量管理。

共直流母线技术的三个要素：双向DC/AC、双向DC/DC以及能量管理。

双向AC/DC

因为早期的负荷都是交流的，所以最早需要解决的问题就是DCAC，这个现在已经有很多企业在做了。这里不做赘述。

双向DC/DC

如果基于直流母线给直流负荷供电，必须需要DCDC，随着直流负荷的增多，DCDC的场景、电压等级也需要随之越来越丰富，价格也需要越来越低。

能量管理

当所有的设备、功能齐全之后，需要开始考虑优化，可以分为四个部分：

1.首先需要监控，保证安全性。

2.然后通过智能的调度，保证稳定性，和经济性。

3.利用云和大数据来分析用户行为，由此进行优化

4.最后需要做到互动，通过各种手段，如经济上奖励或者惩罚来让用户参与到系统中来。

4.  直流微电网的应用场景

点击播放嘉宾对直流微电网应用实例的详细分析：

总结：

直流电网时代还早，直流母线时代已来

直流负荷已经逐步应用

直流变换器的成本降低极为重要

智能型共直流母线技术值得普及