吳衛(wèi)民 何遠彬 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)境保護的雙重壓力下，分布式發(fā)電技術(shù)獲得了越來越多的重視和應(yīng)用。但是大量的分布式電源（Distributed Energy Resource, DER），如太陽電池、燃料電池、風(fēng)力機和小型燃氣輪機熱電聯(lián)產(chǎn)等，直接并網(wǎng)將會對電網(wǎng)調(diào)峰和系統(tǒng)的安全運行造成顯著的影響[1]，而且由于DER單機接入成本高，容量小，運行不確定性強，受制于自然條件，缺少靈活可控的特點，對主網(wǎng)而言是一個不可控源，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]。為了解決以上問題以及充分發(fā)揮 DER的價值和效益，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、負荷和儲能裝置結(jié)合在一起的電網(wǎng)形式，它作為一個獨立的整體，可以并網(wǎng)運行，也可以孤島模式運行[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)不需要對電壓的相位和頻率進行跟蹤，可控性和可靠性大大提高，因而更加適合DER與負載的接入[7]。理論上，直流微網(wǎng)僅需一級變流器便能方便地實現(xiàn)與DER和負載的連接，具有更高轉(zhuǎn)化效率；同時，直流電在傳輸過程中不需要考慮配電線路的渦流損耗和線路吸收的無功能量，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]

長期以來，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、法國和美國等國家的通信公司已于 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。如今，在住宅直流供電方面，歐盟、日本和美國紛紛開始了相關(guān)方面的研究和示范工程[1,14-16]。我國在直流微網(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，正式啟動了中國在該領(lǐng)域的研究和開發(fā)[15]。隨著政府對新能源開發(fā)的日益重視和越來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)、保護技術(shù)和結(jié)網(wǎng)方式等關(guān)鍵技術(shù)方面來對直流微網(wǎng)展開綜述。最后，結(jié)合我國的國情，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)的控制要點是保持供電電源端與負荷端能量的平衡；能量的平衡控制可采取本地控制或遠程控制。根據(jù)文獻[17-18]的介紹，微網(wǎng)能量的平衡控制要點可歸結(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、負載和并網(wǎng)接口電路等部分通過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)模塊對外表現(xiàn)為電壓源特性時，由于配電線纜上存在阻抗壓降，各節(jié)點電壓存在差異，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，需要對并聯(lián)在直流母線上的等效電壓源變換電路進行均流控制。

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)包括一個主模塊和多個從模塊。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，其實質(zhì)是利用本模塊電流反饋信號或者直接輸出串聯(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輸出功率的隨機性強和負荷需求變化大等因素的影響，各變流器對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，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，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行切換。各變流器的具體操作過程在文獻[24]中有詳細的描述。

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，抗擾動能力弱。直流微網(wǎng)工作時，可能出現(xiàn) DER單元輸出功率的突變、大面積負荷的瞬時接入或脫落、并網(wǎng)切換到孤網(wǎng)或孤網(wǎng)到并網(wǎng)等瞬態(tài)變化過程，這些瞬態(tài)事件的發(fā)生會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，不僅會給電子設(shè)備的正常運行帶來不利，還很可能使控制系統(tǒng)發(fā)生誤動作，最終導(dǎo)致整個直流微網(wǎng)系統(tǒng)的崩潰。為了防止這類事件的發(fā)生，常用超級電容、飛輪儲能或超導(dǎo)儲能等快速充、放電的裝置對系統(tǒng)的電能質(zhì)量進行管理。文獻[19]便利用飛輪儲能慣性小、充放電快的特性建立了補償裝置，其控制思路如圖4所示。為了進一步提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量和保證系統(tǒng)的可靠性，對于擾動較為頻繁的微網(wǎng)，還可采取冗余結(jié)構(gòu)，利用幾組快速儲能裝置進行交錯管理。

圖4 飛輪儲能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法滿足負荷的需求，即母線電壓低于預(yù)先設(shè)定的閾值時，需要進行負載脫落控制，最大限度地保證重要負荷供電的連續(xù)性。負載脫落需要平滑地進行，將不重要的負載分時脫落[25]。

3 直流微網(wǎng)的保護

直流微網(wǎng)最大的安全問題包括電弧、火災(zāi)隱患和人身安全等。目前，直流微網(wǎng)的保護缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、執(zhí)行準(zhǔn)則和實際操作的經(jīng)驗；在設(shè)計直流微網(wǎng)的保護系統(tǒng)時，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)，同時還得借鑒直流牽引的保護經(jīng)驗。

根據(jù)文獻[26]介紹，微網(wǎng)保護系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循如下準(zhǔn)則:

（1）可靠性。包括對故障的辨別和抗擾動的能力。

（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。即對于重要的負荷，能夠最大限度地保證供電的連續(xù)性。

（4）經(jīng)濟性。安裝和維護成本，為了滿足性能的要求，有時候可以犧牲一些成本。

（5）簡潔性。保護元件的數(shù)量和保護區(qū)域的劃分等。

3.1 直流微網(wǎng)的保護設(shè)備

（1）熔斷器。熔斷器在高 di/dt的場合，熔斷較快，電弧熄滅容易。但從可靠性和簡潔性的角度來看，在直流電路中使用熔斷器并非上佳選擇，這是因為熔斷器的 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)用包括機車、采礦、蓄電池的保護等。直流微網(wǎng)可利用熔斷器作為后備式的保護設(shè)備。

（2）斷路器。在交流系統(tǒng)中，由于變壓器和發(fā)電機自身具有很強的限流能力，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行平波和解耦，直流母線短路故障時，電容的瞬時放電造成的瞬態(tài)短路電流可能會導(dǎo)致斷路器的誤動作[27]，比如故障處的斷路器和上游斷路器（相對故障處而言）一起動作，上游斷路器動作而故障處的斷路器不動作，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)致有選擇性的保護功能喪失、過多負荷的斷電和保護設(shè)備相互協(xié)調(diào)能力的降低等。因此，為了避免出現(xiàn)過大的瞬時短路電流和減少斷路器的誤動作，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題。為了進一步提高系統(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償裝置來代替?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)還可通過在負載支路串聯(lián)二極管的方式來防止母線短路故障時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別的同時，也避免了正負極反接時的火災(zāi)隱患。

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

（3）多功能接線板與插頭。不存在自然過零點的直流電對接線板與插頭的設(shè)計也提出了新的要求。常用的交流型多功能接線板與插頭應(yīng)用于直流電時，接合與斷開的瞬間會產(chǎn)生較大的電弧，如圖6a所示，這給人身安全帶來了不利。為了設(shè)計出適合于直流電的多功能型接線板與插頭，文獻[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)動回路接通，開關(guān)管的導(dǎo)通，導(dǎo)通期間流過開關(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)動回路先斷電，強迫負載電流經(jīng)過并聯(lián)在正負母線上的二極管續(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的直流電弧。該方案適合于供電電壓較高、帶大功率負載的場合使用。

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)接地的不同會導(dǎo)致系統(tǒng)性能與系統(tǒng)保護方案的不同[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)自動化系統(tǒng)[27]，出于電腐蝕效應(yīng)、系統(tǒng)安全或中點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，此接地點在電氣上獨立于電源端的接地點）形式。IT系統(tǒng)一次接地故障電流很小，接地故障的檢測較為困難；用戶無法用電筆測試出IT系統(tǒng)直流電的極性。

TN（T=電源端有一點直接接地；N=所有電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分均接到保護線上，并與電源的接地點相連。）系統(tǒng)或TT（T=電源端有一點直接接地；T=電氣裝置的外露可電導(dǎo)部分直接接地，此接地點在電氣上獨立于電源端的接地點。）系統(tǒng)將電源的一點直接接地（可以是電源的正極或負極，也可以是電源的中點），系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，漏電流較大，接地故障的檢測相對容易一些?？紤]到目前家用設(shè)備接地保護線與交流零線電位差限制，未來直流微網(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

根據(jù)故障的類型進行劃分，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)計保護系統(tǒng)之前，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)工作模式的不同對可能發(fā)生的故障進行詳細的分析。

直流微網(wǎng)母線發(fā)生故障時，將影響到所有的DER與負荷，因此，母線的保護應(yīng)該具備最高的級別。為了提高直流母線的可靠性，可采取設(shè)置后備式的保護[36]、采用冗余式的母線結(jié)構(gòu)[37]或不依賴于通信進行保護[35]等措施。直流微網(wǎng)支路發(fā)生故障時，處理方式則較為簡單，只需將支路與微網(wǎng)的連接中斷即可，但儲能支路與并網(wǎng)接口電路具有雙向潮流的特性，在對故障進行定位時，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。

直流微網(wǎng)極間故障多為短路故障，故障的檢測與定位相對容易；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[35]的總結(jié)，對于不接地的直流微網(wǎng)系統(tǒng)，盡管接地故障的檢測與定位方法已有不少的文獻可提供幫助，但從實際應(yīng)用的角度來看，進一步的研究與創(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。

4.1 直流母線的構(gòu)成形式

根據(jù)現(xiàn)有文獻資料的介紹，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，但在給計算機等低壓設(shè)備供電時，變流器的電壓應(yīng)力較大，每個低壓電子設(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)對單母線進行了分層設(shè)計，一級母線電壓為380V，二級母線電壓為48V，它是在380V進入住宅后經(jīng)過變換器變流為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[40]所提出的住宅用雙母線結(jié)構(gòu)的直流微網(wǎng)系統(tǒng)電壓等級為±170V，接地方式為中間接地，它可根據(jù)負荷端對供電電壓的不同需求由不同的母線進行供電，并實現(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)、儲能裝置和DER單元的變流器拓撲與傳統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)會有所不同。

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

直流母線電壓等級的確定應(yīng)滿足現(xiàn)有交流設(shè)備對輸入電壓范圍的要求。我國單相電壓有效值為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)，并進行了相關(guān)的驗證，這一標(biāo)準(zhǔn)日前已被美國電力研究院（Electric Power Research Institute,EPRI）所驗證并接受[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)是否適合于我國普通居民的用電需求，還有待于產(chǎn)學(xué)研各界進一步研究確認(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)的運行也需要在采集不同特性的DER單元信息的基礎(chǔ)上，通過配網(wǎng)級、微網(wǎng)級和單元級各控制器間的通信來實現(xiàn)[42]。以電力電子器件為接口電路的 DER單元與常規(guī)同步機的特性有很大的差別，因此微網(wǎng)的運行控制與能量管理過程中對通信技術(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)接口電路的形式會因潮流的不同而不同。文獻[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），該電壓平衡器用來平衡主母線與從母線的能量；文獻[46]對應(yīng)用于直流微網(wǎng)的各種接口電路拓撲進行了討論與仿真；文獻[47]專門針對應(yīng)用于直流微網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)接口電路進行了討論?？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，控制也更為簡單，系統(tǒng)重構(gòu)能力更強，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)在我國的推廣應(yīng)用與西方國家有較大的差別。以戶為單位，小區(qū)內(nèi)每戶人家能分配到的分布式發(fā)電量遠不及單戶負荷用電量。小區(qū)直流微網(wǎng)的DER單元無須參與市場競價；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能單元進行管理。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行整流。

交流系統(tǒng)向直流微網(wǎng)系統(tǒng)的過渡將是一個長期的過程，其間存在多種技術(shù)和制式設(shè)備的長期共存。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，單相交流電進入住宅時有三條線，即相線、零線和保護線；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、空調(diào)、計算機、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，配電線有正極線、負極線和保護線，這與交流系統(tǒng)兼容；帶整流器的負載與電烤箱、電熱水器和微波爐等電阻性負載均可直流供電，電吹風(fēng)和排氣扇需要增加一級逆變電路才能工作，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兩個直流電壓等級。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)、變頻洗衣機等變頻電器和電吹風(fēng)與排氣扇等單相交流負載供電；微網(wǎng)內(nèi)各DER單元不參與市場競價。

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

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正常工作電壓范圍的要求，也能大力促進新型節(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，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)用戶直流電壓相對穩(wěn)定；蓄電池和超級電容等儲能裝置集中管理；后備發(fā)電機能簡單可靠地投入或切出直流“內(nèi)網(wǎng)”。

（4）“綠色”經(jīng)濟型微網(wǎng)。對主網(wǎng)而言，推薦系統(tǒng)是一個“阻性負載”；小區(qū)儲能裝置能在一定程度上實現(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）能推進可再生能源發(fā)電，特別是太陽能發(fā)電，進入“千家萬戶”。建筑一體化太陽能發(fā)電有很大應(yīng)用前景；采用推薦方案容易實現(xiàn)“統(tǒng)一投資，統(tǒng)一受益”，促進可再生能源發(fā)電在住宅小區(qū)的推廣應(yīng)用，同時可以避免將來諸如“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)運行時，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)保護的研究仍處于初級階段，直流微網(wǎng)保護系統(tǒng)的設(shè)計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。

[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, 等.關(guān)于分布式發(fā)電保護與微網(wǎng)保護的思考[J].電力系統(tǒng)自動化, 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)實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征及控制模式分析[J].電力系統(tǒng)自動化, 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.直流家用電器時代即將來臨[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)項目啟動[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.