住宅直流微网供电技术研究现状

杨丹萍，叶林，赵永宁，陈政，何桂雄(.中国农业大学信息与电气工程学院，北京市0008; .湖北省孝感供电公司，湖北省孝感市400;.中国电力科学研究院，北京市0009)

住宅直流微网供电技术研究现状

杨丹萍1，叶林1，赵永宁1，陈政2，何桂雄3
(1.中国农业大学信息与电气工程学院，北京市100083; 2.湖北省孝感供电公司，湖北省孝感市432100;3.中国电力科学研究院，北京市100092)

随着分布式能源发电容量的不断增长，分布式能源并网带来的电能质量和电能损耗问题日益严重，在配电网中采用直流配电可有效缓解这一问题。近年来由于电力电子技术的快速发展，交直流变流器、DC/DC换流器的工作效率和额定容量大幅提升，降低了直流供电系统的网络损耗。同时，家用电器对直流电源的兼容性亦不断提高，住宅直流供电技术将成为未来的研究和发展趋势。总结了国内外对住宅直流供电技术的研究现状，分析了住宅直流微网的优势和可行性，提出了1个典型的住宅直流微网系统模型，分析了在构建该模型过程中涉及到的电压等级的确定、供电组网模式的选择、系统的控制与保护设备等问题，给出了相应的参考解决方案，并对住宅直流供电技术的发展提出了几点展望。

住宅直流微网;电压等级;负荷模型;供电模式;电压控制

0 引言

随着常规能源的紧缺和环境污染问题的日益突出，清洁可再生能源发电将逐步增加发电量的比重。分布式能源技术不断成熟、发电容量快速增加，住宅供电源也逐步朝多种类、可持续的方向发展，如光伏建筑一体化系统、建筑用风力涡轮发电系统、家用燃料电池发电系统等直流分布式发电源均取得了长足发展［1］，直流发电量的增加给交流配电系统增加了变流器能量损耗。高压直流输电工程已在全国范围内大面积建成并投入使用，大容量DC/DC直流换流器效率大幅提高，住宅社区采用低压直流配电可降低降压过程中的电能损耗。另外，节能灯、个人电脑、打印机、手机等常见家用电器内部通常使用直流电工作;为了降低电力消耗，空调器、洗衣机、电冰箱等旋转类设备逐渐转向含直流环节的变频器驱动或直流无刷电机发展，且已大量进入市场。综上可知，分布式供电源和家庭用电负荷所表现出的直流特性日趋明显，直流发电、直流输电、直流用电均在发展和使用中，采用直流配电技术组成完整直流系统、满足家庭用户用电需求成为了国内外新的研究热点。

住宅直流微网是通过直流母线对住宅负荷进行供电的微电网，在能源管理系统的协调控制下由交流电网、分布式电源、储能装置共同向直流母线供电，满足住宅负荷需求。采用适当的母线电压控制方法，通过对各变流器进行协调控制达到维持电压稳定的目的。

本文简略地搭建了1个住宅直流微网模型，考虑了住宅中不同功率等级的交流负荷和直流负荷、各类分布式能源和交流电网之间的能量流动关系;提出了建立住宅直流微网模型的基本步骤;给出了住宅直流微网选择电压等级的原则，可采用较高电压等级或双电压等级对家庭负荷进行供电;列举了纯直流供电和交直流混合供电的供电方式;比较了3种直流保护设备的特点。

1 国内外研究现状

文献［2］比较了低压直流配电系统单、双极供电的基本概念模型。文献［3］比较了几个不同电压等级的直流配电系统和230 V交流配电系统的网损情况和电器耗电情况，结论认为在住宅中使用直流配电有助于降低电能损耗。文献［4］比较了不同家用电器在交直流供电环境下的耗电情况以及配电网的网损情况，认为直流配电系统的效率很大程度上取决于直流变压设备和变流设备的效率。

文献［5］提出了住宅直流配电系统，介绍了系统元件的建模方法，建立了变流器的效率模型，绘制了基于统计数据的住宅负荷能耗曲线。文献［6］提出了一个基于“下垂控制”的直流母线电压控制方法，多个换流器同时控制母线电压。文献［7］对主从裕度控制、多点电压下垂控制、混合控制方法进行了对比分析，并通过仿真算例进行了验证。在文献［8］提出的直流配电网的控制策略中，根据微网系统中电压的变化对变流器进行控制，从而实现对电能流动的控制。文献［9］介绍了直流配电网的调度与控制。文献［10］总结了直流配电系统的保护策略。此外，我国在直流配电系统的稳态分析、故障分析与保护、控制策略、电力电子设备、可行性分析等方面也展开了研究。

目前，荷兰、日本、美国等发达国家都已有相关的直流智能楼宇项目［11-13］。我国台湾地区也已启动“智慧型直流电力屋”的开发计划［14］。目前，我国低压直流供电技术已经应用在直流换流站、轨道交通和通信系统中，但还未实现给城市家庭用户供电。只有在生活水平低、没有交流电网覆盖的边远地区，直流微网以孤岛运行的形式满足居民基本的用电需求，但供电容量、电能质量和可靠性均不能满足发达地区的住宅供电需求。

对于采用直流供电的家用电器的研究，论文［15］设计了一种冰箱烤箱一体机，可采用直流电源对其进行供电。2009年7月，广东白色家用电器产学研创新联盟成立了直流家用电器技术工作组［16］。至2009年10月，直流家用电器技术工作组在初步确定了住宅直流供电标准电压的基础上，试制成功了一系列采用直流供电的家用电器样品，包括分体式空调器、电冰箱、小型半导体冷藏箱、洗衣机、LED灯具等家用电器［14］，并以此为基础进行了直流家用电器在住宅环境下运行的验证性试验。

2 住宅直流微网技术可行性分析

住宅直流微网的可行性可从用电技术可行性和供电技术可行性这2部分进行分析。

2.1 直流用电技术可行性

直流用电技术的可行性是指家用电器对直流电源的兼容性，使用直流电进行工作的电器越多，直流用电的可行性越强。

常用生活用电设备按能量转换的形式，主要分为4类［4，17-18］:照明装置、电动设备、电热设备及电子设备。

(1)照明装置。目前家庭使用的照明装置主要是节能灯，节能灯在使用交流供电时是将交流电整流为直流电后再逆变成高频交流电进行使用，实现直流供电后可省去整流电路。

(2)电动设备。交流变频调速技术的调速性能好，节电效果突出，在国民经济各领域得到了广泛使用［19］。直流无刷电动机运行效率高、调速性能好，是家用电动设备电动机的主要发展方向之一［20］。目前空调、冰箱、洗衣机的发展趋势都是实现变频控制或者采用直流无刷电机，都必须把220V交流电整流滤波成直流电压，再对电机进行供电。

(3)电热设备。常用的电热设备的工作原理是利用电流热效应，采用交流或直流供电对电阻性导体的发热并无明显影响，所以可以直接用直流电进行供电。除去一般利用电流热效应的电热设备外，最主要的电热设备就是微波炉，微波加热装置内部的工作电源是把220 V交流电整流滤波成直流电，再通过电路进行处理。因此电热设备可以直接使用直流电源供电。

(4)电子设备。常用的电子设备有电视，电脑，音响系统，手机充电器等。这类家用电器都是将交流电整流滤波为平稳的直流电供设备使用。

从内部电路来看，大部分家用电器的电源输入端都有整流滤波或变压电路，将220 V交流电变换成电器所需要的各种直流或交流电压。绝大部分家用电器通过改造，都可以直接使用直流供电源。家用电器的用电方式正逐渐从直接使用交流电向直接使用直流电转换，单独使用交流供电已经无法适应家用电器用电方式的转变趋势。因此，直流用电系统具有可行性和必要性。

2.2 直流微网供电可行性

我国现用主要的输电网络是交流网络，家庭用户基本直接与交流网络相连，电网为用户提供交流电源，逆变后给直流负载供电。随着分布式能源容量的不断增加、高压直流输电技术的成熟、直流负载的设计与发展，住宅区采用低压直流供电将实现直流发电、直流输电、直流配电和直流用电一体化，完整的直流系统在输配电设备成本和线路损耗上更具优势。

2.2.1 高压直流输电技术的成熟

高压直流输电相比于等电压的交流输电，因其无趋肤效应、无无功分量，输送容量更大;可灵活调节有功无功的方向和大小;输电线路成本低等优势成为远距离输送大量电能的新的重要技术手段。近年来高压直流输电系统已趋成熟，在世界许多国家都有成功应用。目前，国内外已有较成熟的直流输电网规划。2010年3月，位于美国的世界上首个基于模块化多电平换流器的直流输电工程Trans Bay投入商业运行。2009年12月8日，云南至广东特高压直流输电工程，成为世界上第一个±800 kV特高压直流输电工程［21］。直流输电技术的逐步成熟为直流供电提供了技术基础，实现直流输电与直流配电一体化，输配电过程中无需交直流变流器，只需实现直流变压。

2.2.2 DC/DC换流技术的发展

直流配电系统的效率很大程度上取决于直流变压设备和整流设备的效率。若将直流源作为供电源，DC/DC变换器的转化效率决定了直流供电能否降低电能损耗［4］;若直流配电网直接由直流输电系统提供电能，DC/DC变换器的性能更是降低电能损耗的关键。随着DC/DC变换器的工作频率、功率密度和效率不断得到提高，大变比、大容量、高效率的DC/ DC变换器技术为直流输电、直流配电提供了技术支撑，降低了直流输配电的电能损耗、提高了直流输配电的供电容量和电压。

2.3 直流微网供电技术的优势

在住宅直流微网系统中可方便地嵌入分布式能源。光伏发电、燃料电池、蓄电池组等分布式能源输出直流电压;小型风力发电系统、小型水力发电系统、小型燃气轮机等分布式电源输出高频的交流电，通过整流电路就可得到稳定的直流输出电压。此外，直流分布式电源与备用蓄电池组之间的配合可以更加有效［4］。在住宅直流供电模式下，分布式直流供电源无需经过两级变流，可直接向负荷供电。

直流配电可以消除交流配电中的谐波问题。住宅内部低压交流电路中的高频谐波可以由某些用电设备工作时的振荡状态引起，对配电网络和输电网络都会造成谐波干扰。文献［22］对电饭煲、笔记本电脑、电冰箱、电磁炉和微波炉5种常见家用电器进行了谐波测试分析，笔记本电脑和微波炉在工作状态时对交流电网产生的谐波污染较为严重。若采用直流供电，直流侧不会增加电网中的谐波含量。而输电网和配电网中存在的直流谐波主要是由于高压直流输电系统中非线性的变流器交流侧的谐波引起的［23］，随着光通信系统的不断普及和发展，直流输电系统的滤波问题越来越容易解决［24］。采用直流配电不仅可消除配电系统中的谐波问题，还可减少交流输电网络中的谐波干扰。

直流配电可提高电能质量。将大容量双向AC/ DC变流器作为直流电源，根据不同的运行条件采用适当的控制策略，可以为住宅直流微网提供持续稳定的、高质量的、高效率的电能［25］。配电变流器交流侧不需要提供无功功率，变流器可以灵活地吸收或发出无功功率，可起到静止无功补偿器的作用，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线上电压。电压源换流器在直流输电领域已经得到了广泛的研究和应用［26］。

直流配电可以减少配电过程中的电能损耗，且增大功率输送容量。交流配电时输电线路上的有功损耗与功率因数的平方成反比，功率因数越大，线路损耗就越小;在视在功率不变的情况下，功率因数越大，电网能输送的有功功率就越大。采用直流供电，解决了交流配电过程中因功率因数较小造成的电能损耗问题，提高了线路有功功率的输送容量。

直流配电可减少变流环节，降低损耗。若直流供电源电压与直流家用电器设备用电电压相等，可减去相应的整流电路和无功功率补偿电路，通过减少设备来降低能耗和设备成本、提高电能质量。在比较交流配电系统和直流配电系统的电能损耗时，由于交流系统中负载内部存在更多的变流环节，电能损耗要比直流系统大［27］。按日本有关机构的测算，若在住宅中全面实施直流供电，仅在电能转换过程中所节省的电能消耗，大约为现有住宅电力消耗量的10%～20%［11，14］。

3 住宅直流微网供电系统模型的建立

要建立起一个完整的住宅直流微网模型，需要确定微网的负载模型、供电电压等级和供电组网模式，设计控制管理系统和分析评估平台。图1为建立住宅直流微网系统模型的概念网络。在用户负荷特性的基础上，由负荷情况和分布式能源的出力情况初步确定系统结构和供电模式。根据负荷情况和系统结构进行暂稳态分析，由分析结果确定系统保护方式和控制策略，初步得到一个住宅直流微网系统。综合供电模式和系统结构，对系统进行节能分析，根据分析结果确定系统供电电压等级并调整系统负荷特性，利用新的负荷特性对系统进行修正。

3.1 用户负荷特性

根据家庭负荷的历史数据，结合实地调研和负荷预测2种方法对居民负荷特性进行分析，提出能够反映居民负荷特性的指标体系，建立典型案例负荷指标库，以及典型的住宅及小区的负荷模型，这对制定小区供电模式具有重要的基础性作用。例如南京供电公司从1999年7月起，陆续在市区建立了12个居民住宅用电监测点，利用远方终端采集的数据，研究分析居民用电负荷特性［28］。利用家庭交流负荷的模型和各类家用电器的负荷曲线，可得到直流供电时的家用电器负荷曲线、家庭负荷曲线和居民小区的负荷曲线。负荷模型的建立是住宅直流微网的研究基础。直流总线给微网中的负载供电，通过各住宅智能电表测量数据得到家庭的负荷曲线，综合分布式电源的发电出力情况，得到整个直流微网作为负载的负荷曲线。

3.2 住宅直流微网电压等级的确定

电压等级的确定不仅影响电网结构与布局、电气设备设计与制造及电力系统运行与管理，同时决定了电力系统的运行费用和经济效益。在确定直流电压等级时，一般要考虑直流用电设备的电压等级、网络损耗与供电效率、配电经济性、现有直流配电系统中使用电压等级的工程应用及产业界推行的相关标准规范等［29］。住宅直流微网电压等级合理配置的原则与标准:有利于降低电网投资;有利于降低网络损耗;有利于提升供电能力和供电可靠性;有利于运行维护，增强供电适应性以满足不同负荷情况的需求［30］。

结合家用电器负荷的工作特性，以上述原则作为准则提出适用的供电电压等级。

为提高供电质量，可根据各家用电器的功率拟定多个直流供电电压等级，并对不同家用电器负荷的电压等级进行测试和分析，比较得到1个或2个最优供电电压等级。文献［3］比较了交流230V、直流24V、48V以及电缆优化后的直流48V向同一负载供电的电能消耗和损耗情况。线路优化后的直流48V系统的电量消耗最少，且在3个试验直流系统中线路损耗最小。电压等级过低造成线路损耗较大，电压等级过高对供电设备和用电安全造成影响，所以直流供电电压等级须选择适当。

我国通信行业中已经出台针对240V直流供电系统的标准，对工程设计、施工及验收相关技术要求进行了规范［31］。欧洲标准化委员会(ETSI)已经提出300 V直流供电的信息和通信设备标准，取代48 V直流供电。与此同时，欧洲地区已经有数个300 V以上电压直流供电项目试验。较高的电压一般以现有家用电器标准允许的交流电压对应的峰值为上限，IEC 60336系列标准的交流电压上限为250 V，对应的峰值为353.6 V，因此，采用350 V作为直流供电标准电压基本上不会对电气绝缘方面的要求有明显的变化［14］。而且目前许多兼容直流电源和交流电源的电力设备工作电压为220 V，采用220 V直流供电可以兼容这些市场现有电力设备。日本住宅直流供电的方案大体以48 V为基本电压参数，大功率家用电器如空调器和电动汽车等则采用200 V供电［14］。广东白色家用电器产学研创新联盟直流家用电器技术工作组拟定48 V作为小功率电器供电电压，350 V作为大功率电器的供电电压。文献［32］也认为可以使用2个电压等级对家庭进行直流供电。

3.3 住宅直流微网组网模式与能源管理系统设计方案

3.3.1 住宅直流微网组网模式研究

供电模式的选择是住宅直流微网系统规划的重要部分，它不仅必须满足各类国家标准、地方标准和行业标准，也会随着经济的发展水平、社会的进步程度和新技术、新产品的应用而不断发展，也因为住宅小区的规模、水平、地域、层高和房价的差异而不同［33］，因此需对各种可能的组网模式进行定量的计算分析。结合家用电器负荷耗电量特性和家庭供电源装置等条件将家庭划分为不同层次而又独立的供电区域，根据各供电区域的负荷和资源等情况，综合考虑供电可靠性、容载比、接线方式、点线配置等技术原则，同时对其可靠性和经济性进行指标评估，选择合理的电网结构和恰当的供电模式［34］。

根据用户规模、负荷特性、分布式电源特性以及用户的可靠性要求，进行综合评估后，采用图2和图3这2种典型辐射状单端供电方式。图2与图3的区别在于对交流负荷的供电方式，在大多数家用电器都能实现对直流电源的兼容之前，可采用图3所示的交直流并存的多样化配电模式作为过渡［35］。

图2和图3中的直流系统采用2个电压等级进行供电，空调等电机类负载、电磁炉等电热设备都是大功率用电设备，需要较高的工作电压;照明设备和电子类设备功率较低，可采用低电压供电。

3.3.2 住宅直流微网能源管理

住宅直流微网系统除交流电网以外，还包括太阳能发电装置、风力发电装置、燃气热电联产装置、蓄电池等直流电源装置。住宅直流微网系统的能量管理系统，必须满足住宅直流微网综合监控和有效调度的需求。通过住宅直流微网能源管理平台对住宅直流微网的实时监测与控制，满足住宅直流微网的运行条件。根据用户的用电行为以及电网的负荷情况等因素，充分利用电网中的分布式电源，起到削峰填谷的作用，对电网安全和稳定具有积极的意义。

3.3.3 直流母线电压控制

供电可靠性和电能质量是电力系统用户最为关注的问题，特别是逐渐普及的敏感家用电子类负载对电能质量要求很高［36］。图4是住宅直流微网管理控制系统，系统根据直流微电网中负荷的用电需求、当前分布式电源发电量以及系统中电压阈值产生指令。通过协调控制网络中各分布式电源的出力、蓄电池的充放电功率以及和交流电网的双向供电情况，将直流总线的电压稳定在设定范围内。

直流母线电压控制的方法有很多，其中最常用的方法有“主从式控制”、“电压下垂控制”和“集中式控制”等，通过对变流器的控制实现对母线电压的控制。

主从式电压控制一般选取与交流电网相连的变流器作为主变流器，主变流器采用定直流电压控制;其余变流器就为从变流器，采用定功率或定电流控制方式。主从式电压控制需要有一个控制系统，根据各换流器容量等信息按比例预设各变流器的工作电流值或功率值。但主变流器退出运行或交流电网出现断电，从属的变流器由定电流或定功率控制转换成定电压控制。

电压下垂控制一般要求变流器输出端电压随功率的增加而线性下降，使得系统中的功率在各个变流器间稳定分配。采用电压下垂控制不需要上层的控制系统预设初值，但由于变流器的电压下降特性，电能质量比采用主从式控制系统要稍差一些。

集中式控制方式设置有一个集中控制模块，各变流器参数由集中控制模块给定，其监视母线总的电流和电压，对每台变流器进行集中控制，从而控制每台变流器的电流输出。

主从控制方式其电压调节性能与负荷分配都具有良好的刚性，但是需要调度系统进行功率分配，同时对主站容量要求较高;下垂控制可以基本实现按比例供电，一定程度上可以无需通讯与调度系统而稳定供电，但直流电压存在偏差，另外可将主从控制与下垂控制结合使用。而集中式控制法中由于所有控制脉冲都由集中控制模块发出，因此其相位和频率的控制可以在集中控制模块内生产，有很好的同步性能［37］。

3.4 住宅低压直流配电系统的保护设备

住宅低压直流配电系统的保护系统的设计必须满足可靠性、速动性、选择性、经济性等要求。

直流配电系统中的直流线路发生故障时，由于故障电流快速上升，会迅速对系统设备造成损害，因此反应迅速的直流断路器是最理想的选择，但直流电流无自然过零点，灭弧是直流断路器面临的最大挑战。另外，熔断器适用于过电流保护中，但熔断器在故障发生后需要进行更换，不便使用在住宅环境中，并且不适用于对供电可靠性较高的环境中;隔离开关无灭弧能力，并不能切断任何直流电流，只可作为直流配电保护系统发展过程中的过渡设备［10，38］。

4 结论与展望

随着直流分布式电源的发展、直流输电技术的成熟以及直流变流设备效率的提高，住宅直流微网发展的基础技术已基本具备。家庭用户实现直流供电更方便小型家用分布式电源的接入，节省了电器中的变流设备，降低了能量损耗，增加了线路的输电容量，住宅直流供电的优势相对突出。

本文提出在对家用电器与居民小区负荷特性分析建模的基础上，设计住宅直流微网系统组网模式，可采用纯直流供电系统或交直流混合供电系统;列举住宅直流微网系统电压等级确定原则，拟采用双电压等级对不同功率的用电设备进行供电;描述了3种常用直流母线电压控制方法的基本控制原理;分析了主流住宅直流系统保护设备的优缺点，认为直流断路器是将来最理想的保护设备。

荷兰、日本、美国等发达国家针对智能楼宇直流供电已经开展了研究并建立起示范工程。我国台湾地区也启动直流屋的研究计划。直流家用电器的设计在国内外取得了一定的成果。

我国尚没有住宅直流微网的示范工程，但随着对住宅直流供电技术研究的不断深入，我国住宅直流微网将得到快速发展。

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(编辑:张媛媛)

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

杨丹萍(1990)，女，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制、新能源发电技术;

叶林(1968)，男，博士，教授，博士生导师，德国洪堡学者，研究方向为电力系统自动化、新能源发电与超导电力应用;

赵永宁(1990)，男，博士研究生，研究方向为电力系统运行与控制、新能源发电技术;

陈政(1989)，男，硕士，研究方向为新能源发电技术、高电压技术;

何桂雄(1984)，男，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统稳定运行与控制。

教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(博导类)(20110008110042)。