住宅直流微網(wǎng)供電技術(shù)研究現(xiàn)狀

楊丹萍，葉林，趙永寧，陳政，何桂雄(.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京市0008; .湖北省孝感供電公司，湖北省孝感市400;.中國電力科學(xué)研究院，北京市0009)

住宅直流微網(wǎng)供電技術(shù)研究現(xiàn)狀

楊丹萍1，葉林1，趙永寧1，陳政2，何桂雄3
(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京市100083; 2.湖北省孝感供電公司，湖北省孝感市432100;3.中國電力科學(xué)研究院，北京市100092)

隨著分布式能源發(fā)電容量的不斷增長，分布式能源并網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量和電能損耗問題日益嚴(yán)重，在配電網(wǎng)中采用直流配電可有效緩解這一問題。近年來由于電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，交直流變流器、DC/DC換流器的工作效率和額定容量大幅提升，降低了直流供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗。同時(shí)，家用電器對直流電源的兼容性亦不斷提高，住宅直流供電技術(shù)將成為未來的研究和發(fā)展趨勢?？偨Y(jié)了國內(nèi)外對住宅直流供電技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析了住宅直流微網(wǎng)的優(yōu)勢和可行性，提出了1個(gè)典型的住宅直流微網(wǎng)系統(tǒng)模型，分析了在構(gòu)建該模型過程中涉及到的電壓等級的確定、供電組網(wǎng)模式的選擇、系統(tǒng)的控制與保護(hù)設(shè)備等問題，給出了相應(yīng)的參考解決方案，并對住宅直流供電技術(shù)的發(fā)展提出了幾點(diǎn)展望。

住宅直流微網(wǎng);電壓等級;負(fù)荷模型;供電模式;電壓控制

0 引言

隨著常規(guī)能源的緊缺和環(huán)境污染問題的日益突出，清潔可再生能源發(fā)電將逐步增加發(fā)電量的比重。分布式能源技術(shù)不斷成熟、發(fā)電容量快速增加，住宅供電源也逐步朝多種類、可持續(xù)的方向發(fā)展，如光伏建筑一體化系統(tǒng)、建筑用風(fēng)力渦輪發(fā)電系統(tǒng)、家用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)等直流分布式發(fā)電源均取得了長足發(fā)展［1］，直流發(fā)電量的增加給交流配電系統(tǒng)增加了變流器能量損耗。高壓直流輸電工程已在全國范圍內(nèi)大面積建成并投入使用，大容量DC/DC直流換流器效率大幅提高，住宅社區(qū)采用低壓直流配電可降低降壓過程中的電能損耗。另外，節(jié)能燈、個(gè)人電腦、打印機(jī)、手機(jī)等常見家用電器內(nèi)部通常使用直流電工作;為了降低電力消耗，空調(diào)器、洗衣機(jī)、電冰箱等旋轉(zhuǎn)類設(shè)備逐漸轉(zhuǎn)向含直流環(huán)節(jié)的變頻器驅(qū)動(dòng)或直流無刷電機(jī)發(fā)展，且已大量進(jìn)入市場。綜上可知，分布式供電源和家庭用電負(fù)荷所表現(xiàn)出的直流特性日趨明顯，直流發(fā)電、直流輸電、直流用電均在發(fā)展和使用中，采用直流配電技術(shù)組成完整直流系統(tǒng)、滿足家庭用戶用電需求成為了國內(nèi)外新的研究熱點(diǎn)。

住宅直流微網(wǎng)是通過直流母線對住宅負(fù)荷進(jìn)行供電的微電網(wǎng)，在能源管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制下由交流電網(wǎng)、分布式電源、儲能裝置共同向直流母線供電，滿足住宅負(fù)荷需求。采用適當(dāng)?shù)哪妇€電壓控制方法，通過對各變流器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制達(dá)到維持電壓穩(wěn)定的目的。

本文簡略地搭建了1個(gè)住宅直流微網(wǎng)模型，考慮了住宅中不同功率等級的交流負(fù)荷和直流負(fù)荷、各類分布式能源和交流電網(wǎng)之間的能量流動(dòng)關(guān)系;提出了建立住宅直流微網(wǎng)模型的基本步驟;給出了住宅直流微網(wǎng)選擇電壓等級的原則，可采用較高電壓等級或雙電壓等級對家庭負(fù)荷進(jìn)行供電;列舉了純直流供電和交直流混合供電的供電方式;比較了3種直流保護(hù)設(shè)備的特點(diǎn)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)［2］比較了低壓直流配電系統(tǒng)單、雙極供電的基本概念模型。文獻(xiàn)［3］比較了幾個(gè)不同電壓等級的直流配電系統(tǒng)和230 V交流配電系統(tǒng)的網(wǎng)損情況和電器耗電情況，結(jié)論認(rèn)為在住宅中使用直流配電有助于降低電能損耗。文獻(xiàn)［4］比較了不同家用電器在交直流供電環(huán)境下的耗電情況以及配電網(wǎng)的網(wǎng)損情況，認(rèn)為直流配電系統(tǒng)的效率很大程度上取決于直流變壓設(shè)備和變流設(shè)備的效率。

文獻(xiàn)［5］提出了住宅直流配電系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)元件的建模方法，建立了變流器的效率模型，繪制了基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的住宅負(fù)荷能耗曲線。文獻(xiàn)［6］提出了一個(gè)基于“下垂控制”的直流母線電壓控制方法，多個(gè)換流器同時(shí)控制母線電壓。文獻(xiàn)［7］對主從裕度控制、多點(diǎn)電壓下垂控制、混合控制方法進(jìn)行了對比分析，并通過仿真算例進(jìn)行了驗(yàn)證。在文獻(xiàn)［8］提出的直流配電網(wǎng)的控制策略中，根據(jù)微網(wǎng)系統(tǒng)中電壓的變化對變流器進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對電能流動(dòng)的控制。文獻(xiàn)［9］介紹了直流配電網(wǎng)的調(diào)度與控制。文獻(xiàn)［10］總結(jié)了直流配電系統(tǒng)的保護(hù)策略。此外，我國在直流配電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析、故障分析與保護(hù)、控制策略、電力電子設(shè)備、可行性分析等方面也展開了研究。

目前，荷蘭、日本、美國等發(fā)達(dá)國家都已有相關(guān)的直流智能樓宇項(xiàng)目［11-13］。我國臺灣地區(qū)也已啟動(dòng)“智慧型直流電力屋”的開發(fā)計(jì)劃［14］。目前，我國低壓直流供電技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在直流換流站、軌道交通和通信系統(tǒng)中，但還未實(shí)現(xiàn)給城市家庭用戶供電。只有在生活水平低、沒有交流電網(wǎng)覆蓋的邊遠(yuǎn)地區(qū)，直流微網(wǎng)以孤島運(yùn)行的形式滿足居民基本的用電需求，但供電容量、電能質(zhì)量和可靠性均不能滿足發(fā)達(dá)地區(qū)的住宅供電需求。

對于采用直流供電的家用電器的研究，論文［15］設(shè)計(jì)了一種冰箱烤箱一體機(jī)，可采用直流電源對其進(jìn)行供電。2009年7月，廣東白色家用電器產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟成立了直流家用電器技術(shù)工作組［16］。至2009年10月，直流家用電器技術(shù)工作組在初步確定了住宅直流供電標(biāo)準(zhǔn)電壓的基礎(chǔ)上，試制成功了一系列采用直流供電的家用電器樣品，包括分體式空調(diào)器、電冰箱、小型半導(dǎo)體冷藏箱、洗衣機(jī)、LED燈具等家用電器［14］，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了直流家用電器在住宅環(huán)境下運(yùn)行的驗(yàn)證性試驗(yàn)。

2 住宅直流微網(wǎng)技術(shù)可行性分析

住宅直流微網(wǎng)的可行性可從用電技術(shù)可行性和供電技術(shù)可行性這2部分進(jìn)行分析。

2.1 直流用電技術(shù)可行性

直流用電技術(shù)的可行性是指家用電器對直流電源的兼容性，使用直流電進(jìn)行工作的電器越多，直流用電的可行性越強(qiáng)。

常用生活用電設(shè)備按能量轉(zhuǎn)換的形式，主要分為4類［4，17-18］:照明裝置、電動(dòng)設(shè)備、電熱設(shè)備及電子設(shè)備。

(1)照明裝置。目前家庭使用的照明裝置主要是節(jié)能燈，節(jié)能燈在使用交流供電時(shí)是將交流電整流為直流電后再逆變成高頻交流電進(jìn)行使用，實(shí)現(xiàn)直流供電后可省去整流電路。

(2)電動(dòng)設(shè)備。交流變頻調(diào)速技術(shù)的調(diào)速性能好，節(jié)電效果突出，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域得到了廣泛使用［19］。直流無刷電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好，是家用電動(dòng)設(shè)備電動(dòng)機(jī)的主要發(fā)展方向之一［20］。目前空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)的發(fā)展趨勢都是實(shí)現(xiàn)變頻控制或者采用直流無刷電機(jī)，都必須把220V交流電整流濾波成直流電壓，再對電機(jī)進(jìn)行供電。

(3)電熱設(shè)備。常用的電熱設(shè)備的工作原理是利用電流熱效應(yīng)，采用交流或直流供電對電阻性導(dǎo)體的發(fā)熱并無明顯影響，所以可以直接用直流電進(jìn)行供電。除去一般利用電流熱效應(yīng)的電熱設(shè)備外，最主要的電熱設(shè)備就是微波爐，微波加熱裝置內(nèi)部的工作電源是把220 V交流電整流濾波成直流電，再通過電路進(jìn)行處理。因此電熱設(shè)備可以直接使用直流電源供電。

(4)電子設(shè)備。常用的電子設(shè)備有電視，電腦，音響系統(tǒng)，手機(jī)充電器等。這類家用電器都是將交流電整流濾波為平穩(wěn)的直流電供設(shè)備使用。

從內(nèi)部電路來看，大部分家用電器的電源輸入端都有整流濾波或變壓電路，將220 V交流電變換成電器所需要的各種直流或交流電壓。絕大部分家用電器通過改造，都可以直接使用直流供電源。家用電器的用電方式正逐漸從直接使用交流電向直接使用直流電轉(zhuǎn)換，單獨(dú)使用交流供電已經(jīng)無法適應(yīng)家用電器用電方式的轉(zhuǎn)變趨勢。因此，直流用電系統(tǒng)具有可行性和必要性。

2.2 直流微網(wǎng)供電可行性

我國現(xiàn)用主要的輸電網(wǎng)絡(luò)是交流網(wǎng)絡(luò)，家庭用戶基本直接與交流網(wǎng)絡(luò)相連，電網(wǎng)為用戶提供交流電源，逆變后給直流負(fù)載供電。隨著分布式能源容量的不斷增加、高壓直流輸電技術(shù)的成熟、直流負(fù)載的設(shè)計(jì)與發(fā)展，住宅區(qū)采用低壓直流供電將實(shí)現(xiàn)直流發(fā)電、直流輸電、直流配電和直流用電一體化，完整的直流系統(tǒng)在輸配電設(shè)備成本和線路損耗上更具優(yōu)勢。

2.2.1 高壓直流輸電技術(shù)的成熟

高壓直流輸電相比于等電壓的交流輸電，因其無趨膚效應(yīng)、無無功分量，輸送容量更大;可靈活調(diào)節(jié)有功無功的方向和大小;輸電線路成本低等優(yōu)勢成為遠(yuǎn)距離輸送大量電能的新的重要技術(shù)手段。近年來高壓直流輸電系統(tǒng)已趨成熟，在世界許多國家都有成功應(yīng)用。目前，國內(nèi)外已有較成熟的直流輸電網(wǎng)規(guī)劃。2010年3月，位于美國的世界上首個(gè)基于模塊化多電平換流器的直流輸電工程Trans Bay投入商業(yè)運(yùn)行。2009年12月8日，云南至廣東特高壓直流輸電工程，成為世界上第一個(gè)±800 kV特高壓直流輸電工程［21］。直流輸電技術(shù)的逐步成熟為直流供電提供了技術(shù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)直流輸電與直流配電一體化，輸配電過程中無需交直流變流器，只需實(shí)現(xiàn)直流變壓。

2.2.2 DC/DC換流技術(shù)的發(fā)展

直流配電系統(tǒng)的效率很大程度上取決于直流變壓設(shè)備和整流設(shè)備的效率。若將直流源作為供電源，DC/DC變換器的轉(zhuǎn)化效率決定了直流供電能否降低電能損耗［4］;若直流配電網(wǎng)直接由直流輸電系統(tǒng)提供電能，DC/DC變換器的性能更是降低電能損耗的關(guān)鍵。隨著DC/DC變換器的工作頻率、功率密度和效率不斷得到提高，大變比、大容量、高效率的DC/ DC變換器技術(shù)為直流輸電、直流配電提供了技術(shù)支撐，降低了直流輸配電的電能損耗、提高了直流輸配電的供電容量和電壓。

2.3 直流微網(wǎng)供電技術(shù)的優(yōu)勢

在住宅直流微網(wǎng)系統(tǒng)中可方便地嵌入分布式能源。光伏發(fā)電、燃料電池、蓄電池組等分布式能源輸出直流電壓;小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、小型水力發(fā)電系統(tǒng)、小型燃?xì)廨啓C(jī)等分布式電源輸出高頻的交流電，通過整流電路就可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。此外，直流分布式電源與備用蓄電池組之間的配合可以更加有效［4］。在住宅直流供電模式下，分布式直流供電源無需經(jīng)過兩級變流，可直接向負(fù)荷供電。

直流配電可以消除交流配電中的諧波問題。住宅內(nèi)部低壓交流電路中的高頻諧波可以由某些用電設(shè)備工作時(shí)的振蕩狀態(tài)引起，對配電網(wǎng)絡(luò)和輸電網(wǎng)絡(luò)都會造成諧波干擾。文獻(xiàn)［22］對電飯煲、筆記本電腦、電冰箱、電磁爐和微波爐5種常見家用電器進(jìn)行了諧波測試分析，筆記本電腦和微波爐在工作狀態(tài)時(shí)對交流電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波污染較為嚴(yán)重。若采用直流供電，直流側(cè)不會增加電網(wǎng)中的諧波含量。而輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)中存在的直流諧波主要是由于高壓直流輸電系統(tǒng)中非線性的變流器交流側(cè)的諧波引起的［23］，隨著光通信系統(tǒng)的不斷普及和發(fā)展，直流輸電系統(tǒng)的濾波問題越來越容易解決［24］。采用直流配電不僅可消除配電系統(tǒng)中的諧波問題，還可減少交流輸電網(wǎng)絡(luò)中的諧波干擾。

直流配電可提高電能質(zhì)量。將大容量雙向AC/ DC變流器作為直流電源，根據(jù)不同的運(yùn)行條件采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，可以為住宅直流微網(wǎng)提供持續(xù)穩(wěn)定的、高質(zhì)量的、高效率的電能［25］。配電變流器交流側(cè)不需要提供無功功率，變流器可以靈活地吸收或發(fā)出無功功率，可起到靜止無功補(bǔ)償器的作用，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線的無功功率，穩(wěn)定交流母線上電壓。電壓源換流器在直流輸電領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用［26］。

直流配電可以減少配電過程中的電能損耗，且增大功率輸送容量。交流配電時(shí)輸電線路上的有功損耗與功率因數(shù)的平方成反比，功率因數(shù)越大，線路損耗就越小;在視在功率不變的情況下，功率因數(shù)越大，電網(wǎng)能輸送的有功功率就越大。采用直流供電，解決了交流配電過程中因功率因數(shù)較小造成的電能損耗問題，提高了線路有功功率的輸送容量。

直流配電可減少變流環(huán)節(jié)，降低損耗。若直流供電源電壓與直流家用電器設(shè)備用電電壓相等，可減去相應(yīng)的整流電路和無功功率補(bǔ)償電路，通過減少設(shè)備來降低能耗和設(shè)備成本、提高電能質(zhì)量。在比較交流配電系統(tǒng)和直流配電系統(tǒng)的電能損耗時(shí)，由于交流系統(tǒng)中負(fù)載內(nèi)部存在更多的變流環(huán)節(jié)，電能損耗要比直流系統(tǒng)大［27］。按日本有關(guān)機(jī)構(gòu)的測算，若在住宅中全面實(shí)施直流供電，僅在電能轉(zhuǎn)換過程中所節(jié)省的電能消耗，大約為現(xiàn)有住宅電力消耗量的10%～20%［11，14］。

3 住宅直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)模型的建立

要建立起一個(gè)完整的住宅直流微網(wǎng)模型，需要確定微網(wǎng)的負(fù)載模型、供電電壓等級和供電組網(wǎng)模式，設(shè)計(jì)控制管理系統(tǒng)和分析評估平臺。圖1為建立住宅直流微網(wǎng)系統(tǒng)模型的概念網(wǎng)絡(luò)。在用戶負(fù)荷特性的基礎(chǔ)上，由負(fù)荷情況和分布式能源的出力情況初步確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和供電模式。根據(jù)負(fù)荷情況和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行暫穩(wěn)態(tài)分析，由分析結(jié)果確定系統(tǒng)保護(hù)方式和控制策略，初步得到一個(gè)住宅直流微網(wǎng)系統(tǒng)。綜合供電模式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能分析，根據(jù)分析結(jié)果確定系統(tǒng)供電電壓等級并調(diào)整系統(tǒng)負(fù)荷特性，利用新的負(fù)荷特性對系統(tǒng)進(jìn)行修正。

3.1 用戶負(fù)荷特性

根據(jù)家庭負(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)地調(diào)研和負(fù)荷預(yù)測2種方法對居民負(fù)荷特性進(jìn)行分析，提出能夠反映居民負(fù)荷特性的指標(biāo)體系，建立典型案例負(fù)荷指標(biāo)庫，以及典型的住宅及小區(qū)的負(fù)荷模型，這對制定小區(qū)供電模式具有重要的基礎(chǔ)性作用。例如南京供電公司從1999年7月起，陸續(xù)在市區(qū)建立了12個(gè)居民住宅用電監(jiān)測點(diǎn)，利用遠(yuǎn)方終端采集的數(shù)據(jù)，研究分析居民用電負(fù)荷特性［28］。利用家庭交流負(fù)荷的模型和各類家用電器的負(fù)荷曲線，可得到直流供電時(shí)的家用電器負(fù)荷曲線、家庭負(fù)荷曲線和居民小區(qū)的負(fù)荷曲線。負(fù)荷模型的建立是住宅直流微網(wǎng)的研究基礎(chǔ)。直流總線給微網(wǎng)中的負(fù)載供電，通過各住宅智能電表測量數(shù)據(jù)得到家庭的負(fù)荷曲線，綜合分布式電源的發(fā)電出力情況，得到整個(gè)直流微網(wǎng)作為負(fù)載的負(fù)荷曲線。

3.2 住宅直流微網(wǎng)電壓等級的確定

電壓等級的確定不僅影響電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與布局、電氣設(shè)備設(shè)計(jì)與制造及電力系統(tǒng)運(yùn)行與管理，同時(shí)決定了電力系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用和經(jīng)濟(jì)效益。在確定直流電壓等級時(shí)，一般要考慮直流用電設(shè)備的電壓等級、網(wǎng)絡(luò)損耗與供電效率、配電經(jīng)濟(jì)性、現(xiàn)有直流配電系統(tǒng)中使用電壓等級的工程應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)界推行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等［29］。住宅直流微網(wǎng)電壓等級合理配置的原則與標(biāo)準(zhǔn):有利于降低電網(wǎng)投資;有利于降低網(wǎng)絡(luò)損耗;有利于提升供電能力和供電可靠性;有利于運(yùn)行維護(hù)，增強(qiáng)供電適應(yīng)性以滿足不同負(fù)荷情況的需求［30］。

結(jié)合家用電器負(fù)荷的工作特性，以上述原則作為準(zhǔn)則提出適用的供電電壓等級。

為提高供電質(zhì)量，可根據(jù)各家用電器的功率擬定多個(gè)直流供電電壓等級，并對不同家用電器負(fù)荷的電壓等級進(jìn)行測試和分析，比較得到1個(gè)或2個(gè)最優(yōu)供電電壓等級。文獻(xiàn)［3］比較了交流230V、直流24V、48V以及電纜優(yōu)化后的直流48V向同一負(fù)載供電的電能消耗和損耗情況。線路優(yōu)化后的直流48V系統(tǒng)的電量消耗最少，且在3個(gè)試驗(yàn)直流系統(tǒng)中線路損耗最小。電壓等級過低造成線路損耗較大，電壓等級過高對供電設(shè)備和用電安全造成影響，所以直流供電電壓等級須選擇適當(dāng)。

我國通信行業(yè)中已經(jīng)出臺針對240V直流供電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，對工程設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行了規(guī)范［31］。歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(ETSI)已經(jīng)提出300 V直流供電的信息和通信設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，取代48 V直流供電。與此同時(shí)，歐洲地區(qū)已經(jīng)有數(shù)個(gè)300 V以上電壓直流供電項(xiàng)目試驗(yàn)。較高的電壓一般以現(xiàn)有家用電器標(biāo)準(zhǔn)允許的交流電壓對應(yīng)的峰值為上限，IEC 60336系列標(biāo)準(zhǔn)的交流電壓上限為250 V，對應(yīng)的峰值為353.6 V，因此，采用350 V作為直流供電標(biāo)準(zhǔn)電壓基本上不會對電氣絕緣方面的要求有明顯的變化［14］。而且目前許多兼容直流電源和交流電源的電力設(shè)備工作電壓為220 V，采用220 V直流供電可以兼容這些市場現(xiàn)有電力設(shè)備。日本住宅直流供電的方案大體以48 V為基本電壓參數(shù)，大功率家用電器如空調(diào)器和電動(dòng)汽車等則采用200 V供電［14］。廣東白色家用電器產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟直流家用電器技術(shù)工作組擬定48 V作為小功率電器供電電壓，350 V作為大功率電器的供電電壓。文獻(xiàn)［32］也認(rèn)為可以使用2個(gè)電壓等級對家庭進(jìn)行直流供電。

3.3 住宅直流微網(wǎng)組網(wǎng)模式與能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.3.1 住宅直流微網(wǎng)組網(wǎng)模式研究

供電模式的選擇是住宅直流微網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃的重要部分，它不僅必須滿足各類國家標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也會隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平、社會的進(jìn)步程度和新技術(shù)、新產(chǎn)品的應(yīng)用而不斷發(fā)展，也因?yàn)樽≌^(qū)的規(guī)模、水平、地域、層高和房價(jià)的差異而不同［33］，因此需對各種可能的組網(wǎng)模式進(jìn)行定量的計(jì)算分析。結(jié)合家用電器負(fù)荷耗電量特性和家庭供電源裝置等條件將家庭劃分為不同層次而又獨(dú)立的供電區(qū)域，根據(jù)各供電區(qū)域的負(fù)荷和資源等情況，綜合考慮供電可靠性、容載比、接線方式、點(diǎn)線配置等技術(shù)原則，同時(shí)對其可靠性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行指標(biāo)評估，選擇合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和恰當(dāng)?shù)墓╇娔Ｊ剑?4］。

根據(jù)用戶規(guī)模、負(fù)荷特性、分布式電源特性以及用戶的可靠性要求，進(jìn)行綜合評估后，采用圖2和圖3這2種典型輻射狀單端供電方式。圖2與圖3的區(qū)別在于對交流負(fù)荷的供電方式，在大多數(shù)家用電器都能實(shí)現(xiàn)對直流電源的兼容之前，可采用圖3所示的交直流并存的多樣化配電模式作為過渡［35］。

圖2和圖3中的直流系統(tǒng)采用2個(gè)電壓等級進(jìn)行供電，空調(diào)等電機(jī)類負(fù)載、電磁爐等電熱設(shè)備都是大功率用電設(shè)備，需要較高的工作電壓;照明設(shè)備和電子類設(shè)備功率較低，可采用低電壓供電。

3.3.2 住宅直流微網(wǎng)能源管理

住宅直流微網(wǎng)系統(tǒng)除交流電網(wǎng)以外，還包括太陽能發(fā)電裝置、風(fēng)力發(fā)電裝置、燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)裝置、蓄電池等直流電源裝置。住宅直流微網(wǎng)系統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)，必須滿足住宅直流微網(wǎng)綜合監(jiān)控和有效調(diào)度的需求。通過住宅直流微網(wǎng)能源管理平臺對住宅直流微網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，滿足住宅直流微網(wǎng)的運(yùn)行條件。根據(jù)用戶的用電行為以及電網(wǎng)的負(fù)荷情況等因素，充分利用電網(wǎng)中的分布式電源，起到削峰填谷的作用，對電網(wǎng)安全和穩(wěn)定具有積極的意義。

3.3.3 直流母線電壓控制

供電可靠性和電能質(zhì)量是電力系統(tǒng)用戶最為關(guān)注的問題，特別是逐漸普及的敏感家用電子類負(fù)載對電能質(zhì)量要求很高［36］。圖4是住宅直流微網(wǎng)管理控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)直流微電網(wǎng)中負(fù)荷的用電需求、當(dāng)前分布式電源發(fā)電量以及系統(tǒng)中電壓閾值產(chǎn)生指令。通過協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各分布式電源的出力、蓄電池的充放電功率以及和交流電網(wǎng)的雙向供電情況，將直流總線的電壓穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。

直流母線電壓控制的方法有很多，其中最常用的方法有“主從式控制”、“電壓下垂控制”和“集中式控制”等，通過對變流器的控制實(shí)現(xiàn)對母線電壓的控制。

主從式電壓控制一般選取與交流電網(wǎng)相連的變流器作為主變流器，主變流器采用定直流電壓控制;其余變流器就為從變流器，采用定功率或定電流控制方式。主從式電壓控制需要有一個(gè)控制系統(tǒng)，根據(jù)各換流器容量等信息按比例預(yù)設(shè)各變流器的工作電流值或功率值。但主變流器退出運(yùn)行或交流電網(wǎng)出現(xiàn)斷電，從屬的變流器由定電流或定功率控制轉(zhuǎn)換成定電壓控制。

電壓下垂控制一般要求變流器輸出端電壓隨功率的增加而線性下降，使得系統(tǒng)中的功率在各個(gè)變流器間穩(wěn)定分配。采用電壓下垂控制不需要上層的控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)初值，但由于變流器的電壓下降特性，電能質(zhì)量比采用主從式控制系統(tǒng)要稍差一些。

集中式控制方式設(shè)置有一個(gè)集中控制模塊，各變流器參數(shù)由集中控制模塊給定，其監(jiān)視母線總的電流和電壓，對每臺變流器進(jìn)行集中控制，從而控制每臺變流器的電流輸出。

主從控制方式其電壓調(diào)節(jié)性能與負(fù)荷分配都具有良好的剛性，但是需要調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行功率分配，同時(shí)對主站容量要求較高;下垂控制可以基本實(shí)現(xiàn)按比例供電，一定程度上可以無需通訊與調(diào)度系統(tǒng)而穩(wěn)定供電，但直流電壓存在偏差，另外可將主從控制與下垂控制結(jié)合使用。而集中式控制法中由于所有控制脈沖都由集中控制模塊發(fā)出，因此其相位和頻率的控制可以在集中控制模塊內(nèi)生產(chǎn)，有很好的同步性能［37］。

3.4 住宅低壓直流配電系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)備

住宅低壓直流配電系統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須滿足可靠性、速動(dòng)性、選擇性、經(jīng)濟(jì)性等要求。

直流配電系統(tǒng)中的直流線路發(fā)生故障時(shí)，由于故障電流快速上升，會迅速對系統(tǒng)設(shè)備造成損害，因此反應(yīng)迅速的直流斷路器是最理想的選擇，但直流電流無自然過零點(diǎn)，滅弧是直流斷路器面臨的最大挑戰(zhàn)。另外，熔斷器適用于過電流保護(hù)中，但熔斷器在故障發(fā)生后需要進(jìn)行更換，不便使用在住宅環(huán)境中，并且不適用于對供電可靠性較高的環(huán)境中;隔離開關(guān)無滅弧能力，并不能切斷任何直流電流，只可作為直流配電保護(hù)系統(tǒng)發(fā)展過程中的過渡設(shè)備［10，38］。

4 結(jié)論與展望

隨著直流分布式電源的發(fā)展、直流輸電技術(shù)的成熟以及直流變流設(shè)備效率的提高，住宅直流微網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)已基本具備。家庭用戶實(shí)現(xiàn)直流供電更方便小型家用分布式電源的接入，節(jié)省了電器中的變流設(shè)備，降低了能量損耗，增加了線路的輸電容量，住宅直流供電的優(yōu)勢相對突出。

本文提出在對家用電器與居民小區(qū)負(fù)荷特性分析建模的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)住宅直流微網(wǎng)系統(tǒng)組網(wǎng)模式，可采用純直流供電系統(tǒng)或交直流混合供電系統(tǒng);列舉住宅直流微網(wǎng)系統(tǒng)電壓等級確定原則，擬采用雙電壓等級對不同功率的用電設(shè)備進(jìn)行供電;描述了3種常用直流母線電壓控制方法的基本控制原理;分析了主流住宅直流系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為直流斷路器是將來最理想的保護(hù)設(shè)備。

荷蘭、日本、美國等發(fā)達(dá)國家針對智能樓宇直流供電已經(jīng)開展了研究并建立起示范工程。我國臺灣地區(qū)也啟動(dòng)直流屋的研究計(jì)劃。直流家用電器的設(shè)計(jì)在國內(nèi)外取得了一定的成果。

我國尚沒有住宅直流微網(wǎng)的示范工程，但隨著對住宅直流供電技術(shù)研究的不斷深入，我國住宅直流微網(wǎng)將得到快速發(fā)展。

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(編輯:張媛媛)

Research Status of Residential DC Microgrid Power Supply Technology

YANG Danping1，YE Lin1，ZHAO Yongning1，CHEN Zheng2，HE Guixiong3
(1.College of Information and Electric Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China; 2.Xiaogan Power Supply Company，Xiaogan 432100，Hubei Province，China; 3.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China)

With the increasing of the capacity of distributed energy resources，the problem of power quality and power loss caused by distributed energy resources paralleling in the grid has become a big challenge，which can be effectively alleviated by applying DC supply in distribution networks.In recent years，because of the rapid development of power electronic technology and the significant improvement of work efficiency and rated capacity of AC/DC converter and DC/ DC converter，the network loss of DC power supply system has been reduced.Meanwhile，the compatibility of household appliancesw ith DC power supply has been improved，so the residential DC power supply technology Will inevitably become the trend of research and development in the future.The research status of residential DC power supply technologies around the world were systematically reviewed，and the advantages and feasibility of these technologies were analyzed.Finally，a typical residential DCmicro-gridmodelwas proposed.The involved technical problems，such as the determ ination of voltage level，the choice of networkingmode and the system protection and controlwere discussed in detail.Some prospects on the development of DC power supply technologies were also presented.

residential DC Microgrid;voltage level;load model;supply mode;voltage control

TM 72

A

1000－7229(2014)11－0025－07

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.005

2014-08-26

2014-09-22

楊丹萍(1990)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制、新能源發(fā)電技術(shù);

葉林(1968)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，德國洪堡學(xué)者，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化、新能源發(fā)電與超導(dǎo)電力應(yīng)用;

趙永寧(1990)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制、新能源發(fā)電技術(shù);

陳政(1989)，男，碩士，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)、高電壓技術(shù);

何桂雄(1984)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行與控制。

教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(博導(dǎo)類)(20110008110042)。