通过利用DC微电网提高智能能源效率

除了在特斯拉和西屋公司臭名昭着的“潮流战争”中支持直流配电外，托马斯爱迪生还对能源供应和可持续发展提出了与当今正在制定的政策惊人相似的观点。他赞成使用能够最大限度地减少直流输电损耗的本地发电，并对利用风能，太阳能和潮汐等可再生能源的前景着迷。

今天，当然，人们越来越关注化石燃料的未来及其对环境的影响正在引导决策者关注可再生能源。此外，随着技术进步使小型光伏阵列和风力涡轮机在企业，小型农场和一些房主的财务范围内，本地发电 - 无论是连接到主电网还是孤岛 - 已经变得实用且经济可行。这些发电机的输出通常为直流，必须先将其转换为适当频率和电压的交流电，然后才能输入本地电源。用于实现此目的的功率调节电路消耗了珍贵收获能量的百分之几。如果可以消除对直流到交流逆变器的需求，可以节省能源。

自爱迪生时代以来，用电量大幅增加;特别是，通过越来越多地使用诸如PC，移动充电器，平板电视和小型办公设备之类的设备，这些设备基本上是直流供电系统。此外，白炽灯照明正在逐步取消，有利于直流供电的LED替代品。传统上包含交流感应电机（如洗衣机或冰箱）的设备中的节能变频驱动器现在将AC线路电源转换为DC，然后以正确的频率重建AC波形以实现所需的电机速度。从长远来看，插电式混合动力或电动汽车的广泛使用前景将进一步将需求平衡转向本机直流负载，可通过直流电源更高效地运行，无需交流/直流电源在输入端。电力研究所（EPRI）估计，直接使用现场可再生能源而不转换为交流电的效率可能高达15％。

然而，今天的交流电网代表着巨大的投资在设备和技术方面。此外，目前使用的大量电器设计为从高压交流电源供电，并且需要适应从直流电源供电或以其他方式更换。因此，采用直流配电的革命性变化是不切实际的。

建立直流微电网

另一方面，增量变化可能会在可能出现的地区引入直流配电的优势。最容易访问。小型DC微电网可用于通过以最小的转换损耗为诸如LED照明或其他DC设备的负载供电来增强标准AC线路电源。这为拥有自己的太阳能或风力微型发电机的办公室或家庭等物业提供了机会，可以有效利用可再生能源，同时减少水电费和环境足迹。

随着今天的配电网和设备变得更加智能并获得处理需求侧管理和平衡的智能，DC微电网可以通过在独立供电时从主电网移除负载来成为整体智能电网策略的组成部分，当本地能源耗尽时重新连接。微电网还可以通过逆变器连接到主电网，从本地微型发电机输入任何多余的能量。

巴斯大学已经实施了它声称的英国第一个本地DC网络为校园图书馆供电。在为期六个月的实验中，50台特别改装的个人电脑直接由直流电源供电，LED照明也由直流微电网供电。此外，还安装了一系列直接从DC微电网充电的备用电池，以便在公用电源中断的情况下为照明和计算机供电。由于该实验旨在研究室内低压直流配电，因此能源来自标准交流电网而非本地可再生电源。前端的单个AC/DC转换器有效地替换了磁带库计算机中的各个AC/DC电源，从而消除了多组转换损耗，从而提高了整体效率。大学声称图书馆的总能耗减少了一半，相当于每年节省25,000英镑，建筑物的环境空气温度也降低了。

标准促进进展

可能阻碍采用直流微电网的一个因素是相对缺乏管理诸如工作电压，接线，安全性和设备互操作性等方面的标准。 EMerge联盟发布的标准旨在解决这一缺陷，并包括占用空间标准，该标准规定了24 V的低压直流配电，适用于为室内照明和小家电供电（图1）。该联盟还发布了数据/电信中心标准，该标准规定了更高的380 VDC电压，为高性能服务器提供更高的功率。较高的电压还可以通过降低分配电流来降低铜的成本。预计还会有更多的EMerge联盟标准，包括在室外空间提供照明和EV充电点等负载的标准。

图1：占用空间标准设想在天花板一级采用低压直流配电，适用于现场产生的直流电源的馈电。

虽然低压直流配电非常适合为LED照明供电，但低压直流插头，电缆或输入插座没有机械，安全或保护标准，可以销售低压直流供电设备或容易使用。如果采用直流微电网，它们可能仅用于为首次照明等负载供电，并且可能需要与标准交流单相电压的交流室内配电并联安装。

“国际工程技术和物理问题杂志”（IJTPE）中概述的方案建议将交流和直流电网互连，以创建一个混合网络（图2），该网络可以通过公用电源或本地太阳能或风能供电 - 动力微型发电机。逆变器处理从电网的直流到交流侧的能量传输，而当太阳能电池阵列停止发电时，交流/直流转换器使公用电源能够在需要时为直流母线供电。

图2：通过逆变器和转换器互连的混合AC-DC电网。

能量存储选项

因为可再生能源不一致，可能需要备份来帮助稳定能量流并提供应急电源。并网存储器可以是电池阵列，如图2所示并且也用于巴斯大学实验，但是可以考虑其他类型的存储器，例如飞轮或超级电容器阵列。

超级电容器具有非常高的功率密度和快速放电能力，可以快速响应高，短期的电力需求。充电时间也比电池短得多，其他优点包括更长的循环寿命，更高的可靠性，更低的维护，更高的温度稳定性和更宽的工作温度范围。与普通电解电容相比，体积效率提高了数千倍，使工程师能够设计紧凑，轻便的存储，用于从包含单个超级电容器的板级脉冲或保持电路到适用于微电网备份或其他的大型超级电容器组。诸如UPS或电力推进等应用。

AVX拥有超级电容器，如SCC系列，其标称电压为2.7 V，可提供各种尺寸，最大165 mm x 60 mm，电容值来自对于SCCR12B105SRB，最高可达3500 F。在由多个超级电容器组成的阵列中，德州仪器BQ33100等设备管理器IC可提供控制，主动平衡，以防止过压，健康监控和最多五个保护超级电容器串联连接。与图3中的BQ24640充电器IC配合使用时，IC通过SMBus连接向系统发送各个器件的充电状态等信息。

图3：为小型超级电容器储能器充电和监控。

要为微电网备份构建大型电容器组，所需的超级电容器数量取决于能量和所需的输出电压。在他们的论文“超级电容器储能在微电网系统中的应用”中，Gorakhnath，Venkateshwarlu和Tukaram使用以下公式来计算提供86 W/h所需的单元数，以便通过DC/AC逆变器为三个400 VAC相中的每一个供电到7千瓦。

其中Wini =应用程序中所需的能量; Cc =每个超级电容器单元的容量; UMax =超级电容器的最大电压; d =电压放电比

同样，满足电压要求所需的单位数由下式给出：

其中VMin =银行的最低电压

Maxwell Technologies拥有一系列现成的超级电容器组件，适用于各种后备应用，总电容高达500 F，覆盖电压范围为16 V至75 V.在这些电池组中，BMOD0165 P048的工作电压为48 VDC，额定电容165 F，可存储53 W/h的能量。

结论

在24 V等低电压下直接使用本地发电在家庭或办公室环境中有意义为LED照明等负载供电。通过最小化DC/DC转换并避免使用逆变器，本地微电网可以更好地利用可再生能源来节省电费并减少温室气体排放。并联或混合AC/DC网络是可行的，并且可以帮助鼓励低压DC微电网与现有基础设施的集成。这些可以使用来自主要公用设施电源或现场微型发电机的电力供电，由电池或高功率电源（如超级电容器组）支持。