直流微网研究中的关键技术

吴卫民 何远彬 耿 攀 钱照明 汪槱生

（1.上海海事大学物流工程学院 上海 200135 2.浙江大学电气工程学院 杭州 310027）

1 引言

在能源需求和环境保护的双重压力下，分布式发电技术获得了越来越多的重视和应用。但是大量的分布式电源（Distributed Energy Resource, DER），如太阳电池、燃料电池、风力机和小型燃气轮机热电联产等，直接并网将会对电网调峰和系统的安全运行造成显著的影响[1]，而且由于DER单机接入成本高，容量小，运行不确定性强，受制于自然条件，缺少灵活可控的特点，对主网而言是一个不可控源，目前主网采取电网隔离方式处理DER，这也限制了DER的效能发挥[2]。为了解决以上问题以及充分发挥 DER的价值和效益，DER采用微网形式并入主网是较为有效的途径[3]。

微网是指将微型电源、负荷和储能装置结合在一起的电网形式，它作为一个独立的整体，可以并网运行，也可以孤岛模式运行[4]。目前，微网主要是以交流微网的形式存在[5]，其结构图如图1a所示。图1b所示为直流微网的结构图，和交流微网相比，直流微网不需要对电压的相位和频率进行跟踪，可控性和可靠性大大提高，因而更加适合DER与负载的接入[7]。理论上，直流微网仅需一级变流器便能方便地实现与DER和负载的连接，具有更高转化效率；同时，直流电在传输过程中不需要考虑配电线路的涡流损耗和线路吸收的无功能量，线路损耗得到降低。

图1 微网的系统构成形式[6]Fig.1 Configuration of micro-grid system[6]

长期以来，直流微网相关技术的研发一直得到了产学研各界的广泛关注。瑞典、日本、法国和美国等国家的通信公司已于 20世纪 90年代开始了300～400V数据中心直流配电的研究和介绍[8-9]。另外，军舰、航空和自动化系统的直流区域配电，尤其是电力牵引直流供电技术已然成熟[10-11]，这为直流微网的推广应用提供了良好的契机。如今，在住宅直流供电方面，欧盟、日本和美国纷纷开始了相关方面的研究和示范工程[1,14-16]。我国在直流微网的研究方面还处于起步阶段，2009年7月，广东白色家电产学研创新联盟成立了直流家电技术工作组和家电集成能源系统技术工作组，正式启动了中国在该领域的研究和开发[15]。随着政府对新能源开发的日益重视和越来越多的直流家电技术得到推广和应用，直流微网将具有广阔的发展空间。

本文将侧重从直流微网的控制技术、保护技术和结网方式等关键技术方面来对直流微网展开综述。最后，结合我国的国情，就直流微网在城市居民小区内的推广应用提出建议方案。

2 直流微网的控制技术

微网的控制要点是保持供电电源端与负荷端能量的平衡；能量的平衡控制可采取本地控制或远程控制。根据文献[17-18]的介绍，微网能量的平衡控制要点可归结为:电压调整、电压闪变、电压跌落、持续中断和谐波含量等，亦即母线电压的调整和电能质量的管理。

2.1 母线电压的调整

直流微网由DER、负载和并网接口电路等部分通过各自的变流装置与直流母线相并联。根据变流器的并联特性可知，各并联模块对外表现为电压源特性时，由于配电线缆上存在阻抗压降，各节点电压存在差异，很有可能导致各并联电压源之间产生环流[19]，图2所示即为各并联电压源的等效示意图。图中，V1和 V2表示并联电压源幅值，Z1和 Z2表示线路阻抗，i1和i2分别表示流过模块1与模块2的电流，Vdc表示模块连接处的母线电压。因此，为了控制母线电压的稳定和避免环流的产生，需要对并联在直流母线上的等效电压源变换电路进行均流控制。

图2 电压源并联等效示意图Fig.2 Equivalent diagram of parallel voltage sources

微网中常用的均流法有主从并联方法和外特性下垂并联方法。其中，主从并联法将均流控制功能分散到各并联模块中，并联系统包括一个主模块和多个从模块。主模块采用电压控制，从模块采用电流控制。这种主从并联方式的控制性能很大程度上取决于各模块间的快速通信；外特性下垂并联法又称输出阻抗法，其实质是利用本模块电流反馈信号或者直接输出串联电阻，改变模块单元的输出电阻，使外特性的斜率趋于一致，达到均流。它充分利用了分布式系统的“分布”特征，很大程度上是依赖于本地控制，可靠性更高。所以近年来起源于电网并联的外特性下垂方法引起了众多学者的关注，并已广泛地应用于DC-DC、AC-DC和DC-AC等变流器的并联[20-23]。

由于直流微网中各变流器自身的限流要求、蓄电池充放电电流的限制、DER输出功率的随机性强和负荷需求变化大等因素的影响，各变流器对母线电压的控制需要在电压下垂控制模式和限流模式之间进行切换[24]。如图3所示，根据母线电压的给定值、电压阈值与电流最大值信号，并网接口电路可工作于电压下垂模式或限流模式；蓄电池则根据电池监控系统和控制器给出的信号，可工作于电压下垂模式、限流模式或默认模式，默认模式下蓄电池始终处于充电状态；太阳电池板 DC-DC变换器在最大功率跟踪（MPPT）模式、限流模式和电压下垂模式间进行切换。各变流器的具体操作过程在文献[24]中有详细的描述。

图3 直流微网各源变换器静止V-I特性曲线[24]Fig.3 Qualitative static V-I characteristics of the energy sources in DC micro-grid[24]

2.2 电能质量的管理

微网系统的工作容量有限，抗扰动能力弱。直流微网工作时，可能出现 DER单元输出功率的突变、大面积负荷的瞬时接入或脱落、并网切换到孤网或孤网到并网等瞬态变化过程，这些瞬态事件的发生会引起直流母线电压的瞬态上升或下降，称其为电压闪变和电压跌落。

电压闪变和电压跌落的发生，不仅会给电子设备的正常运行带来不利，还很可能使控制系统发生误动作，最终导致整个直流微网系统的崩溃。为了防止这类事件的发生，常用超级电容、飞轮储能或超导储能等快速充、放电的装置对系统的电能质量进行管理。文献[19]便利用飞轮储能惯性小、充放电快的特性建立了补偿装置，其控制思路如图4所示。为了进一步提高系统的电能质量和保证系统的可靠性，对于扰动较为频繁的微网，还可采取冗余结构，利用几组快速储能装置进行交错管理。

图4 飞轮储能AC-DC双向变换器控制框图[19]Fig.4 Control block diagram of AC-DC bidirectional converter for flywheel energy storage[19]

当直流微网处于孤网模式，且DER和蓄电池提供的能量已无法满足负荷的需求，即母线电压低于预先设定的阈值时，需要进行负载脱落控制，最大限度地保证重要负荷供电的连续性。负载脱落需要平滑地进行，将不重要的负载分时脱落[25]。

3 直流微网的保护

直流微网最大的安全问题包括电弧、火灾隐患和人身安全等。目前，直流微网的保护缺乏相应的标准、执行准则和实际操作的经验；在设计直流微网的保护系统时，应分析交流微网的哪些标准可以应用于直流微网，同时还得借鉴直流牵引的保护经验。

根据文献[26]介绍，微网保护系统的设计应遵循如下准则:

（1）可靠性。包括对故障的辨别和抗扰动的能力。

（2）灵敏度。包括快速清除故障和快速恢复系统正常工作的能力。

（3）性能要求。即对于重要的负荷，能够最大限度地保证供电的连续性。

（4）经济性。安装和维护成本，为了满足性能的要求，有时候可以牺牲一些成本。

（5）简洁性。保护元件的数量和保护区域的划分等。

3.1 直流微网的保护设备

（1）熔断器。熔断器在高 di/dt的场合，熔断较快，电弧熄灭容易。但从可靠性和简洁性的角度来看，在直流电路中使用熔断器并非上佳选择，这是因为熔断器的 I-T特性或安秒特性需要考虑到直流电缆的寄生参数，熔断器应具备良好的灭弧装置以避免拉弧效应（电压击穿空气时候的放电现象）。目前，熔断器在直流系统中的应用包括机车、采矿、蓄电池的保护等。直流微网可利用熔断器作为后备式的保护设备。

（2）断路器。在交流系统中，由于变压器和发电机自身具有很强的限流能力，短路故障电流得以限制。而直流系统需要大容量的电容进行平波和解耦，直流母线短路故障时，电容的瞬时放电造成的瞬态短路电流可能会导致断路器的误动作[27]，比如故障处的断路器和上游断路器（相对故障处而言）一起动作，上游断路器动作而故障处的断路器不动作，断路器毁坏等[26]。一旦上述其中一种情况发生，将很可能导致有选择性的保护功能丧失、过多负荷的断电和保护设备相互协调能力的降低等。因此，为了避免出现过大的瞬时短路电流和减少断路器的误动作，需要采用快速的断路设备，如真空断路器、混合型断路器、缓冲型断路器和固态开关等进行灭弧[28-30]。

快速型断路设备的应用在一定程度上提高了系统的可靠性，但并未从根本上解决问题。为了进一步提高系统的可靠性和整体寿命，需要在保持系统原有控制品质的前提下有效减小直流母线平波电容的容量。采取小容量薄膜电容和有源补偿装置来代替传统的大容量电解电容是较为有效的方式之一[31-32]。

根据直流电单向导通的特性，直流微网还可通过在负载支路串联二极管的方式来防止母线短路故障时变流器输入端电容电流的反灌[33]，如图5所示。这种方式在降低母线短路故障级别的同时，也避免了正负极反接时的火灾隐患。

图5 直流微网负载支路Fig.5 Branch modeling of load-side in DC micro-grid

（3）多功能接线板与插头。不存在自然过零点的直流电对接线板与插头的设计也提出了新的要求。常用的交流型多功能接线板与插头应用于直流电时，接合与断开的瞬间会产生较大的电弧，如图6a所示，这给人身安全带来了不利。为了设计出适合于直流电的多功能型接线板与插头，文献[6]给出了一种可行性的方案，如图6b所示。上电瞬间:主回路以不带电方式先闭合，然后驱动回路接通，开关管的导通，导通期间流过开关管的电流逐渐变大，开通瞬间的冲击电流得到有效的抑制；断电瞬间:驱动回路先断电，强迫负载电流经过并联在正负母线上的二极管续流，然后接线板与插头分离，这样就消除了传统接线板与插头断开时的直流电弧。该方案适合于供电电压较高、带大功率负载的场合使用。

图6 多功能接线板与插头[6]Fig.6 Multi-functional patch panel and plug[6]

3.2 直流微网的接地

微网接地的不同会导致系统性能与系统保护方案的不同[30,34]。在现有的直流输配电系统当中，诸如海上风力发电、大部分的直流牵引系统、军舰直流区域配电和工业自动化系统[27]，出于电腐蚀效应、系统安全或中点漂移等考虑因素均将系统接成IT（I=电源端不接地或经高阻抗接地；T=电气装置的外露可电导部分直接接地，此接地点在电气上独立于电源端的接地点）形式。IT系统一次接地故障电流很小，接地故障的检测较为困难；用户无法用电笔测试出IT系统直流电的极性。

TN（T=电源端有一点直接接地；N=所有电气设备的外露可导电部分均接到保护线上，并与电源的接地点相连。）系统或TT（T=电源端有一点直接接地；T=电气装置的外露可电导部分直接接地，此接地点在电气上独立于电源端的接地点。）系统将电源的一点直接接地（可以是电源的正极或负极，也可以是电源的中点），系统发生接地故障时，漏电流较大，接地故障的检测相对容易一些。考虑到目前家用设备接地保护线与交流零线电位差限制，未来直流微网在给住宅、学校、商业建筑和工业区域供电建议采用TN系统。

3.3 直流微网的故障类型及保护

根据故障的类型进行划分，可将直流微网的故障分为极间故障和接地故障[35]；根据故障的位置进行划分，直流微网的故障可分为母线故障与支路故障，其中支路故障又区分为输入端故障与输出端故障。在设计保护系统之前，应根据系统工作模式的不同对可能发生的故障进行详细的分析。

直流微网母线发生故障时，将影响到所有的DER与负荷，因此，母线的保护应该具备最高的级别。为了提高直流母线的可靠性，可采取设置后备式的保护[36]、采用冗余式的母线结构[37]或不依赖于通信进行保护[35]等措施。直流微网支路发生故障时，处理方式则较为简单，只需将支路与微网的连接中断即可，但储能支路与并网接口电路具有双向潮流的特性，在对故障进行定位时，需要首先鉴别潮流的方向；特别地，并网接口电路由于与主网连接，需要设置后备式的保护。

直流微网极间故障多为短路故障，故障的检测与定位相对容易；接地故障则依据系统的结构与接地形式的不同而不同。根据文献[35]的总结，对于不接地的直流微网系统，尽管接地故障的检测与定位方法已有不少的文献可提供帮助，但从实际应用的角度来看，进一步的研究与创新仍有待于继续。

4 直流微网的结网方式

直流微网的结网方式主要包括直流母线的结构和母线电压的等级。

4.1 直流母线的构成形式

根据现有文献资料的介绍，直流微网母线的构成形式主要可以分为四类:单母线结构[19,38]、双层式母线结构[26]、冗余式的母线结构和双母线结构[39-40]。如图7a所示，单母线结构的直流微网系统容易与现有的交流接线板等转接设备兼容，但在给计算机等低压设备供电时，变流器的电压应力较大，每个低压电子设备均需配备一定体积的电源适配器；双层式的母线结构对单母线进行了分层设计，一级母线电压为380V，二级母线电压为48V，它是在380V进入住宅后经过变换器变流为48V的，如图7b所示。这种双层式的母线结构提高了低压设备供电的安全性，减小了电源适配器的体积，但不易与现有的转接设备兼容；冗余式的母线结构，适合于高电能质量要求的配电区域，如商业建筑和船舶区域配电等；文献[40]所提出的住宅用双母线结构的直流微网系统电压等级为±170V，接地方式为中间接地，它可根据负荷端对供电电压的不同需求由不同的母线进行供电，并实现交直流侧共地，如图 7c所示。这种双母线结构的直流微网可与现有的转接设备兼容，但由于源侧变流器需要均衡主母线与从母线的电压，连接电网、储能装置和DER单元的变流器拓扑与传统拓扑结构会有所不同。

图7 直流微网系统的不同母线结构Fig.7 Different bus structures of micro-grid systems

4.2 直流母线电压的等级

直流母线电压等级的确定应满足现有交流设备对输入电压范围的要求。我国单相电压有效值为220V（rms），三相电压有效值为 380V（rms），因此，直流母线电压范围应在200～400V之间。

日本在2009年12月提出380V的直流母线电压标准，并进行了相关的验证，这一标准日前已被美国电力研究院（Electric Power Research Institute,EPRI）所验证并接受[41]。380V 的直流标准现被广泛称为 DC380V，它是基于数据中心直流配电提出的，现已逐渐得到业界的认可，但DC380V的标准是否适合于我国普通居民的用电需求，还有待于产学研各界进一步研究确认。

5 直流微网的其他关键技术

5.1 直流微网的通信技术

和交流微网的通信技术类似，直流微网的运行也需要在采集不同特性的DER单元信息的基础上，通过配网级、微网级和单元级各控制器间的通信来实现[42]。以电力电子器件为接口电路的 DER单元与常规同步机的特性有很大的差别，因此微网的运行控制与能量管理过程中对通信技术的可靠性和速度提出了更高的要求。在响应速度不同的设备间建立连接成为网关技术面临的挑战。对低消耗、高性能、标准型网关的需求和通信协议的标准化是能量管理系统研发中的一个重要组成部分[43-44]。

5.2 电力电子接口电路

直流微网电源侧的接口电路分 DC-DC和AC-DC型变流器，负载侧接口电路分 DC-DC和DC-AC型变流器，变流器形式多样。由于微网与主网之间的能量交换根据系统运行管理的不同，既可以是单向的也可以是双向的，因此，并网接口电路的形式会因潮流的不同而不同。文献[45]提出了应用于双母线结构直流微网的电压平衡器（voltage balancer），该电压平衡器用来平衡主母线与从母线的能量；文献[46]对应用于直流微网的各种接口电路拓扑进行了讨论与仿真；文献[47]专门针对应用于直流微网系统的并网接口电路进行了讨论。总之，与交流微网的电力电子接口电路相比，直流微网的接口电路结构更为紧凑，控制也更为简单，系统重构能力更强，更能满足模块化的要求。

6 关于直流微网发展的建议

我国人口密度大，城市居民的住宅形式多为小区单元房，直流微网在我国的推广应用与西方国家有较大的差别。以户为单位，小区内每户人家能分配到的分布式发电量远不及单户负荷用电量。小区直流微网的DER单元无须参与市场竞价；微网只从主网吸收功率，不向主网输送功率，微网内DER单元产生的多余电量由集中储能单元进行管理。微网与主网间单向潮流的特性允许并网接口电路采用低成本、高可靠的二极管或晶闸管进行整流。

交流系统向直流微网系统的过渡将是一个长期的过程，其间存在多种技术和制式设备的长期共存。为了能够最大限度地保证与用户端现有设备的兼容，应合理地设计和规划直流微网的容量与结网形式。以住宅供电为例，单相交流电进入住宅时有三条线，即相线、零线和保护线；墙体插座有三脚插座与二脚插座；常用的家用电器可分类为带整流电路的电器，如电冰箱、洗衣机、空调、计算机、音箱和带电子镇流器的荧光灯等；不带整流电路的电器，如电烤箱、电热水器、微波炉、电吹风和排气扇等。当采用直流供电时，配电线有正极线、负极线和保护线，这与交流系统兼容；带整流器的负载与电烤箱、电热水器和微波炉等电阻性负载均可直流供电，电吹风和排气扇需要增加一级逆变电路才能工作，带工频变压器的电器需作整改，大功率电器的接线板与插头需增加防弧功能。

为了能够同时满足大功率交流电器与低压小功率电器的需求，笔者建议采用双母线结构形式的直流微网TN系统给小区用户供电。如图8所示，这种双母线结构的直流微网系统拥有380V与220V两个直流电压等级。其中，DC220V主要兼容目前大多数已有家电设备；高压DC380V则给变频空调、变频洗衣机等变频电器和电吹风与排气扇等单相交流负载供电；微网内各DER单元不参与市场竞价。

这种双母线结构的直流微网系统拥有以下几个方面的优点:

图8 双母线直流微网系统结构框图Fig.8 Block diagram of double bus micro-grid system

（1）兼容性好。提供 220V和 380V的直流电压，不仅能满足目前绝大部分交流家用电器对正常工作电压范围的要求，也能大力促进新型节能“直流”家电以及相关产业的快速发展。

（2）主网故障时，自然形成“安全孤岛”。由于微网只从主网吸收能量，并网接口电路采用二极管或晶闸管整流，保证了主网故障时维修人员的安全，易为电力系统部门所采纳。

（3）供电质量与安全性高。小区用户直流电压相对稳定；蓄电池和超级电容等储能装置集中管理；后备发电机能简单可靠地投入或切出直流“内网”。

（4）“绿色”经济型微网。对主网而言，推荐系统是一个“阻性负载”；小区储能装置能在一定程度上实现“削峰填谷”电能调节，从而使小区用户获得最大的电能效益。

（5）能推进可再生能源发电，特别是太阳能发电，进入“千家万户”。建筑一体化太阳能发电有很大应用前景；采用推荐方案容易实现“统一投资，统一受益”，促进可再生能源发电在住宅小区的推广应用，同时可以避免将来诸如“屋顶比房间贵”之类的非技术型障碍。

7 结论

（1）直流微网运行时，只需调整自身的母线电压便可保证系统稳定，可控性好。

（2）和交流微网相比，有关直流微网保护的研究仍处于初级阶段，直流微网保护系统的设计需要着重考虑灭弧的快速性和母线电容值的减小。

（3）直流微网的结网方式形式多样，导致了直流微网系统的设计很难有统一的标准与规范可遵循。因此，统一的标准与规范的制定能够促进行业层面的组织协调与产业链的支持，能够促进直流微网的规模化应用。

（4）直流微网技术的发展与现代电力电子、通信和保护等相关技术的发展相辅相成。其中，现代电力电子技术的发展在很大程度上将主导着直流微网技术的发展趋势。

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