直流微網(wǎng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)

吳衛(wèi)民 何遠(yuǎn)彬 耿 攀 錢照明 汪槱生

（1.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院 上海 200135 2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027）

1 引言

在能源需求和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下，分布式發(fā)電技術(shù)獲得了越來(lái)越多的重視和應(yīng)用。但是大量的分布式電源（Distributed Energy Resource, DER），如太陽(yáng)電池、燃料電池、風(fēng)力機(jī)和小型燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)等，直接并網(wǎng)將會(huì)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰和系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成顯著的影響[1]，而且由于DER單機(jī)接入成本高，容量小，運(yùn)行不確定性強(qiáng)，受制于自然條件，缺少靈活可控的特點(diǎn)，對(duì)主網(wǎng)而言是一個(gè)不可控源，目前主網(wǎng)采取電網(wǎng)隔離方式處理DER，這也限制了DER的效能發(fā)揮[2]。為了解決以上問(wèn)題以及充分發(fā)揮 DER的價(jià)值和效益，DER采用微網(wǎng)形式并入主網(wǎng)是較為有效的途徑[3]。

微網(wǎng)是指將微型電源、負(fù)荷和儲(chǔ)能裝置結(jié)合在一起的電網(wǎng)形式，它作為一個(gè)獨(dú)立的整體，可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤島模式運(yùn)行[4]。目前，微網(wǎng)主要是以交流微網(wǎng)的形式存在[5]，其結(jié)構(gòu)圖如圖1a所示。圖1b所示為直流微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖，和交流微網(wǎng)相比，直流微網(wǎng)不需要對(duì)電壓的相位和頻率進(jìn)行跟蹤，可控性和可靠性大大提高，因而更加適合DER與負(fù)載的接入[7]。理論上，直流微網(wǎng)僅需一級(jí)變流器便能方便地實(shí)現(xiàn)與DER和負(fù)載的連接，具有更高轉(zhuǎn)化效率；同時(shí)，直流電在傳輸過(guò)程中不需要考慮配電線路的渦流損耗和線路吸收的無(wú)功能量，線路損耗得到降低。

圖1 微網(wǎng)的系統(tǒng)構(gòu)成形式[6]Fig.1 Configuration of micro-grid system[6]

長(zhǎng)期以來(lái)，直流微網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)一直得到了產(chǎn)學(xué)研各界的廣泛關(guān)注。瑞典、日本、法國(guó)和美國(guó)等國(guó)家的通信公司已于 20世紀(jì) 90年代開始了300～400V數(shù)據(jù)中心直流配電的研究和介紹[8-9]。另外，軍艦、航空和自動(dòng)化系統(tǒng)的直流區(qū)域配電，尤其是電力牽引直流供電技術(shù)已然成熟[10-11]，這為直流微網(wǎng)的推廣應(yīng)用提供了良好的契機(jī)。如今，在住宅直流供電方面，歐盟、日本和美國(guó)紛紛開始了相關(guān)方面的研究和示范工程[1,14-16]。我國(guó)在直流微網(wǎng)的研究方面還處于起步階段，2009年7月，廣東白色家電產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟成立了直流家電技術(shù)工作組和家電集成能源系統(tǒng)技術(shù)工作組，正式啟動(dòng)了中國(guó)在該領(lǐng)域的研究和開發(fā)[15]。隨著政府對(duì)新能源開發(fā)的日益重視和越來(lái)越多的直流家電技術(shù)得到推廣和應(yīng)用，直流微網(wǎng)將具有廣闊的發(fā)展空間。

本文將側(cè)重從直流微網(wǎng)的控制技術(shù)、保護(hù)技術(shù)和結(jié)網(wǎng)方式等關(guān)鍵技術(shù)方面來(lái)對(duì)直流微網(wǎng)展開綜述。最后，結(jié)合我國(guó)的國(guó)情，就直流微網(wǎng)在城市居民小區(qū)內(nèi)的推廣應(yīng)用提出建議方案。

2 直流微網(wǎng)的控制技術(shù)

微網(wǎng)的控制要點(diǎn)是保持供電電源端與負(fù)荷端能量的平衡；能量的平衡控制可采取本地控制或遠(yuǎn)程控制。根據(jù)文獻(xiàn)[17-18]的介紹，微網(wǎng)能量的平衡控制要點(diǎn)可歸結(jié)為:電壓調(diào)整、電壓閃變、電壓跌落、持續(xù)中斷和諧波含量等，亦即母線電壓的調(diào)整和電能質(zhì)量的管理。

2.1 母線電壓的調(diào)整

直流微網(wǎng)由DER、負(fù)載和并網(wǎng)接口電路等部分通過(guò)各自的變流裝置與直流母線相并聯(lián)。根據(jù)變流器的并聯(lián)特性可知，各并聯(lián)模塊對(duì)外表現(xiàn)為電壓源特性時(shí)，由于配電線纜上存在阻抗壓降，各節(jié)點(diǎn)電壓存在差異，很有可能導(dǎo)致各并聯(lián)電壓源之間產(chǎn)生環(huán)流[19]，圖2所示即為各并聯(lián)電壓源的等效示意圖。圖中，V1和 V2表示并聯(lián)電壓源幅值，Z1和 Z2表示線路阻抗，i1和i2分別表示流過(guò)模塊1與模塊2的電流，Vdc表示模塊連接處的母線電壓。因此，為了控制母線電壓的穩(wěn)定和避免環(huán)流的產(chǎn)生，需要對(duì)并聯(lián)在直流母線上的等效電壓源變換電路進(jìn)行均流控制。

圖2 電壓源并聯(lián)等效示意圖Fig.2 Equivalent diagram of parallel voltage sources

微網(wǎng)中常用的均流法有主從并聯(lián)方法和外特性下垂并聯(lián)方法。其中，主從并聯(lián)法將均流控制功能分散到各并聯(lián)模塊中，并聯(lián)系統(tǒng)包括一個(gè)主模塊和多個(gè)從模塊。主模塊采用電壓控制，從模塊采用電流控制。這種主從并聯(lián)方式的控制性能很大程度上取決于各模塊間的快速通信；外特性下垂并聯(lián)法又稱輸出阻抗法，其實(shí)質(zhì)是利用本模塊電流反饋信號(hào)或者直接輸出串聯(lián)電阻，改變模塊單元的輸出電阻，使外特性的斜率趨于一致，達(dá)到均流。它充分利用了分布式系統(tǒng)的“分布”特征，很大程度上是依賴于本地控制，可靠性更高。所以近年來(lái)起源于電網(wǎng)并聯(lián)的外特性下垂方法引起了眾多學(xué)者的關(guān)注，并已廣泛地應(yīng)用于DC-DC、AC-DC和DC-AC等變流器的并聯(lián)[20-23]。

由于直流微網(wǎng)中各變流器自身的限流要求、蓄電池充放電電流的限制、DER輸出功率的隨機(jī)性強(qiáng)和負(fù)荷需求變化大等因素的影響，各變流器對(duì)母線電壓的控制需要在電壓下垂控制模式和限流模式之間進(jìn)行切換[24]。如圖3所示，根據(jù)母線電壓的給定值、電壓閾值與電流最大值信號(hào)，并網(wǎng)接口電路可工作于電壓下垂模式或限流模式；蓄電池則根據(jù)電池監(jiān)控系統(tǒng)和控制器給出的信號(hào)，可工作于電壓下垂模式、限流模式或默認(rèn)模式，默認(rèn)模式下蓄電池始終處于充電狀態(tài)；太陽(yáng)電池板 DC-DC變換器在最大功率跟蹤（MPPT）模式、限流模式和電壓下垂模式間進(jìn)行切換。各變流器的具體操作過(guò)程在文獻(xiàn)[24]中有詳細(xì)的描述。

圖3 直流微網(wǎng)各源變換器靜止V-I特性曲線[24]Fig.3 Qualitative static V-I characteristics of the energy sources in DC micro-grid[24]

2.2 電能質(zhì)量的管理

微網(wǎng)系統(tǒng)的工作容量有限，抗擾動(dòng)能力弱。直流微網(wǎng)工作時(shí)，可能出現(xiàn) DER單元輸出功率的突變、大面積負(fù)荷的瞬時(shí)接入或脫落、并網(wǎng)切換到孤網(wǎng)或孤網(wǎng)到并網(wǎng)等瞬態(tài)變化過(guò)程，這些瞬態(tài)事件的發(fā)生會(huì)引起直流母線電壓的瞬態(tài)上升或下降，稱其為電壓閃變和電壓跌落。

電壓閃變和電壓跌落的發(fā)生，不僅會(huì)給電子設(shè)備的正常運(yùn)行帶來(lái)不利，還很可能使控制系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)作，最終導(dǎo)致整個(gè)直流微網(wǎng)系統(tǒng)的崩潰。為了防止這類事件的發(fā)生，常用超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能或超導(dǎo)儲(chǔ)能等快速充、放電的裝置對(duì)系統(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行管理。文獻(xiàn)[19]便利用飛輪儲(chǔ)能慣性小、充放電快的特性建立了補(bǔ)償裝置，其控制思路如圖4所示。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量和保證系統(tǒng)的可靠性，對(duì)于擾動(dòng)較為頻繁的微網(wǎng)，還可采取冗余結(jié)構(gòu)，利用幾組快速儲(chǔ)能裝置進(jìn)行交錯(cuò)管理。

圖4 飛輪儲(chǔ)能AC-DC雙向變換器控制框圖[19]Fig.4 Control block diagram of AC-DC bidirectional converter for flywheel energy storage[19]

當(dāng)直流微網(wǎng)處于孤網(wǎng)模式，且DER和蓄電池提供的能量已無(wú)法滿足負(fù)荷的需求，即母線電壓低于預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，需要進(jìn)行負(fù)載脫落控制，最大限度地保證重要負(fù)荷供電的連續(xù)性。負(fù)載脫落需要平滑地進(jìn)行，將不重要的負(fù)載分時(shí)脫落[25]。

3 直流微網(wǎng)的保護(hù)

直流微網(wǎng)最大的安全問(wèn)題包括電弧、火災(zāi)隱患和人身安全等。目前，直流微網(wǎng)的保護(hù)缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、執(zhí)行準(zhǔn)則和實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)；在設(shè)計(jì)直流微網(wǎng)的保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)分析交流微網(wǎng)的哪些標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)用于直流微網(wǎng)，同時(shí)還得借鑒直流牽引的保護(hù)經(jīng)驗(yàn)。

根據(jù)文獻(xiàn)[26]介紹，微網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循如下準(zhǔn)則:

（1）可靠性。包括對(duì)故障的辨別和抗擾動(dòng)的能力。

（2）靈敏度。包括快速清除故障和快速恢復(fù)系統(tǒng)正常工作的能力。

（3）性能要求。即對(duì)于重要的負(fù)荷，能夠最大限度地保證供電的連續(xù)性。

（4）經(jīng)濟(jì)性。安裝和維護(hù)成本，為了滿足性能的要求，有時(shí)候可以犧牲一些成本。

（5）簡(jiǎn)潔性。保護(hù)元件的數(shù)量和保護(hù)區(qū)域的劃分等。

3.1 直流微網(wǎng)的保護(hù)設(shè)備

（1）熔斷器。熔斷器在高 di/dt的場(chǎng)合，熔斷較快，電弧熄滅容易。但從可靠性和簡(jiǎn)潔性的角度來(lái)看，在直流電路中使用熔斷器并非上佳選擇，這是因?yàn)槿蹟嗥鞯?I-T特性或安秒特性需要考慮到直流電纜的寄生參數(shù)，熔斷器應(yīng)具備良好的滅弧裝置以避免拉弧效應(yīng)（電壓擊穿空氣時(shí)候的放電現(xiàn)象）。目前，熔斷器在直流系統(tǒng)中的應(yīng)用包括機(jī)車、采礦、蓄電池的保護(hù)等。直流微網(wǎng)可利用熔斷器作為后備式的保護(hù)設(shè)備。

（2）斷路器。在交流系統(tǒng)中，由于變壓器和發(fā)電機(jī)自身具有很強(qiáng)的限流能力，短路故障電流得以限制。而直流系統(tǒng)需要大容量的電容進(jìn)行平波和解耦，直流母線短路故障時(shí)，電容的瞬時(shí)放電造成的瞬態(tài)短路電流可能會(huì)導(dǎo)致斷路器的誤動(dòng)作[27]，比如故障處的斷路器和上游斷路器（相對(duì)故障處而言）一起動(dòng)作，上游斷路器動(dòng)作而故障處的斷路器不動(dòng)作，斷路器毀壞等[26]。一旦上述其中一種情況發(fā)生，將很可能導(dǎo)致有選擇性的保護(hù)功能喪失、過(guò)多負(fù)荷的斷電和保護(hù)設(shè)備相互協(xié)調(diào)能力的降低等。因此，為了避免出現(xiàn)過(guò)大的瞬時(shí)短路電流和減少斷路器的誤動(dòng)作，需要采用快速的斷路設(shè)備，如真空斷路器、混合型斷路器、緩沖型斷路器和固態(tài)開關(guān)等進(jìn)行滅弧[28-30]。

快速型斷路設(shè)備的應(yīng)用在一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性，但并未從根本上解決問(wèn)題。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性和整體壽命，需要在保持系統(tǒng)原有控制品質(zhì)的前提下有效減小直流母線平波電容的容量。采取小容量薄膜電容和有源補(bǔ)償裝置來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大容量電解電容是較為有效的方式之一[31-32]。

根據(jù)直流電單向?qū)ǖ奶匦?，直流微網(wǎng)還可通過(guò)在負(fù)載支路串聯(lián)二極管的方式來(lái)防止母線短路故障時(shí)變流器輸入端電容電流的反灌[33]，如圖5所示。這種方式在降低母線短路故障級(jí)別的同時(shí)，也避免了正負(fù)極反接時(shí)的火災(zāi)隱患。

圖5 直流微網(wǎng)負(fù)載支路Fig.5 Branch modeling of load-side in DC micro-grid

（3）多功能接線板與插頭。不存在自然過(guò)零點(diǎn)的直流電對(duì)接線板與插頭的設(shè)計(jì)也提出了新的要求。常用的交流型多功能接線板與插頭應(yīng)用于直流電時(shí)，接合與斷開的瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的電弧，如圖6a所示，這給人身安全帶來(lái)了不利。為了設(shè)計(jì)出適合于直流電的多功能型接線板與插頭，文獻(xiàn)[6]給出了一種可行性的方案，如圖6b所示。上電瞬間:主回路以不帶電方式先閉合，然后驅(qū)動(dòng)回路接通，開關(guān)管的導(dǎo)通，導(dǎo)通期間流過(guò)開關(guān)管的電流逐漸變大，開通瞬間的沖擊電流得到有效的抑制；斷電瞬間:驅(qū)動(dòng)回路先斷電，強(qiáng)迫負(fù)載電流經(jīng)過(guò)并聯(lián)在正負(fù)母線上的二極管續(xù)流，然后接線板與插頭分離，這樣就消除了傳統(tǒng)接線板與插頭斷開時(shí)的直流電弧。該方案適合于供電電壓較高、帶大功率負(fù)載的場(chǎng)合使用。

圖6 多功能接線板與插頭[6]Fig.6 Multi-functional patch panel and plug[6]

3.2 直流微網(wǎng)的接地

微網(wǎng)接地的不同會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能與系統(tǒng)保護(hù)方案的不同[30,34]。在現(xiàn)有的直流輸配電系統(tǒng)當(dāng)中，諸如海上風(fēng)力發(fā)電、大部分的直流牽引系統(tǒng)、軍艦直流區(qū)域配電和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)[27]，出于電腐蝕效應(yīng)、系統(tǒng)安全或中點(diǎn)漂移等考慮因素均將系統(tǒng)接成IT（I=電源端不接地或經(jīng)高阻抗接地；T=電氣裝置的外露可電導(dǎo)部分直接接地，此接地點(diǎn)在電氣上獨(dú)立于電源端的接地點(diǎn)）形式。IT系統(tǒng)一次接地故障電流很小，接地故障的檢測(cè)較為困難；用戶無(wú)法用電筆測(cè)試出IT系統(tǒng)直流電的極性。

TN（T=電源端有一點(diǎn)直接接地；N=所有電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分均接到保護(hù)線上，并與電源的接地點(diǎn)相連。）系統(tǒng)或TT（T=電源端有一點(diǎn)直接接地；T=電氣裝置的外露可電導(dǎo)部分直接接地，此接地點(diǎn)在電氣上獨(dú)立于電源端的接地點(diǎn)。）系統(tǒng)將電源的一點(diǎn)直接接地（可以是電源的正極或負(fù)極，也可以是電源的中點(diǎn)），系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，漏電流較大，接地故障的檢測(cè)相對(duì)容易一些。考慮到目前家用設(shè)備接地保護(hù)線與交流零線電位差限制，未來(lái)直流微網(wǎng)在給住宅、學(xué)校、商業(yè)建筑和工業(yè)區(qū)域供電建議采用TN系統(tǒng)。

3.3 直流微網(wǎng)的故障類型及保護(hù)

根據(jù)故障的類型進(jìn)行劃分，可將直流微網(wǎng)的故障分為極間故障和接地故障[35]；根據(jù)故障的位置進(jìn)行劃分，直流微網(wǎng)的故障可分為母線故障與支路故障，其中支路故障又區(qū)分為輸入端故障與輸出端故障。在設(shè)計(jì)保護(hù)系統(tǒng)之前，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)工作模式的不同對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行詳細(xì)的分析。

直流微網(wǎng)母線發(fā)生故障時(shí)，將影響到所有的DER與負(fù)荷，因此，母線的保護(hù)應(yīng)該具備最高的級(jí)別。為了提高直流母線的可靠性，可采取設(shè)置后備式的保護(hù)[36]、采用冗余式的母線結(jié)構(gòu)[37]或不依賴于通信進(jìn)行保護(hù)[35]等措施。直流微網(wǎng)支路發(fā)生故障時(shí)，處理方式則較為簡(jiǎn)單，只需將支路與微網(wǎng)的連接中斷即可，但儲(chǔ)能支路與并網(wǎng)接口電路具有雙向潮流的特性，在對(duì)故障進(jìn)行定位時(shí)，需要首先鑒別潮流的方向；特別地，并網(wǎng)接口電路由于與主網(wǎng)連接，需要設(shè)置后備式的保護(hù)。

直流微網(wǎng)極間故障多為短路故障，故障的檢測(cè)與定位相對(duì)容易；接地故障則依據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與接地形式的不同而不同。根據(jù)文獻(xiàn)[35]的總結(jié)，對(duì)于不接地的直流微網(wǎng)系統(tǒng)，盡管接地故障的檢測(cè)與定位方法已有不少的文獻(xiàn)可提供幫助，但從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，進(jìn)一步的研究與創(chuàng)新仍有待于繼續(xù)。

4 直流微網(wǎng)的結(jié)網(wǎng)方式

直流微網(wǎng)的結(jié)網(wǎng)方式主要包括直流母線的結(jié)構(gòu)和母線電壓的等級(jí)。

4.1 直流母線的構(gòu)成形式

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料的介紹，直流微網(wǎng)母線的構(gòu)成形式主要可以分為四類:單母線結(jié)構(gòu)[19,38]、雙層式母線結(jié)構(gòu)[26]、冗余式的母線結(jié)構(gòu)和雙母線結(jié)構(gòu)[39-40]。如圖7a所示，單母線結(jié)構(gòu)的直流微網(wǎng)系統(tǒng)容易與現(xiàn)有的交流接線板等轉(zhuǎn)接設(shè)備兼容，但在給計(jì)算機(jī)等低壓設(shè)備供電時(shí)，變流器的電壓應(yīng)力較大，每個(gè)低壓電子設(shè)備均需配備一定體積的電源適配器；雙層式的母線結(jié)構(gòu)對(duì)單母線進(jìn)行了分層設(shè)計(jì)，一級(jí)母線電壓為380V，二級(jí)母線電壓為48V，它是在380V進(jìn)入住宅后經(jīng)過(guò)變換器變流為48V的，如圖7b所示。這種雙層式的母線結(jié)構(gòu)提高了低壓設(shè)備供電的安全性，減小了電源適配器的體積，但不易與現(xiàn)有的轉(zhuǎn)接設(shè)備兼容；冗余式的母線結(jié)構(gòu)，適合于高電能質(zhì)量要求的配電區(qū)域，如商業(yè)建筑和船舶區(qū)域配電等；文獻(xiàn)[40]所提出的住宅用雙母線結(jié)構(gòu)的直流微網(wǎng)系統(tǒng)電壓等級(jí)為±170V，接地方式為中間接地，它可根據(jù)負(fù)荷端對(duì)供電電壓的不同需求由不同的母線進(jìn)行供電，并實(shí)現(xiàn)交直流側(cè)共地，如圖 7c所示。這種雙母線結(jié)構(gòu)的直流微網(wǎng)可與現(xiàn)有的轉(zhuǎn)接設(shè)備兼容，但由于源側(cè)變流器需要均衡主母線與從母線的電壓，連接電網(wǎng)、儲(chǔ)能裝置和DER單元的變流器拓?fù)渑c傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)有所不同。

圖7 直流微網(wǎng)系統(tǒng)的不同母線結(jié)構(gòu)Fig.7 Different bus structures of micro-grid systems

4.2 直流母線電壓的等級(jí)

直流母線電壓等級(jí)的確定應(yīng)滿足現(xiàn)有交流設(shè)備對(duì)輸入電壓范圍的要求。我國(guó)單相電壓有效值為220V（rms），三相電壓有效值為 380V（rms），因此，直流母線電壓范圍應(yīng)在200～400V之間。

日本在2009年12月提出380V的直流母線電壓標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行了相關(guān)的驗(yàn)證，這一標(biāo)準(zhǔn)日前已被美國(guó)電力研究院（Electric Power Research Institute,EPRI）所驗(yàn)證并接受[41]。380V 的直流標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)被廣泛稱為 DC380V，它是基于數(shù)據(jù)中心直流配電提出的，現(xiàn)已逐漸得到業(yè)界的認(rèn)可，但DC380V的標(biāo)準(zhǔn)是否適合于我國(guó)普通居民的用電需求，還有待于產(chǎn)學(xué)研各界進(jìn)一步研究確認(rèn)。

5 直流微網(wǎng)的其他關(guān)鍵技術(shù)

5.1 直流微網(wǎng)的通信技術(shù)

和交流微網(wǎng)的通信技術(shù)類似，直流微網(wǎng)的運(yùn)行也需要在采集不同特性的DER單元信息的基礎(chǔ)上，通過(guò)配網(wǎng)級(jí)、微網(wǎng)級(jí)和單元級(jí)各控制器間的通信來(lái)實(shí)現(xiàn)[42]。以電力電子器件為接口電路的 DER單元與常規(guī)同步機(jī)的特性有很大的差別，因此微網(wǎng)的運(yùn)行控制與能量管理過(guò)程中對(duì)通信技術(shù)的可靠性和速度提出了更高的要求。在響應(yīng)速度不同的設(shè)備間建立連接成為網(wǎng)關(guān)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。對(duì)低消耗、高性能、標(biāo)準(zhǔn)型網(wǎng)關(guān)的需求和通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化是能量管理系統(tǒng)研發(fā)中的一個(gè)重要組成部分[43-44]。

5.2 電力電子接口電路

直流微網(wǎng)電源側(cè)的接口電路分 DC-DC和AC-DC型變流器，負(fù)載側(cè)接口電路分 DC-DC和DC-AC型變流器，變流器形式多樣。由于微網(wǎng)與主網(wǎng)之間的能量交換根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行管理的不同，既可以是單向的也可以是雙向的，因此，并網(wǎng)接口電路的形式會(huì)因潮流的不同而不同。文獻(xiàn)[45]提出了應(yīng)用于雙母線結(jié)構(gòu)直流微網(wǎng)的電壓平衡器（voltage balancer），該電壓平衡器用來(lái)平衡主母線與從母線的能量；文獻(xiàn)[46]對(duì)應(yīng)用于直流微網(wǎng)的各種接口電路拓?fù)溥M(jìn)行了討論與仿真；文獻(xiàn)[47]專門針對(duì)應(yīng)用于直流微網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)接口電路進(jìn)行了討論?？傊?，與交流微網(wǎng)的電力電子接口電路相比，直流微網(wǎng)的接口電路結(jié)構(gòu)更為緊湊，控制也更為簡(jiǎn)單，系統(tǒng)重構(gòu)能力更強(qiáng)，更能滿足模塊化的要求。

6 關(guān)于直流微網(wǎng)發(fā)展的建議

我國(guó)人口密度大，城市居民的住宅形式多為小區(qū)單元房，直流微網(wǎng)在我國(guó)的推廣應(yīng)用與西方國(guó)家有較大的差別。以戶為單位，小區(qū)內(nèi)每戶人家能分配到的分布式發(fā)電量遠(yuǎn)不及單戶負(fù)荷用電量。小區(qū)直流微網(wǎng)的DER單元無(wú)須參與市場(chǎng)競(jìng)價(jià)；微網(wǎng)只從主網(wǎng)吸收功率，不向主網(wǎng)輸送功率，微網(wǎng)內(nèi)DER單元產(chǎn)生的多余電量由集中儲(chǔ)能單元進(jìn)行管理。微網(wǎng)與主網(wǎng)間單向潮流的特性允許并網(wǎng)接口電路采用低成本、高可靠的二極管或晶閘管進(jìn)行整流。

交流系統(tǒng)向直流微網(wǎng)系統(tǒng)的過(guò)渡將是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，其間存在多種技術(shù)和制式設(shè)備的長(zhǎng)期共存。為了能夠最大限度地保證與用戶端現(xiàn)有設(shè)備的兼容，應(yīng)合理地設(shè)計(jì)和規(guī)劃直流微網(wǎng)的容量與結(jié)網(wǎng)形式。以住宅供電為例，單相交流電進(jìn)入住宅時(shí)有三條線，即相線、零線和保護(hù)線；墻體插座有三腳插座與二腳插座；常用的家用電器可分類為帶整流電路的電器，如電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)、計(jì)算機(jī)、音箱和帶電子鎮(zhèn)流器的熒光燈等；不帶整流電路的電器，如電烤箱、電熱水器、微波爐、電吹風(fēng)和排氣扇等。當(dāng)采用直流供電時(shí)，配電線有正極線、負(fù)極線和保護(hù)線，這與交流系統(tǒng)兼容；帶整流器的負(fù)載與電烤箱、電熱水器和微波爐等電阻性負(fù)載均可直流供電，電吹風(fēng)和排氣扇需要增加一級(jí)逆變電路才能工作，帶工頻變壓器的電器需作整改，大功率電器的接線板與插頭需增加防弧功能。

為了能夠同時(shí)滿足大功率交流電器與低壓小功率電器的需求，筆者建議采用雙母線結(jié)構(gòu)形式的直流微網(wǎng)TN系統(tǒng)給小區(qū)用戶供電。如圖8所示，這種雙母線結(jié)構(gòu)的直流微網(wǎng)系統(tǒng)擁有380V與220V兩個(gè)直流電壓等級(jí)。其中，DC220V主要兼容目前大多數(shù)已有家電設(shè)備；高壓DC380V則給變頻空調(diào)、變頻洗衣機(jī)等變頻電器和電吹風(fēng)與排氣扇等單相交流負(fù)載供電；微網(wǎng)內(nèi)各DER單元不參與市場(chǎng)競(jìng)價(jià)。

這種雙母線結(jié)構(gòu)的直流微網(wǎng)系統(tǒng)擁有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):

圖8 雙母線直流微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.8 Block diagram of double bus micro-grid system

（1）兼容性好。提供 220V和 380V的直流電壓，不僅能滿足目前絕大部分交流家用電器對(duì)正常工作電壓范圍的要求，也能大力促進(jìn)新型節(jié)能“直流”家電以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

（2）主網(wǎng)故障時(shí)，自然形成“安全孤島”。由于微網(wǎng)只從主網(wǎng)吸收能量，并網(wǎng)接口電路采用二極管或晶閘管整流，保證了主網(wǎng)故障時(shí)維修人員的安全，易為電力系統(tǒng)部門所采納。

（3）供電質(zhì)量與安全性高。小區(qū)用戶直流電壓相對(duì)穩(wěn)定；蓄電池和超級(jí)電容等儲(chǔ)能裝置集中管理；后備發(fā)電機(jī)能簡(jiǎn)單可靠地投入或切出直流“內(nèi)網(wǎng)”。

（4）“綠色”經(jīng)濟(jì)型微網(wǎng)。對(duì)主網(wǎng)而言，推薦系統(tǒng)是一個(gè)“阻性負(fù)載”；小區(qū)儲(chǔ)能裝置能在一定程度上實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”電能調(diào)節(jié)，從而使小區(qū)用戶獲得最大的電能效益。

（5）能推進(jìn)可再生能源發(fā)電，特別是太陽(yáng)能發(fā)電，進(jìn)入“千家萬(wàn)戶”。建筑一體化太陽(yáng)能發(fā)電有很大應(yīng)用前景；采用推薦方案容易實(shí)現(xiàn)“統(tǒng)一投資，統(tǒng)一受益”，促進(jìn)可再生能源發(fā)電在住宅小區(qū)的推廣應(yīng)用，同時(shí)可以避免將來(lái)諸如“屋頂比房間貴”之類的非技術(shù)型障礙。

7 結(jié)論

（1）直流微網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，只需調(diào)整自身的母線電壓便可保證系統(tǒng)穩(wěn)定，可控性好。

（2）和交流微網(wǎng)相比，有關(guān)直流微網(wǎng)保護(hù)的研究仍處于初級(jí)階段，直流微網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要著重考慮滅弧的快速性和母線電容值的減小。

（3）直流微網(wǎng)的結(jié)網(wǎng)方式形式多樣，導(dǎo)致了直流微網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很難有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范可遵循。因此，統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的制定能夠促進(jìn)行業(yè)層面的組織協(xié)調(diào)與產(chǎn)業(yè)鏈的支持，能夠促進(jìn)直流微網(wǎng)的規(guī)?；瘧?yīng)用。

（4）直流微網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)代電力電子、通信和保護(hù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展相輔相成。其中，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展在很大程度上將主導(dǎo)著直流微網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

[1]Kakigano H, Miura Y, Ise T, et al.Fundamental characteristics of DC micro-grid for residential houses with cogeneration system in each house[C].2008 IEEE Power and Energy Society General Meeting—Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, Pittsburgh, PA, USA,2008: 1-8.

[2]趙上林, 吳在軍, 胡敏強(qiáng), 等.關(guān)于分布式發(fā)電保護(hù)與微網(wǎng)保護(hù)的思考[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2010,34(1): 73-77.Zhao Shanglin, Wu Zaijun, Hu Minqiang, et al.Thought about protection of distributed generation and microgrid[J].Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(1): 73-77.

[3]王成山, 楊占剛, 王守相, 等.微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征及控制模式分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2010,34(1): 99-105.Wang Chenshan, Yang Zhangang, Wang Shouxiang,et al.Analysis of structural char acteristics and control approaches of experimental microgrid systems[J].Automation of Electric Power Systems,2010, 34(1): 99-105.

[4]Marnay C, Robio F J, Siddiqui A S.Shape of the micro-grid[C].IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, Columbus, OH, USA, 2001, 1:150-153.

[5]Barnes M, Ventakaramanan G, Kondoh J, et al.Realworld micro-grids-an overview[C].IEEE International Conference on System of Systems Engineering, San Antonio, TX, USA, 2007: 1-8.

[6]Fred C Lee.Sustainable Buildings and Nanogrids[EB/OL].http://www.cpes.vt.edu/publications/proceedings/conference/2010/index.php, 2010.

[7]Mark Mc Granaghan, Thomas Ortmeyer, David Crudele, et al.Renewable systems interconnection study: advanced grid planning and operations[R].Sandia National Laboratories, 2008.

[8]朱雄世.國(guó)外數(shù)據(jù)通信設(shè)備高壓直流供電新系統(tǒng)(下)[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù), 2009(5): 66-70.Zhu Xiongshi.New high voltage direct current power supply system for data communication equipment abroad (part two)[J].Designing Techniques of Postes and Telecommunication, 2009(5): 66-70.

[9]My Ton, Brian Fortenbery.DC Power for Improved Data Center Efficiency [R/OL].http://hightech.lbl.gov/dc-powering/, 2008.

[10]Ciezki J G, Ashton R W.Selection and stability issues associated with a navy shipboard DC zonal electric distribution system[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2000, 15(2): 665-669.

[11]Chun Lien Su, Chun Teng Yeh.Probabilistic security analysis of shipboard DC zonal electrical distribution systems[C].IEEE Power and Energy Society General Meeting, 2008:1-7.

[12]Emadi K, Ehsani M.Aircraft power systems:technology, state of the art, and future trends[J].IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2000,15(1): 28-32.

[13]Miller J M, Emadi A, Rajarathnam A V, et al.Current status and future trends in more electric car power systems[C].IEEE Vehicular Technology Conference,Houston, TX, USA, 1999, 2: 1380-1384.

[14]黃遜青.直流家用電器時(shí)代即將來(lái)臨[J].電器,2009(3): 62-63.

[15]劉衡.直流家電和家用集成能源系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目啟動(dòng)[J].家電科技, 2009(16): 8.

[16]REbusTM DC Microgrid: Technical Overview [EB/OL].http://rebuspower.com/technical.shtml, 2010.

[17]El-Samahy I, El-Saadny E.The effect of DG on power quality in a deregulated environment[C].IEEE Power Engineering Society General Meeting, San Francisco, TX, USA, 2005, 3: 2969-2976.

[18]Khatri P R, Jape V S, Lokhande N M, et al.Improving power quality by distributed generation[C].Power Engineering Conference, IPEC’05, Singapore, 2005, 2:675-678.

[19]Youichi Ito, Yang Zhongqing, Hirofmi Akagi.DC micro-grid based distribution power generation system[C].Power Electronics and Motion Control Conference, IPEMC’04, 2004, 3: 1740-1745.

[20]Kim J W, Choi H S, Cho B H.A novel droop method for the converter parallel operation[C].16th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2001, 2: 959-964.

[21]Karlsson P, Svensson J.DC bus voltage control for a distributed power system[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2003, 18(6): 1405-1412.

[22]Kyohei Kurohane, Tomonobu Senjyu, Atsushi Yona,et al.A high quality power supply system with DC smart grid[C].2010 IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exposition: Smart Solutions for a Changing World, New Orleans, LA,USA, 2010:1-6.

[23]Guerrero J M, Vásquez J C, Matas J, et al.Hierarchical control of droop-controlled DC and AC micro-grids–a general approach toward standardization[J].IEEE Transaction on Industrial Electronics,2011, 58(1): 158-172.

[24]Dushan Boroyevich, Igor Cvetkovi?, Dong Dong, et al.Future electronic power distribution systems–a contemplative view[C].The 12th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment, Basov, Russia, 2010: 1369-1380.

[25]Sch?nberger J, Duke R, Simon D Ro.DC-bus signaling: a distributed control strategy for a hybrid renewable nanogrid[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006, 53(5): 1453-1460.

[26]Cuzner R M, Venkataramanan G.The status of DC micro-grid protection[C].IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, Edmonton, Alberta, Canada,2008:1-8.

[27]Baran M, Mahajan N R.PEBB based DC system protection: opportunities and challenges[C].Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference, PES TD 2005/2006, Dallas, TX, USA, 2006: 705-707.

[28]Meyer C, Kowal M, De Doncker R W.Circuit breaker concepts for future high-power DC-applications[C].IEEE Industry Applications Conference, 40th IAS Annual Meeting, Hong Kong, 2005, 2: 860-866.

[29]Peter V G, Ferreira J A.Zero volt switching hybrid DC circuit breakers[C].35th IAS Annual Meeting and World Conference on Industrial Applications of Electrical Energy, Rome, Italy, 2000, 5: 2923-2927.

[30]ABB circuit breakers for direct current applications[EB/OL].http://www05.abb.com/global/scot/scot260.nsf/veritydisplay/de4ebee4798b6724852576b e007b74d4/$File/1SXU210206G0201.pdf, 2007.

[31]Shimizu T, Jin Y, Kimura G.DC ripple current reduction on a single-phase PWM voltage-source rectifier[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2000, 36(5): 1419-1428.

[32]Ruxi Wang, Fred Wang, Dushan Boroyevich, et al.A high power density single phase PWM rectifier with active ripple energy storage[C].The 25th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, Palm Springs, CA, USA, 2010: 1378-1383.

[33]Pietro Cairoli, Igor Kondratiev, Roger Dougal.Ground fault protection for DC bus using controlled power sequencing[C].IEEE SoutheastCon 2010 Conference: Energizing Our Future, Charlotte-Concord,NC, USA, 2010: 234-237.

[34]Paul D.DC traction power system grounding[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 2002, 38(3):818-824.

[35]Salomonsson D, Soder L, Sannino A.Protection of low-voltage DC micro-grids[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2009, 24(3): 1045-1053.

[36]Mesut E B, Nikhil R M.Overcurrent protection on voltage-source-converter-based multi-terminal DC distribution systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22(1): 406-412.

[37]Lianxiang Tang, Boon-Teck Ooi.Locating and isolating DC faults in multi-terminal DC systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22(3):1877-1884.

[38]Daniel Salomonsson, Lennart S?der, Ambra Sannino.An adaptive control system for a DC micro-grid for data centers[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 2008, 44(6): 1910-1917.

[39]Magureanu R, Albu M, Priboianu M, et al.A DC distribution network with alternative sources[C].2007 Mediterranean Conference on Control and Automation,MED’07, Athens, Greece, July 2007.

[40]Hiroaki Kakigano, Yushi Miura, Toshifumi Ise, et al.DC micro-grid for super high quality distributionsystem configuration and control of distributed generations and energy storage devices[C].The 37th IEEE Power Electronics Specialists Conference, Jeju,Korea, Republic of, 2006:1-6.

[41]Guy AlLee.DC—an idea whose time has come and gone?[EB/OL].http://blogs.intel.com/research/2010/05/dc_-_an_idea_whose_time_has_co.php, 2010.

[42]丁明, 張穎媛, 茆美琴.微網(wǎng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù), 2009, 33(11): 6-11.Ding Ming, Zhang Yinyuan, Mao Meiqin.Key technologies for microgrids being researched[J].Power System Technology, 2009, 33(11): 6-11.

[43]Kroposki B, Lasseter R, Ise T, et al.Making micro-grids work[J].IEEE Power and Energy Magazine, 2008, 6(3): 40-53.

[44]Katiraei F, Iravani R, Hatziargyriou N, et al.Micro-grids management[J].IEEE Power and Energy Magazine, 2008, 6(3): 54-65.

[45]Kakigano H, Miura Y, Ise T, et al.DC voltage control of the DC micro-grid for super high quality distribution[C].The 4th Power Conversion Conference,Nagoya, Japan, 2007: 518-525.

[46]Biczel P.Power electronic converters in DC micro-grid[C].The 5th International Conference-Workshop Compatibility in Power Electronics,CPE’07, Gdansk, Poland, May/Jun.2007: 1-6.

[47]Daniel Salomonsson, Ambra Sannino.Centralized AC/DC power conversion for electronic loads in a low-voltage DC power system[C].The 37th IEEE Power Electronics Specialists Conference, PESC’06.Jeju, Korea, Republic of, June 2006: 1-7.