家庭直流微電網(wǎng)設(shè)計(jì)探究

李立強(qiáng) 梁吉連 江偉

摘 ?要：家庭儲(chǔ)能直流微電網(wǎng)是現(xiàn)代家庭未來配電發(fā)展方向之一，目前的家用電器和設(shè)備逐步向使用直流電或含有直流環(huán)節(jié)的電能變換器，例如IT設(shè)備、照明燈具LED、電子設(shè)備等均采用了直流電，而大型的家用電器，例如打印機(jī)、洗衣機(jī)和空調(diào)等旋轉(zhuǎn)類的設(shè)備使用含有直流環(huán)節(jié)的變頻器也成為當(dāng)下的發(fā)展趨勢。為此，家庭儲(chǔ)能直流微網(wǎng)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的研究價(jià)值。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能;直流微電網(wǎng);家庭微電網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TM727.4 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著國家的智能電網(wǎng)迅猛發(fā)展，以太陽能為代表的新能源未來智能電網(wǎng)中占有重要的位置。隨著新能源的普及，越來越多的家庭開始安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，倘若大部分家庭用戶安裝了光伏發(fā)電系統(tǒng)，其勢必對電網(wǎng)有較大的影響，為此，在用戶側(cè)設(shè)計(jì)家庭直流微電網(wǎng)有效解決了上述問題，并加快了國家智能電網(wǎng)的建設(shè)。

倘若家庭要安裝直流微電網(wǎng)，其勢必需要安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)，對新能源發(fā)電的波動(dòng)性進(jìn)行調(diào)節(jié)，平緩家庭用電功率變化。也可以并對市電或新能源電量儲(chǔ)存，解決緊急停電帶來的不便和損失。家庭直流微電網(wǎng)是通過直流母線對家庭負(fù)荷進(jìn)行供電的直流微電網(wǎng)，在能源管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制下由市電、分布式新能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)共同向直流母線供電，滿足家庭負(fù)荷要求。

1 家庭直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

目前我國用戶側(cè)配電均采用的是交流電，倘若家庭采用光伏分布式等新能源用電時(shí)，其必須采用DC/AC的轉(zhuǎn)換，電能的利用和效率都會(huì)受到影響，而用戶使用電器需要AC/DC的轉(zhuǎn)換，這其中就白白消耗了電量，能源利用率降低了。

家庭配電系統(tǒng)采用直流微電網(wǎng)，可以接入新能源發(fā)電系統(tǒng)，如光伏分布式電站再配個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，解決光伏發(fā)電系統(tǒng)受光照發(fā)電的波動(dòng)性和不穩(wěn)定性。分布式光伏電站和市電的雙回路供電保證用電的可靠性，儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)電能質(zhì)量和功率，其能源利用率將有很大的提高，也減輕了對電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，其直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 直流微電網(wǎng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

家庭使用的電氣大部分都是直流供電，采用直流微電網(wǎng)供電相比交流電來說，其電氣和線路的絕緣等級(jí)沒有交流的要求高，同等距離的電路的能量損耗較低，且照明燈具不會(huì)出現(xiàn)交流電的頻閃現(xiàn)場，也可簡化家庭配電設(shè)備，直流電的配套設(shè)施也比交流電的價(jià)格要低。為了響應(yīng)國家低碳環(huán)保理念，直流微電網(wǎng)可以接入光伏新能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)等能源組成智能微網(wǎng)。

但是目前直流微電網(wǎng)還存在多種技術(shù)難度，相比已經(jīng)成熟的交流電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)在設(shè)計(jì)當(dāng)中還需要很多探索。

2.1 家庭直流微電網(wǎng)的安全可靠性

家庭直流微電網(wǎng)的首要和關(guān)鍵問題就是安全可靠性，如何將家庭的配電設(shè)計(jì)優(yōu)化安全供電容量和應(yīng)對停電或其他特殊情況的備用容量，其中包括光伏發(fā)電系統(tǒng)等新能源、市電供電能源及儲(chǔ)能系統(tǒng)和交流電的接口單元。它們是支撐家庭直流微電網(wǎng)用電的主要系統(tǒng)，也是最容易發(fā)生事故的隱患因素。

2.2 能源構(gòu)架和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

家庭直流微電網(wǎng)可接入多種能源，包括光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能蓄電等。其不同的組合方式可以滿足不同家庭的用電需求，但是涉及如此多種能源的直流微電網(wǎng)如何制定統(tǒng)一的接入標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建合理的能源構(gòu)架，保證直流微電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)和供電質(zhì)量，確定形成該類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和能源構(gòu)架對直流微電網(wǎng)推進(jìn)有重要的意義。

2.3 多能源協(xié)調(diào)和需求側(cè)管理

直流微電網(wǎng)里供電電源種類多，能源類型不盡相同，同時(shí)又要滿足離網(wǎng)、并網(wǎng)運(yùn)行、黑啟動(dòng)、孤島運(yùn)行和防逆流等功能要求，且光伏、風(fēng)力、儲(chǔ)能等多種能源的發(fā)電量和發(fā)電時(shí)間又各不一樣，這使直流微電網(wǎng)需要根據(jù)各種能源的發(fā)電特性進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，即多能源協(xié)調(diào)和需求側(cè)管理。目前現(xiàn)有的交流微電網(wǎng)運(yùn)行控制模式有主從控制模式、對等控制模式（如Droop控制）和分層控制模式（如Agent技術(shù)）等，直流微電網(wǎng)需結(jié)合自身特點(diǎn)尋求合適的運(yùn)行控制技術(shù)才能應(yīng)付上述復(fù)雜的運(yùn)行狀態(tài)。

2.4 家庭微電網(wǎng)的能源控制策略

家庭直流微電網(wǎng)系統(tǒng)在并離網(wǎng)切換、負(fù)荷切換和太陽能功率發(fā)生較大的波動(dòng)性時(shí)均會(huì)引起直流微電網(wǎng)的功率不穩(wěn)定。如何確保直流微電網(wǎng)緊急情況下離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，能合理調(diào)節(jié)能源和負(fù)荷之間的匹配，不會(huì)因?yàn)槟茉吹牟环€(wěn)定導(dǎo)致系統(tǒng)波動(dòng)甚至崩潰。為此，直流微電網(wǎng)的能源管理器（EMS）需要有專門針對直流微電網(wǎng)的能源控制策略，根據(jù)接入的新能源特性和所需負(fù)荷容量研究新的算法和公式。

2.5 家庭直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性、保護(hù)理論基礎(chǔ)和技術(shù)

儲(chǔ)能系統(tǒng)作為可調(diào)節(jié)設(shè)備在家庭直流微電網(wǎng)中是必不可少的，這使直流微電網(wǎng)需要雙向流通，但是由于直流微電網(wǎng)涉及的能源眾多且能源類別和數(shù)量都各不相同，為此計(jì)算該直流微電網(wǎng)的短路電流及其保護(hù)算法相對較復(fù)雜，需要對該系統(tǒng)重新研究并發(fā)明生產(chǎn)相應(yīng)的保護(hù)設(shè)備，以保證家庭使用直流微電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

3 結(jié)論

家庭直流微電網(wǎng)系統(tǒng)是目前新型的供電結(jié)構(gòu)，因?yàn)槔锩姘斯夥l(fā)電系統(tǒng)等綠色新能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)，負(fù)荷可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略思想，對解決能源危機(jī)建筑節(jié)能以及環(huán)境問題有著重要的研究意義。直流微電網(wǎng)相比交流電網(wǎng)具有能源利用率高，供電可靠性強(qiáng)，可以在離網(wǎng)模式下運(yùn)行等優(yōu)勢。

該文對家庭直流微電網(wǎng)目前存在的關(guān)鍵的技術(shù)問題進(jìn)行了梳理探討，直流微電網(wǎng)的相應(yīng)的配套保護(hù)設(shè)備和理論研究還很欠缺，尤其是在能源的調(diào)控、技術(shù)接口標(biāo)準(zhǔn)、安全性等方面。隨著家庭直流微電網(wǎng)的技術(shù)不斷提高完善，這種新型供電技術(shù)必將得到普及應(yīng)用。

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