住宅直流微網供電技術研究現狀

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

住宅直流微網供電技術研究現狀

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

隨著分布式能源發電容量的不斷增長，分布式能源并網帶來的電能質量和電能損耗問題日益嚴重，在配電網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的快速發展，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的網絡損耗。同時，家用電器對直流電源的兼容性亦不斷提高，住宅直流供電技術將成為未來的研究和發展趨勢。總結了國內外對住宅直流供電技術的研究現狀，分析了住宅直流微網的優勢和可行性，提出了1個典型的住宅直流微網系統模型，分析了在構建該模型過程中涉及到的電壓等級的確定、供電組網模式的選擇、系統的控制與保護設備等問題，給出了相應的參考解決方案，并對住宅直流供電技術的發展提出了幾點展望。

住宅直流微網;電壓等級;負荷模型;供電模式;電壓控制

0 引言

隨著常規能源的緊缺和環境污染問題的日益突出，清潔可再生能源發電將逐步增加發電量的比重。分布式能源技術不斷成熟、發電容量快速增加，住宅供電源也逐步朝多種類、可持續的方向發展，如光伏建筑一體化系統、建筑用風力渦輪發電系統、家用燃料電池發電系統等直流分布式發電源均取得了長足發展［1］，直流發電量的增加給交流配電系統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，住宅社區采用低壓直流配電可降低降壓過程中的電能損耗。另外，節能燈、個人電腦、打印機、手機等常見家用電器內部通常使用直流電工作;為了降低電力消耗，空調器、洗衣機、電冰箱等旋轉類設備逐漸轉向含直流環節的變頻器驅動或直流無刷電機發展，且已大量進入市場。綜上可知，分布式供電源和家庭用電負荷所表現出的直流特性日趨明顯，直流發電、直流輸電、直流用電均在發展和使用中，采用直流配電技術組成完整直流系統、滿足家庭用戶用電需求成為了國內外新的研究熱點。

住宅直流微網是通過直流母線對住宅負荷進行供電的微電網，在能源管理系統的協調控制下由交流電網、分布式電源、儲能裝置共同向直流母線供電，滿足住宅負荷需求。采用適當的母線電壓控制方法，通過對各變流器進行協調控制達到維持電壓穩定的目的。

本文簡略地搭建了1個住宅直流微網模型，考慮了住宅中不同功率等級的交流負荷和直流負荷、各類分布式能源和交流電網之間的能量流動關系;提出了建立住宅直流微網模型的基本步驟;給出了住宅直流微網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荷進行供電;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種直流保護設備的特點。

1 國內外研究現狀

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

文獻［5］提出了住宅直流配電系統，介紹了系統元件的建模方法，建立了變流器的效率模型，繪制了基于統計數據的住宅負荷能耗曲線。文獻［6］提出了一個基于“下垂控制”的直流母線電壓控制方法，多個換流器同時控制母線電壓。文獻［7］對主從裕度控制、多點電壓下垂控制、混合控制方法進行了對比分析，并通過仿真算例進行了驗證。在文獻［8］提出的直流配電網的控制策略中，根據微網系統中電壓的變化對變流器進行控制，從而實現對電能流動的控制。文獻［9］介紹了直流配電網的調度與控制。文獻［10］總結了直流配電系統的保護策略。此外，我國在直流配電系統的穩態分析、故障分析與保護、控制策略、電力電子設備、可行性分析等方面也展開了研究。

目前，荷蘭、日本、美國等發達國家都已有相關的直流智能樓宇項目［11-13］。我國臺灣地區也已啟動“智慧型直流電力屋”的開發計劃［14］。目前，我國低壓直流供電技術已經應用在直流換流站、軌道交通和通信系統中，但還未實現給城市家庭用戶供電。只有在生活水平低、沒有交流電網覆蓋的邊遠地區，直流微網以孤島運行的形式滿足居民基本的用電需求，但供電容量、電能質量和可靠性均不能滿足發達地區的住宅供電需求。

對于采用直流供電的家用電器的研究，論文［15］設計了一種冰箱烤箱一體機，可采用直流電源對其進行供電。2009年7月，廣東白色家用電器產學研創新聯盟成立了直流家用電器技術工作組［16］。至2009年10月，直流家用電器技術工作組在初步確定了住宅直流供電標準電壓的基礎上，試制成功了一系列采用直流供電的家用電器樣品，包括分體式空調器、電冰箱、小型半導體冷藏箱、洗衣機、LED燈具等家用電器［14］，并以此為基礎進行了直流家用電器在住宅環境下運行的驗證性試驗。

2 住宅直流微網技術可行性分析

住宅直流微網的可行性可從用電技術可行性和供電技術可行性這2部分進行分析。

2.1 直流用電技術可行性

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

常用生活用電設備按能量轉換的形式，主要分為4類［4，17-18］:照明裝置、電動設備、電熱設備及電子設備。

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

(2)電動設備。交流變頻調速技術的調速性能好，節電效果突出，在國民經濟各領域得到了廣泛使用［19］。直流無刷電動機運行效率高、調速性能好，是家用電動設備電動機的主要發展方向之一［20］。目前空調、冰箱、洗衣機的發展趨勢都是實現變頻控制或者采用直流無刷電機，都必須把220V交流電整流濾波成直流電壓，再對電機進行供電。

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

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

從內部電路來看，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換，單獨使用交流供電已經無法適應家用電器用電方式的轉變趨勢。因此，直流用電系統具有可行性和必要性。

2.2 直流微網供電可行性

我國現用主要的輸電網絡是交流網絡，家庭用戶基本直接與交流網絡相連，電網為用戶提供交流電源，逆變后給直流負載供電。隨著分布式能源容量的不斷增加、高壓直流輸電技術的成熟、直流負載的設計與發展，住宅區采用低壓直流供電將實現直流發電、直流輸電、直流配電和直流用電一體化，完整的直流系統在輸配電設備成本和線路損耗上更具優勢。

2.2.1 高壓直流輸電技術的成熟

高壓直流輸電相比于等電壓的交流輸電，因其無趨膚效應、無無功分量，輸送容量更大;可靈活調節有功無功的方向和大小;輸電線路成本低等優勢成為遠距離輸送大量電能的新的重要技術手段。近年來高壓直流輸電系統已趨成熟，在世界許多國家都有成功應用。目前，國內外已有較成熟的直流輸電網規劃。2010年3月，位于美國的世界上首個基于模塊化多電平換流器的直流輸電工程Trans Bay投入商業運行。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±800 kV特高壓直流輸電工程［21］。直流輸電技術的逐步成熟為直流供電提供了技術基礎，實現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，只需實現直流變壓。

2.2.2 DC/DC換流技術的發展

直流配電系統的效率很大程度上取決于直流變壓設備和整流設備的效率。若將直流源作為供電源，DC/DC變換器的轉化效率決定了直流供電能否降低電能損耗［4］;若直流配電網直接由直流輸電系統提供電能，DC/DC變換器的性能更是降低電能損耗的關鍵。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變換器技術為直流輸電、直流配電提供了技術支撐，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 直流微網供電技術的優勢

在住宅直流微網系統中可方便地嵌入分布式能源。光伏發電、燃料電池、蓄電池組等分布式能源輸出直流電壓;小型風力發電系統、小型水力發電系統、小型燃氣輪機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過兩級變流，可直接向負荷供電。

直流配電可以消除交流配電中的諧波問題。住宅內部低壓交流電路中的高頻諧波可以由某些用電設備工作時的振蕩狀態引起，對配電網絡和輸電網絡都會造成諧波干擾。文獻［22］對電飯煲、筆記本電腦、電冰箱、電磁爐和微波爐5種常見家用電器進行了諧波測試分析，筆記本電腦和微波爐在工作狀態時對交流電網產生的諧波污染較為嚴重。若采用直流供電，直流側不會增加電網中的諧波含量。而輸電網和配電網中存在的直流諧波主要是由于高壓直流輸電系統中非線性的變流器交流側的諧波引起的［23］，隨著光通信系統的不斷普及和發展，直流輸電系統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中的諧波問題，還可減少交流輸電網絡中的諧波干擾。

直流配電可提高電能質量。將大容量雙向AC/ DC變流器作為直流電源，根據不同的運行條件采用適當的控制策略，可以為住宅直流微網提供持續穩定的、高質量的、高效率的電能［25］。配電變流器交流側不需要提供無功功率，變流器可以靈活地吸收或發出無功功率，可起到靜止無功補償器的作用，動態補償交流母線的無功功率，穩定交流母線上電壓。電壓源換流器在直流輸電領域已經得到了廣泛的研究和應用［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。交流配電時輸電線路上的有功損耗與功率因數的平方成反比，功率因數越大，線路損耗就越小;在視在功率不變的情況下，功率因數越大，電網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節，降低損耗。若直流供電源電壓與直流家用電器設備用電電壓相等，可減去相應的整流電路和無功功率補償電路，通過減少設備來降低能耗和設備成本、提高電能質量。在比較交流配電系統和直流配電系統的電能損耗時，由于交流系統中負載內部存在更多的變流環節，電能損耗要比直流系統大［27］。按日本有關機構的測算，若在住宅中全面實施直流供電，僅在電能轉換過程中所節省的電能消耗，大約為現有住宅電力消耗量的10%～20%［11，14］。

3 住宅直流微網供電系統模型的建立

要建立起一個完整的住宅直流微網模型，需要確定微網的負載模型、供電電壓等級和供電組網模式，設計控制管理系統和分析評估平臺。圖1為建立住宅直流微網系統模型的概念網絡。在用戶負荷特性的基礎上，由負荷情況和分布式能源的出力情況初步確定系統結構和供電模式。根據負荷情況和系統結構進行暫穩態分析，由分析結果確定系統保護方式和控制策略，初步得到一個住宅直流微網系統。綜合供電模式和系統結構，對系統進行節能分析，根據分析結果確定系統供電電壓等級并調整系統負荷特性，利用新的負荷特性對系統進行修正。

3.1 用戶負荷特性

根據家庭負荷的歷史數據，結合實地調研和負荷預測2種方法對居民負荷特性進行分析，提出能夠反映居民負荷特性的指標體系，建立典型案例負荷指標庫，以及典型的住宅及小區的負荷模型，這對制定小區供電模式具有重要的基礎性作用。例如南京供電公司從1999年7月起，陸續在市區建立了12個居民住宅用電監測點，利用遠方終端采集的數據，研究分析居民用電負荷特性［28］。利用家庭交流負荷的模型和各類家用電器的負荷曲線，可得到直流供電時的家用電器負荷曲線、家庭負荷曲線和居民小區的負荷曲線。負荷模型的建立是住宅直流微網的研究基礎。直流總線給微網中的負載供電，通過各住宅智能電表測量數據得到家庭的負荷曲線，綜合分布式電源的發電出力情況，得到整個直流微網作為負載的負荷曲線。

3.2 住宅直流微網電壓等級的確定

電壓等級的確定不僅影響電網結構與布局、電氣設備設計與制造及電力系統運行與管理，同時決定了電力系統的運行費用和經濟效益。在確定直流電壓等級時，一般要考慮直流用電設備的電壓等級、網絡損耗與供電效率、配電經濟性、現有直流配電系統中使用電壓等級的工程應用及產業界推行的相關標準規范等［29］。住宅直流微網電壓等級合理配置的原則與標準:有利于降低電網投資;有利于降低網絡損耗;有利于提升供電能力和供電可靠性;有利于運行維護，增強供電適應性以滿足不同負荷情況的需求［30］。

結合家用電器負荷的工作特性，以上述原則作為準則提出適用的供電電壓等級。

為提高供電質量，可根據各家用電器的功率擬定多個直流供電電壓等級，并對不同家用電器負荷的電壓等級進行測試和分析，比較得到1個或2個最優供電電壓等級。文獻［3］比較了交流230V、直流24V、48V以及電纜優化后的直流48V向同一負載供電的電能消耗和損耗情況。線路優化后的直流48V系統的電量消耗最少，且在3個試驗直流系統中線路損耗最小。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。

我國通信行業中已經出臺針對240V直流供電系統的標準，對工程設計、施工及驗收相關技術要求進行了規范［31］。歐洲標準化委員會(ETSI)已經提出300 V直流供電的信息和通信設備標準，取代48 V直流供電。與此同時，歐洲地區已經有數個300 V以上電壓直流供電項目試驗。較高的電壓一般以現有家用電器標準允許的交流電壓對應的峰值為上限，IEC 60336系列標準的交流電壓上限為250 V，對應的峰值為353.6 V，因此，采用350 V作為直流供電標準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有電力設備。日本住宅直流供電的方案大體以48 V為基本電壓參數，大功率家用電器如空調器和電動汽車等則采用200 V供電［14］。廣東白色家用電器產學研創新聯盟直流家用電器技術工作組擬定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［32］也認為可以使用2個電壓等級對家庭進行直流供電。

3.3 住宅直流微網組網模式與能源管理系統設計方案

3.3.1 住宅直流微網組網模式研究

供電模式的選擇是住宅直流微網系統規劃的重要部分，它不僅必須滿足各類國家標準、地方標準和行業標準，也會隨著經濟的發展水平、社會的進步程度和新技術、新產品的應用而不斷發展，也因為住宅小區的規模、水平、地域、層高和房價的差異而不同［33］，因此需對各種可能的組網模式進行定量的計算分析。結合家用電器負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立的供電區域，根據各供電區域的負荷和資源等情況，綜合考慮供電可靠性、容載比、接線方式、點線配置等技術原則，同時對其可靠性和經濟性進行指標評估，選擇合理的電網結構和恰當的供電模式［34］。

根據用戶規模、負荷特性、分布式電源特性以及用戶的可靠性要求，進行綜合評估后，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的區別在于對交流負荷的供電方式，在大多數家用電器都能實現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中的直流系統采用2個電壓等級進行供電，空調等電機類負載、電磁爐等電熱設備都是大功率用電設備，需要較高的工作電壓;照明設備和電子類設備功率較低，可采用低電壓供電。

3.3.2 住宅直流微網能源管理

住宅直流微網系統除交流電網以外，還包括太陽能發電裝置、風力發電裝置、燃氣熱電聯產裝置、蓄電池等直流電源裝置。住宅直流微網系統的能量管理系統，必須滿足住宅直流微網綜合監控和有效調度的需求。通過住宅直流微網能源管理平臺對住宅直流微網的實時監測與控制，滿足住宅直流微網的運行條件。根據用戶的用電行為以及電網的負荷情況等因素，充分利用電網中的分布式電源，起到削峰填谷的作用，對電網安全和穩定具有積極的意義。

3.3.3 直流母線電壓控制

供電可靠性和電能質量是電力系統用戶最為關注的問題，特別是逐漸普及的敏感家用電子類負載對電能質量要求很高［36］。圖4是住宅直流微網管理控制系統，系統根據直流微電網中負荷的用電需求、當前分布式電源發電量以及系統中電壓閾值產生指令。通過協調控制網絡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的雙向供電情況，將直流總線的電壓穩定在設定范圍內。

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現對母線電壓的控制。

主從式電壓控制一般選取與交流電網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控制系統，根據各換流器容量等信息按比例預設各變流器的工作電流值或功率值。但主變流器退出運行或交流電網出現斷電，從屬的變流器由定電流或定功率控制轉換成定電壓控制。

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，使得系統中的功率在各個變流器間穩定分配。采用電壓下垂控制不需要上層的控制系統預設初值，但由于變流器的電壓下降特性，電能質量比采用主從式控制系統要稍差一些。

集中式控制方式設置有一個集中控制模塊，各變流器參數由集中控制模塊給定，其監視母線總的電流和電壓，對每臺變流器進行集中控制，從而控制每臺變流器的電流輸出。

主從控制方式其電壓調節性能與負荷分配都具有良好的剛性，但是需要調度系統進行功率分配，同時對主站容量要求較高;下垂控制可以基本實現按比例供電，一定程度上可以無需通訊與調度系統而穩定供電，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出，因此其相位和頻率的控制可以在集中控制模塊內生產，有很好的同步性能［37］。

3.4 住宅低壓直流配電系統的保護設備

住宅低壓直流配電系統的保護系統的設計必須滿足可靠性、速動性、選擇性、經濟性等要求。

直流配電系統中的直流線路發生故障時，由于故障電流快速上升，會迅速對系統設備造成損害，因此反應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，滅弧是直流斷路器面臨的最大挑戰。另外，熔斷器適用于過電流保護中，但熔斷器在故障發生后需要進行更換，不便使用在住宅環境中，并且不適用于對供電可靠性較高的環境中;隔離開關無滅弧能力，并不能切斷任何直流電流，只可作為直流配電保護系統發展過程中的過渡設備［10，38］。

4 結論與展望

隨著直流分布式電源的發展、直流輸電技術的成熟以及直流變流設備效率的提高，住宅直流微網發展的基礎技術已基本具備。家庭用戶實現直流供電更方便小型家用分布式電源的接入，節省了電器中的變流設備，降低了能量損耗，增加了線路的輸電容量，住宅直流供電的優勢相對突出。

本文提出在對家用電器與居民小區負荷特性分析建模的基礎上，設計住宅直流微網系統組網模式，可采用純直流供電系統或交直流混合供電系統;列舉住宅直流微網系統電壓等級確定原則，擬采用雙電壓等級對不同功率的用電設備進行供電;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保護設備的優缺點，認為直流斷路器是將來最理想的保護設備。

荷蘭、日本、美國等發達國家針對智能樓宇直流供電已經開展了研究并建立起示范工程。我國臺灣地區也啟動直流屋的研究計劃。直流家用電器的設計在國內外取得了一定的成果。

我國尚沒有住宅直流微網的示范工程，但隨著對住宅直流供電技術研究的不斷深入，我國住宅直流微網將得到快速發展。

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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，研究方向為電力系統運行與控制、新能源發電技術;

葉林(1968)，男，博士，教授，博士生導師，德國洪堡學者，研究方向為電力系統自動化、新能源發電與超導電力應用;

趙永寧(1990)，男，博士研究生，研究方向為電力系統運行與控制、新能源發電技術;

陳政(1989)，男，碩士，研究方向為新能源發電技術、高電壓技術;

何桂雄(1984)，男，碩士，工程師，主要研究方向為電力系統穩定運行與控制。

教育部高等學校博士學科點專項科研基金項目(博導類)(20110008110042)。