基于直流配電與直流微網(wǎng)的電氣節(jié)能研究

張永明 丁 寶 傅衛(wèi)東 劉 群

（1.同濟大學中德工程學院 上海 201804 2.哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150001 3.蘇州工業(yè)園區(qū)設計研究院股份有限公司 蘇州 215021）

1 引言

進入21 世紀，能源與環(huán)境已成為全球化的問題。2014年11月12日，國際能源署（IEA）發(fā)布了《世界能源展望2014》，首次將展望擴展到2040年，報告稱到2040年，化石燃料在一次能源需求結(jié)構(gòu)中的比例下降到3/4 以下，但是這并不足以有效遏制二氧化碳排放量的上升，與這一排放量相對應的是全球平均氣溫將上升3.6℃，嚴重超過國際社會已經(jīng)達成共識可避免氣候變化帶來最嚴重和最廣泛影響的2℃控制目標，亟需引導能源系統(tǒng)走上一條更安全的發(fā)展道路[1]。

面對能源利用引起的氣候變化，可再生能源/清潔能源讓我們看到了曙光，可再生能源技術是低碳全球能源供應的重要支柱[1-2]，到2040年，可再生能源發(fā)電量將占全球新增發(fā)電量的近一半[1]，但可再生能源存在能量密度低、間歇性、分布分散等特點，也很難適應傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡集中統(tǒng)一的體制，能源互聯(lián)網(wǎng)作為未來可能的能源可持續(xù)發(fā)展解決方案正逐漸成為研究的熱點和潮流。而能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源“就地收集、就地存儲、就地使用”的微電網(wǎng)必將成為有效利用可再生能源的重要方式，微電網(wǎng)也必將成為未來能源互聯(lián)網(wǎng)核心的基本單元之一。而可再生能源發(fā)電作為一種分布式直流電源，且在物理上易于和直流負載結(jié)合，選擇直流配電以及直流微電網(wǎng)變成必然，直流微電網(wǎng)必將成為微電網(wǎng)的重要形式之一。

鑒于直流供電系統(tǒng)較傳統(tǒng)交流供電系統(tǒng)，具有電能變換環(huán)節(jié)少、傳輸效率高、不需要輸出同步及供電質(zhì)量更易保證等特點，是電氣節(jié)能的新的研究方向和發(fā)展趨勢，近年來得到了產(chǎn)學研各界的廣泛關注[3-9]。瑞典、日本、法國和美國等國家的通信公司已于20 世紀90年代開始了300～400V 數(shù)據(jù)中心直流配電的研究[10]。另外，軍艦、航空和自動化系統(tǒng)的直流區(qū)域配電，電力牽引直流供電技術已然成熟[11]，這為直流微網(wǎng)的推廣應用提供了良好的契機。在建筑直流供電方面，歐盟、日本、美國以及近年來我國紛紛開始了相關方面的研究和示范工程[12-15]。此外，我國2009年廣東白色家電產(chǎn)學研創(chuàng)新聯(lián)盟成立了直流家電技術工作組和家電集成能源系統(tǒng)技術工作組，啟動了我國在該領域的產(chǎn)業(yè)研發(fā)。

可以預見，隨著可再生能源的推廣應用以及直流用電終端的普及應用，直流配電/直流微網(wǎng)將逐漸在局部區(qū)域獲得應用，并成為交流配電/交流微網(wǎng)的有力補充。交流供電和直流供電將互為補充，交流微網(wǎng)和直流微網(wǎng)共同構(gòu)成微電網(wǎng)，并作為未來能源互聯(lián)網(wǎng)的基本單元。在這種大背景下，本文從擬應用驅(qū)動、技術發(fā)展角度，提出直流配電/直流微網(wǎng)技術在相關領域的應用方案、描繪應用前景，以期推動可再生能源在相關領域的推廣應用。

2 分布式能源發(fā)電與負載特性分析

首先，對可再生能源/清潔能源分布式發(fā)電特性做了分析，可再生能源分布式發(fā)電具有直流特征；然后，對負載特性和發(fā)展趨勢做了闡述，在各種終端用電負載中，直流負載與日俱增，且所占比重也越來越高。迫切需要構(gòu)建直流配電網(wǎng)絡以及直流微電網(wǎng)，以適應能源發(fā)展的新需求，為電氣節(jié)能設計應用提供依據(jù)和參考，為節(jié)能、高效利用可再生能源/清潔能源提供支撐。

2.1 分布式能源發(fā)電特性

目前，具有可用性的可再生能源/清潔能源主要有太陽能、風能、水能、生物質(zhì)能、地熱能、海洋能等形式能源，分布式發(fā)電主要有光伏發(fā)電、風力發(fā)電、水力發(fā)電、燃氣發(fā)電、燃料電池等。

光伏發(fā)電和燃料電池發(fā)電，直接以直流形式產(chǎn)生電能，其為直接直流電源，需要經(jīng)過DC-AC 變換才能并入傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)。

風力發(fā)電和燃氣輪機發(fā)出電力是交流電，由于葉輪受力的不同其旋轉(zhuǎn)頻率不同，其發(fā)出交流電力的頻率也不同，無法直接并入頻率50Hz 的交流電網(wǎng)，因此需要經(jīng)過AC-DC 和DC-AC 兩次變換，才能并入交流配電網(wǎng)。在某種意義上，也可以認為其為間接直流電源。

因此，若使用直流配電系統(tǒng)，可以大量減少配電環(huán)節(jié)中DC-AC 變換器的使用，既降低了電網(wǎng)的構(gòu)建成本、提高了電網(wǎng)的可靠性，同時也降低了電能變換、傳輸過程中的損耗。

隨著可再生能源/清潔能源分布式發(fā)電的快速、全面推廣應用，直流配電的優(yōu)勢凸顯，迫切需要發(fā)展直流配電/直流微電網(wǎng)以適應能源發(fā)展的需求。

2.2 直流負載的比重日益增加

近年來，隨著電力電子技術的進步、網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展，電能終端用戶的用電形式發(fā)生了很大變化，國外研究結(jié)果表明，某些類型建筑中直流負荷所占比重甚至達90%以上[9]，這些變化主要表現(xiàn)在兩個方面。

一是，含直流環(huán)節(jié)的電器增多。最普遍、最具代表性的就是變頻電器。近年來，隨著變頻技術的不斷成熟及產(chǎn)品成本的不斷降低，大量變頻電器被研發(fā)、生產(chǎn)、推廣應用，如電梯、空調(diào)、冰箱、洗衣機等變頻設備。

二是，本質(zhì)上使用直流的電器/電子產(chǎn)品增多。目前越來越多的電氣設備本質(zhì)上都是直流驅(qū)動電器，其需要將傳統(tǒng)交流電變換為直流電再送給電器使用。如生活中常見的電動汽車、電動自行車、液晶電視、LED 照明燈、電腦及網(wǎng)絡設備、手機等移動通信設備，等等。

用戶終端直流負載的與日俱增，是發(fā)展直流配電/直流微電網(wǎng)的內(nèi)在驅(qū)動力之所在。

3 從直流配電到直流微網(wǎng)

為了應對能源危機和氣候變化，世界各國積極探尋新能源技術，特別是可再生能源/清潔能源受到世界各國的高度重視。但可再生能源存在地理上分散、規(guī)模小、生產(chǎn)不連續(xù)、存在隨機性和波動性等特點，也很難適應傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡集中統(tǒng)一的體制。能源互聯(lián)網(wǎng)作為未來可能的能源可持續(xù)發(fā)展解決方案正逐漸成為研究的熱點和潮流。

根據(jù)美國知名學者杰里米·里夫金（Jeremy Rifkin）歸納，“第三次工業(yè)革命”的五大支柱/特征：

（1）利用可再生能源；

（2）將建筑轉(zhuǎn)化為微型發(fā)電廠；

（3）在建筑及基礎設施中使用氫和其他儲能技術；

（4）利用能源互聯(lián)網(wǎng)技術將分散的電力網(wǎng)轉(zhuǎn)化為能源共享網(wǎng)絡；

（5）運輸工具轉(zhuǎn)向插電式及燃料電池動力車輛。

該論述清楚地指出了未來低碳能源系統(tǒng)的技術路線，即產(chǎn)能、供能、用能、蓄能和節(jié)能相互協(xié)調(diào)統(tǒng)一，像信息互聯(lián)網(wǎng)一樣把分散的用能和分布式的產(chǎn)能互相連通、實現(xiàn)共享。涉及“就地收集、就地存儲、就地使用”微電網(wǎng)技術，必將成為有效利用可再生能源的重要方式，必將成為未來能源互聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術之一，也必將成為五大支柱的關鍵支撐技術之一。

鑒于可再生能源發(fā)電作為一種分布式直流電源，且在特性上和物理上易于和直流負載結(jié)合，選擇直流配電以及直流微電網(wǎng)變成必然，用發(fā)展的觀點來看，直流微電網(wǎng)必將成為微電網(wǎng)的重要形式之一，加之傳統(tǒng)交流微電網(wǎng)，共同構(gòu)成微電網(wǎng)，即交直流混合微電網(wǎng)。

現(xiàn)實中，直流配電以及直流微電網(wǎng)，在有些領域已有典型應用案例，有些領域已現(xiàn)應用倪端。筆者將分析數(shù)據(jù)中心、電動車、智能樓宇、光伏泵站/風光互補泵站、LED 照明等領域的直流配電應用，有些是案例，有些是愿景。希望通過總結(jié)分析相關技術的應用狀況和發(fā)展趨勢，拋磚引玉進一步推動直流配電技術的發(fā)展成熟與應用，為電氣節(jié)能提供技術支撐。

4 建筑直流配電及電動車充電

現(xiàn)代建筑與能源的關系密切而復雜。針對建筑光伏并網(wǎng)難、電梯發(fā)電去處難，電動車直流充電的需要，以及分布式能源發(fā)出的是直流電力，提出了計及電動車充電、電梯發(fā)電、建筑光伏等發(fā)電的高、低壓雙母線的直流微電網(wǎng)，該類建筑直流配電系統(tǒng)屬微電網(wǎng)技術范疇，是現(xiàn)有建筑交流配電系統(tǒng)的有益補充和完善，是分布式能源在建筑節(jié)能中應用以及電動車充電技術的最新發(fā)展趨勢。

4.1 應用需求驅(qū)動建筑直流配電

自1997年，荷蘭能源研究中心（ECN）系統(tǒng)地提出了“建筑直流配電技術”實施方案，隨后歐洲和日本等地陸續(xù)進行了相關開發(fā)和驗證。其中，在歐洲已經(jīng)出現(xiàn)采用直流350V 住宅供電試驗項目；日本自2009年多家日本大型家電企業(yè)和建筑企業(yè)先后推出了部分“直流生態(tài)住宅”示范項目；我國臺灣地區(qū)近期啟動了名為“智慧型直流電力屋”的開發(fā)計劃。此外，廣東華南家電研究院開發(fā)了幾種直流家電產(chǎn)品；格力電器開發(fā)了光伏中央空調(diào)，即光伏直驅(qū)變頻離心機系統(tǒng)，可與光伏發(fā)出的直流電直接對接。家電產(chǎn)品對建筑直流配電提出了直接需求。

當前，隨著變頻家電、電動車進入家庭，以及計算機、各種家用充電設備的普及，建筑內(nèi)直流負荷的比重越來越高。而目前建筑內(nèi)只有交流配電系統(tǒng)，只能通過AC/DC 轉(zhuǎn)換獲取直流電源供電。因此，建筑內(nèi)需要直流配電系統(tǒng)，以減少電源變換提高電能的使用效率。按日本有關機構(gòu)測算，若在住宅中全面實施直流供電，在電能轉(zhuǎn)換過程節(jié)省的能耗，大約為現(xiàn)有住宅電力消耗量的10～20%[16]。

可再生能源與建筑結(jié)合具有先天優(yōu)勢，便于能量的“就地收集、就地存儲、就地使用”，因此分布式可再生能源在建筑中應用有著巨大的生命力。光伏發(fā)電、電梯再生發(fā)電、微型燃氣輪機、風力發(fā)電、燃料電池等均可向建筑提供直流電源。尤其是光伏建筑一體化（Building Integrated Photo-Voltaic，BIPV）和電梯再生發(fā)電發(fā)出的是直流電力，如果在發(fā)電的瞬間不能全部使用完畢，可能導致向電網(wǎng)饋電，往往不能得到電網(wǎng)的允許，如何解決配電問題已經(jīng)迫在眉睫[15]。

此外，近年電動車（EV）的快速發(fā)展，特別是，特斯拉運用能源互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新技術，一度成為汽車行業(yè)的創(chuàng)新亮點，掀起了全球新能源汽車的一場革命。在中國能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略研究課題組的倡導下，2014年中國能源互聯(lián)網(wǎng)電動車項目啟動。在電動車快速發(fā)展的同時，充電問題凸顯，充電難已經(jīng)成為制約電動車發(fā)展的瓶頸。國外的發(fā)展趨勢也表明，電動車的家電屬性越來越突出。因此，依托于建筑物建立直流充電樁必要且可行。

4.2 建筑直流微電網(wǎng)的構(gòu)成

在傳統(tǒng)交流配電的基礎上，增加直流配電網(wǎng)絡，來構(gòu)建建筑物級直流微電網(wǎng)系統(tǒng)。建筑直流微電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成，如圖 1 所示。由交流/直流變換器（AC/DC）、直流總線、分布式電源、直流負荷、蓄能裝置（電，冷/熱）、直流/直流變換器（DC /DC）等部分組成，電動車等大功率設備連接高壓直流總線，電子終端等小功率負載直接連接低壓直流總線，電壓等級如可以采用350V/48V 等，以滿足設備電壓等級要求。具體而言：

圖1 智能建筑直流微電網(wǎng)的架構(gòu)Fig.1 DC microgrid architecture in intelligent building

（1）從建筑內(nèi)的分布式直流發(fā)電來看，目前國內(nèi)建筑內(nèi)實際有意義的分布式電源是建筑光伏BIPV 和電梯再生發(fā)電，未來會有更多的分布式電源如微型燃氣輪機、風力發(fā)電、燃料電池等在建筑內(nèi)使用。

（2）從建筑內(nèi)的直流負載來看，主要包括電動車（EV）（電動汽車和電動自行車）、電梯、各種變頻家電、液晶電視、LED 照明、電腦網(wǎng)絡設備、移動通信設備等。

（3）從建筑直流微電網(wǎng)蓄能來看，除了采用常規(guī)的超級電容和蓄電池混合儲能外，還可以與暖通空調(diào)系統(tǒng)的蓄冷/熱結(jié)合；此外，隨著電動車的快速發(fā)展，電動車成為智能建筑微電網(wǎng)蓄能的重要組成部分，可降低微電網(wǎng)系統(tǒng)自身的蓄能容量從而降低系統(tǒng)成本。

進而，分布式電源、直流負荷和蓄能裝置通過直流總線互聯(lián)實現(xiàn)電能傳輸、交換與共享，并通過AC/DC 雙向變換器與交流電網(wǎng)互聯(lián)。需要強調(diào)說明的是，在建筑直流微電網(wǎng)中，電動車和電梯比較特殊：

（1）電動車：既是負載又是蓄能裝置。

（2）電梯：既是負載又是電源。電梯在此系統(tǒng)中比較特殊，電梯既用電又可發(fā)電，因此電梯既是負載又是電源；集群電梯中，同一時刻有的電梯發(fā)電而有的電梯用電，此時可通過直流總線實現(xiàn)電梯間電能的交換/共享。

4.3 目前存在問題及解決途徑探討

目前建筑直流配電、建筑直流微網(wǎng)發(fā)展主要制約在相關規(guī)范/標準制定的滯后。目前我國尚無建筑直流配電技術規(guī)范/標準，建筑電氣設計/改造無規(guī)范可依，因此難于工程應用及推廣。目前建筑電氣設計規(guī)范/標準主要包括《民用建筑電氣設計規(guī)范》JGJ16-2008；《低壓配電設計規(guī)范》GB50054-2011；《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》GB50052-2009；等等。其中，《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》GB50052-2009，對分布式電源及應用有提及，但未涉及到直流部分；其他相關規(guī)范均未提及直流配電及直流微網(wǎng)部分。

因此，當前工作應致力于相關規(guī)范/標準的修訂和制定上。首先，應盡快建設一批示范項目，取得運行經(jīng)驗后制定建筑直流配電系統(tǒng)設計規(guī)范，為工程設計、施工人員提供規(guī)范/標準依據(jù)，從而為工程應用及進一步推廣鋪平道路。

5 數(shù)據(jù)中心的應用與實踐

數(shù)據(jù)中心數(shù)量增長快、能耗高。數(shù)據(jù)中心是典型的、大規(guī)模的直流負載，并利用冷熱電三聯(lián)供能量梯級利用優(yōu)勢，本文再次提出燃氣冷、熱、直流配電三聯(lián)供的數(shù)據(jù)中心能源解決方案，綜合解決配電和空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能兩大問題，并且有利于分布式可再生能源的接入，為節(jié)能低碳數(shù)據(jù)中心建設提供技術支持和參考。

5.1 配電和空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能是關鍵

隨著互聯(lián)網(wǎng)應用的不斷擴展，特別是云計算、大數(shù)據(jù)時代的到來，以及大型企業(yè)信息化程度不斷提高，促進了全球各地數(shù)據(jù)中心的快速建設。在數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展過程中，其能耗與碳排放問題日益嚴重，據(jù)統(tǒng)計，截止到2012年，全球數(shù)據(jù)中心的總量已達到360 萬個，我國數(shù)據(jù)中心達到了50 萬個，擁有服務器總量約 340 萬臺，并以年復合增長率 14%的速度持續(xù)增長，從2011年到2012年，全球數(shù)據(jù)中心能耗由2 100 億千瓦時增加到了3 320 億千瓦時，增幅高達63%，這一趨勢也導致數(shù)據(jù)中心碳排放呈幾何倍增長[17-18]。

對數(shù)據(jù)中心的耗電統(tǒng)計分析表明，IT 設備的電耗約只占1/3 左右，但配電傳輸和轉(zhuǎn)換設備的電耗約占21%-24%，空調(diào)與制冷電耗占45%左右，數(shù)據(jù)中心的能源利用效率較低[19]。近年來隨著直流配電技術的發(fā)展及相關設備的日趨成熟，高壓直流供電技術成為現(xiàn)代綠色數(shù)據(jù)中心配電的發(fā)展趨勢，直流供電可靠性高、節(jié)能效果好，是解決數(shù)據(jù)中心高能耗低效率問題的關鍵技術之一[20-21]，數(shù)據(jù)中心的電力消耗就可削減 10%～20%左右[14]。

目前，很多國家都進行了高壓直流供電的試點工作，因為全世界目前并沒有關于高壓直流供電方面的技術標準，各國的電壓等級選擇不盡相同。雖然沒有統(tǒng)一的電壓等級，但各國試點的工作電壓范圍均為200～400 V。如美國400 V 直流供電系統(tǒng)比交流系統(tǒng)節(jié)省7%的輸入電力，日本NTT 270 V 直流供電系統(tǒng)，法國電信336 V 高壓直流系統(tǒng)，韓國電信300 V 高壓直流系統(tǒng)，中國研究的240V 高壓直流供電系統(tǒng)[20-21]。

此外，中國科學院慈松課題組，將能源互聯(lián)網(wǎng)思想的分布式儲能技術引入數(shù)據(jù)中心，通過以基于鋰電池的分布式儲能代替?zhèn)鹘y(tǒng)UPS，其能夠減少交直流轉(zhuǎn)換次數(shù)，提高能源利用率與可靠性[22]。從另外一個層面上，為解決數(shù)據(jù)中心的供能與能耗問題提供了一個新思路。

5.2 燃氣冷熱電三聯(lián)供及直流配電提出依據(jù)

冷熱電三聯(lián)供（CCHP，Combined Cooling,Heating and Power）系統(tǒng)是一種建立在能量梯級利用概念基礎上，將供熱（采暖和供熱水）、制冷及發(fā)電過程有機結(jié)合在一起的總能系統(tǒng)。三聯(lián)供屬于分布式能源的主要形式之一，經(jīng)過能源的梯級利用使一次能源利用效率從常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的40%左右提高到80%左右[2]。

數(shù)據(jù)中心用電、和用冷負荷波動小，常年需要供冷，符合三聯(lián)供系統(tǒng)的功能特點。燃氣冷熱電三聯(lián)供，由于其技術成熟、建設簡單、投資相對較低和經(jīng)濟上有競爭力，更適合于冷熱電負荷相對穩(wěn)定、常年需要供冷的數(shù)據(jù)中心項目[23-25]。

鑒于數(shù)據(jù)中心對能源需求的特點，以及冷熱電三聯(lián)供能量梯級利用優(yōu)勢，順應數(shù)據(jù)中心直流配電的發(fā)展趨勢，本文提出燃氣冷熱電三聯(lián)供及直流配電技術的數(shù)據(jù)中心能源解決方案，綜合解決配電和空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能兩大問題，為節(jié)能低碳數(shù)據(jù)中心建設提供技術支持和參考。

此外，直流配電方案避免使用逆變器，至少可以提高電源效率5%，同時也避免了逆變器故障時帶來的蓄電池無法放電的問題，提高了供電可靠性[20-21]。

5.3 燃氣冷熱電三聯(lián)供及直流配電的體系架構(gòu)

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)使用燃氣輪機或燃氣內(nèi)燃機，將一次能源——天然氣的化學能生成煙氣的熱能，按品質(zhì)分別轉(zhuǎn)化為二次能源——電能和蒸汽熱能，進而實現(xiàn)對一次能源（燃氣）合理的梯級利用。利用高品位的熱能發(fā)電，利用低品位的熱能采暖和制冷，提高了一次能源的利用率。

通過燃氣內(nèi)燃機冷熱電聯(lián)供，如圖2所示，供電以市電和自發(fā)電互為備用，交流、直流負荷獨立供電，增加直流總線并利用其對IT 設備供直流電，降低配電損耗的同時提高了供電可靠性；供冷以電制冷和熱力制冷互為備用，并進行蓄冷冗余，保證數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的冷源可靠性；供熱以燃氣直燃供熱和余熱供熱互為備用。系統(tǒng)同時滿足冷熱電需求，系統(tǒng)可靠性高、經(jīng)濟性好。此外，燃氣冷熱電三聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)對市政電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)有“削峰填谷”的作用。

圖2 數(shù)據(jù)中心燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 The architecture of gas CCHP for data center

在運行方式上，數(shù)據(jù)中心采用“以冷定電”，正常運行時幾乎不需要市電補足；采用“以電定冷”，正常運行時幾乎完全利用燃氣內(nèi)燃發(fā)電機的余熱，不需要補燃。系統(tǒng)蓄冷部分，既可以利用峰谷電價蓄冷，又可起到“以冷定電”或“以電定冷”運行方式切換的緩沖。可見，燃氣冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)適合于數(shù)據(jù)中心項目，特別是帶有直流總線配電的項目。

5.4 目前存在問題及解決途徑探討

目前數(shù)據(jù)中心燃氣冷熱電三聯(lián)供及直流配電發(fā)展受到兩個方面的制約：

（1）燃氣的穩(wěn)定供應問題，目前我國還鮮有采用燃氣發(fā)電機作為主電源的數(shù)據(jù)中心。隨著我國加大天然氣的開發(fā)和引進，特別是中亞ABC 線/D 線、俄羅斯西氣和東氣、蒙古國煤制氣、緬甸油氣、海上LNG 等，可基本滿足當前需求，因此，在有條件的地區(qū)可率先采用燃氣冷熱電三聯(lián)供技術。

（2）數(shù)據(jù)中心燃氣冷熱電三聯(lián)供，目前協(xié)調(diào)并網(wǎng)發(fā)電難以實現(xiàn)。因此，數(shù)據(jù)中心的三聯(lián)供系統(tǒng)只能以獨立運行方式，即發(fā)電機以孤島運行模式工作。隨著國家電力改革的推進，并網(wǎng)發(fā)電指日可待。

6 光伏泵站/風光互補泵站

針對偏遠地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉，海島、油/氣井平臺海水淡化汲水、發(fā)電等傳統(tǒng)上難以解決的問題，給出了獨立光伏/風光互補泵站直流微電網(wǎng)的架構(gòu)，提出基于直流微電網(wǎng)的獨立光伏/風光互補泵站供應側(cè)和需求側(cè)匹配最優(yōu)運行策略。該系統(tǒng)減少了常規(guī)微電網(wǎng)的蓄電裝置、成本低、配置靈活，具有很重要的應用前景。

6.1 光伏泵站/風光互補泵站應用背景

光伏/風光互補水泵系統(tǒng)，是利用太陽能/風能進行水抽取的裝置系統(tǒng)，具有運行獨立化和安裝靈活化的特點，在其工作過程中將風電整流或太陽能光伏發(fā)電直接驅(qū)動電機從深井、湖泊、江河等泵水，利用水資源勢能進行蓄能，無需配置價格高昂的蓄電設備，避免了光伏/風電的電能不穩(wěn)定、不連續(xù)的缺點[26-27]。

光伏/風光互補水泵系統(tǒng)，可以用于農(nóng)業(yè)灌溉工程，調(diào)水項目的輸水泵，牧區(qū)人畜用水的儲水系統(tǒng)，干旱地區(qū)的地下水抽取系統(tǒng)等等。在農(nóng)業(yè)領域具有灌溉與太陽時間同步，即與農(nóng)作物的水需求周期一致，系統(tǒng)可無人值守，便于維護等多重優(yōu)點。在城市中也可以應用在公共綠地，人工湖，公園噴泉等的供水和水循環(huán)設施[26,28]。

此外，光伏/風光互補泵站還可以應用于海島、海上鉆井平臺海水淡化等應用；同樣適用于陸地偏遠天然氣氣井、石油油井的礦區(qū)進行推廣應用[29]。

鑒于以上優(yōu)點，光伏/風光互補水泵在印度，非洲，中東等國家和地區(qū)獲得重點關注，并逐步成為水資源開發(fā)利用的重要設備。同樣，對于我國西部廣大地區(qū)，水資源相對稀缺，但地廣人稀，又有充足的太陽能/風能資源和充分的應用空間。此外，海島、海上油氣平臺海水淡化等均有應用需求。可以預見，光伏/風光互補水泵，特別是獨立光伏/風光互補水泵，具有很重要的應用前景。

6.2 直流配電供應側(cè)和需求側(cè)的最優(yōu)匹配運行

傳統(tǒng)光伏水泵系統(tǒng)或風電直驅(qū)水泵系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)比較簡單，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無法滿足規(guī)模大點的泵站系統(tǒng)的發(fā)展要求。在此背景下，本文提出了一套方法簡單、成本造價低、工程上易于實現(xiàn)的解決方案，即獨立光伏/風光互補泵站高壓（如400V）直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)需求側(cè)管理思路引入，將供應側(cè)風電/光伏發(fā)電和需求側(cè)水泵負載匹配，一是通過控制增減水泵臺數(shù)，二是通過逆變變頻調(diào)節(jié)負載，保持直流總線電壓在預定范圍內(nèi)。該系統(tǒng)僅需要穩(wěn)定電壓的超級電容或蓄電池組，避免了引入大規(guī)模蓄電裝置，系統(tǒng)成本大大降低。

傳統(tǒng)光伏水泵系統(tǒng)構(gòu)成，如圖3所示，但光伏變頻器系統(tǒng)需要經(jīng)過DC/DC 和DC/AC 兩級變換，課題組提出單級光伏水泵系統(tǒng)，如圖4所示，其能效更高，理論上減少一個環(huán)節(jié)其可靠性更好。

鑒于直驅(qū)型風能發(fā)電水泵系統(tǒng)各構(gòu)件難以匹配，本文提出了一種全直驅(qū)-變頻調(diào)速可切換的風電水泵系統(tǒng)，當發(fā)電頻率范圍與水泵特性比較匹配時，風能發(fā)電直驅(qū)水泵蓄水，反之切換至變頻調(diào)速系統(tǒng)，可保證系統(tǒng)可以在較寬的風速范圍內(nèi)高效、穩(wěn)定運行，系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。

圖3 傳統(tǒng)雙級光伏水泵系統(tǒng)Fig.3 The traditional double stage photovoltaic pump system

圖4 單級光伏水泵系統(tǒng)Fig.4 The single stage photovoltaic pump system

圖5 全直驅(qū)-變頻調(diào)速可切換的風電水泵系統(tǒng)Fig.5 The direct driven and variable frequency for speed of wind power water pump system

本文將單級光伏水泵系統(tǒng)和風電水泵系統(tǒng)，引入泵站高壓（如400V）直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，給出了獨立光伏/風光互補泵站直流微電網(wǎng)的架構(gòu)，如圖 6所示。該系統(tǒng)可獨立運行也可并網(wǎng)運行，可根據(jù)當?shù)靥柲?風能的資源配置系統(tǒng)的構(gòu)成，該系統(tǒng)獨立運行可解決偏遠地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉汲水，海島、油/氣井平臺海水淡化電能及汲水等傳統(tǒng)上難以解決的問題。

6.3 目前存在問題及應用趨勢

目前，高成本是制約可再生能源發(fā)電的最主要因素，而電能存儲成本高是制約其推廣應用的重要原因，而光伏/風光互補泵站僅需要穩(wěn)定電壓的超級電容或蓄電池組，避免了引入大規(guī)模蓄電裝置，系統(tǒng)成本大大降低。在低成本的同時，也存在一些問題，光伏/風光互補泵站系統(tǒng)將電源供應側(cè)（風電/光伏發(fā)電）和需求側(cè)（水泵負載）結(jié)合，統(tǒng)一、協(xié)調(diào)考慮，既要控制水泵臺數(shù)又要變頻調(diào)節(jié)負載，因此，對系統(tǒng)控制策略提出了更高要求。

圖6 獨立光伏/風光互補泵站直流微電網(wǎng)的架構(gòu)Fig.6 The DC microgrid architecture of independent wind and photovoltaic pumping station

7 結(jié)論與展望

本文在對可再生能源/清潔能源分布式發(fā)電和用戶側(cè)負載特性分析的基礎上，鑒于可再生能源發(fā)電作為一種分布式直流電源，針對用戶終端直流負載的增加趨勢，在特性上和物理上，可再生能源直流電源易于和直流負載結(jié)合，提出構(gòu)建直流配電以及直流微電網(wǎng)。現(xiàn)實中，直流配電以及直流微電網(wǎng)，在有些領域已有典型應用案例，有些領域已現(xiàn)應用倪端，筆者在分析了智能樓宇、電動車、數(shù)據(jù)中心、光伏泵站/風光互補泵站等領域的直流配電/直流微電網(wǎng)應用，有些是案例，有些是愿景。本文所中工作歸納如下：

（1）針對建筑光伏并網(wǎng)難、電梯發(fā)電去處難，電動車直流充電的需要，以及分布式能源發(fā)出的是直流電力，提出了智能建筑高/低壓雙母線的直流微電網(wǎng)，是現(xiàn)有建筑交流配電系統(tǒng)的補充/完善，是分布式能源在建筑節(jié)能中應用以及電動車充電技術的最新發(fā)展趨勢。

（2）針對數(shù)據(jù)中心數(shù)量增長快、配電和空調(diào)能耗高，以及數(shù)據(jù)中心負載的直流特性，并利用能量梯級利用原則，本文提出燃氣冷、熱、直流配電三聯(lián)供的數(shù)據(jù)中心能源解決方案，為節(jié)能低碳數(shù)據(jù)中心建設提供技術支持和參考。

（3）針對偏遠地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉，海島、油/氣井平臺海水淡化等傳統(tǒng)上難以解決的問題，給出了獨立光伏/風光互補泵站直流微電網(wǎng)方案，提出基于直流微電網(wǎng)的供應側(cè)和需求側(cè)最優(yōu)匹配運行策略，該系統(tǒng)成本低、配置靈活，具有很重要的應用前景。

此外，基于新能源的LED 照明系統(tǒng)，如光伏LED 照明系統(tǒng)，風光互補LED 照明系統(tǒng)等也是重要的應用領域，篇幅所限本文未提及。

本文在課題組前期研究的基礎上，總結(jié)分析相關技術的應用狀況和發(fā)展趨勢，拋磚引玉，希望進一步推動直流配電/直流微網(wǎng)技術的發(fā)展成熟與應用，為電氣節(jié)能、可再生能源高效利用提供技術支撐與工程應用參考。

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