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【摘 要】直流楼宇在直流供电中的应用，有利于节能和绿色能源的接入，具有广阔的应用前景。本文介绍直流微网研究的起源、国外直流微网研究的状况和发展动态，着重阐述直流楼宇的关键技术；指出我国应重视和加强直流楼宇技术的研究工作，今后将有更多的企业和研究院所支持和参与到直流楼宇的这一新兴的绿色电力技术的发展中来。
【关键词】直流微网；直流楼宇；微网；分布式电源
1.引言
据美国环境保护署（United States Environmental Protection Agency，US EPA）统计，美国楼宇用能占总能源的39%，电力消耗占总消耗的68%，二氧化碳排放量占总排放量的38%[1]。随着我国商业地产的开发与物业管理的成熟，我国楼宇的电力消耗和碳排放所占的比例也逐年提高，特别是在上海、北京等一线城市。因此，楼宇是推行节能减排的重要对象。
随着常规能源的紧缺，楼宇供电电源逐步朝多种类、可持续的方向发展，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），如太阳能电池、光伏建筑一体化、燃料电池、建筑用风力涡轮发电、小型燃气气轮机热电联产等，这些电源产生的电源均为直流电或者可经过简单整流后变为直流电，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，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，缺少灵活性、可控性的特点，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，这限制了DER的效能发挥[2] 。
从楼宇用电负荷和供电电源的发展趋势可以看出它们表现出的直流特性日趋明显。这就迫使人们需要重新衡量楼宇供电方式和它的发展方向。近年来，采用直流总线的直流微网开始得到关注[5-6]，特别是由于低成本和可靠的直流电能分配器件的发展，直流微网技术呈现迅速发展的态势。微网是将微型电源、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[6]。
2.直流微网的研究现状
长期以来，直流微网相关技术的研究与开发一直得到了产学研各界的广泛关注。美国弗吉尼亚理工大学CPES（Center for Power Electronics Systems）中心2007年提出了”Sustainable Building Initiative （SBI）研究计划[7]，为未来家庭和其他楼宇提供电力。随着研究的深入和技术的不断发展，CPES于2010年将SBI发展为SBN（Sustainable Building and nanogrids），并且将直流母线电压由DC300V提升到DC380V。
目前，美国和日本在微网的研究方面处在领先地位。2009年12月7～8日在日本东京召开了第一届GBPF会议，会议中提出了以DC380V作为数据中心直流供电标准，讨论了电源和用电设备的规格、电源品质测量和供电系统结构等问题，举行了“EPRI DC Power Partners”和“Japan DC Power Industrial Partners”联合会议。2010年4月Darnell Group 发布了低仪版的“楼宇直流供电：经济因素、应用驱动、架构技术、边准和规划制订”研究报告。2011年元月24～26日在美国硅谷召开了第三届GBPF会议，会议的主题围绕“直流供电的挑战、成就和机遇”和创造柔性、动态的电力架构“等方面进行。
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与开发[9-10]。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。
3.直流楼宇微网的控制技术
直流楼宇微网控制关键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者远程控制。直流楼宇微网控制主要是母线电压的调整和电能质量的管理[7-8]。
3.1母线电压的调整
直流楼宇微网由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，各个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，各个节点电压存在差异，很有可能导致各并联电压源之间产生环流[6]，图1所示即为各并联电压源的等效示意图。图中，V1和表示并联电压源幅值，Z1和表示线路阻抗；表示过流模块1和模块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。
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。近年来起源于电网并联的外特性下垂方法引起国内外学者的广泛关注和研究热情，目前主要应用于DC-DC、AC-DC和DC-AC等变流器的并联[9-11]。由于直流楼宇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灵活切换。针对蓄电池、太阳电池板等提出了具体的控制模式和控制方法如图2所示。
图1 并联电压源等效示意图
（a） 蓄电池双向DC-DC控制方法 （b）太阳电池DC-DC控制方法
图2蓄电池和太阳能电池的控制方法
3.2电能质量的管理
微网系统的工作容量有限，抗扰动能力弱，而且对于楼宇而言，在不同时间段，各个供电电源受气候、风力和太阳等自然的条件的变化很大，单独由直流微网构成孤岛供电方式目前还不成熟，这样直流微网必修并联到大电网上。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者脱落、并网切换到孤网或者孤网切换到并网等瞬态上升或者下降，成为电压闪变和电压跌落。电压闪变和电压跌落的发生，不仅会给电子设备和楼宇正常供电的运行带来不利，而且还很可能使控制系统发生误动作，最终导致整个楼宇的供电系统的崩溃。文献[6]提出采用飞轮储能装置建立快速补偿装置来进行电能质量管理。文献[2]提出设定母线电压的阈值，当微网处于孤网模式，而且DER和蓄电池提供的能量无法满足负荷的需求，需要进行负载脱落控制，最大限度地保证重要负荷的供电连续性，负载脱落需要控制其连续平滑进行，将不重要的负载分时脱落。 4.直流楼宇的保护
直流楼宇最大的安全问题包括电弧、火灾隐患和人身安全等。目前，国际上缺乏相应的标准、执行准则和实际操作经验；在设计直流楼宇微网的保护系统时，要在借鉴交流微网和直流牵引的保护经验。
根据故障发生的位置进行划分，直流楼宇微网的主要故障类型有母线故障和支路故障，其中支路故障又分为输入端故障和输出端故障。在设计保护电路时，要根据不同类型的故障进行分别设计。直流母线发生故障时，将影响到所有的DER与负荷，因此，母线的保护应该具有最高的级别。为了提高直流母线的可靠性，分别提出了后备式的保护、冗余式的母线结构、或者不依赖于通信进行保护等多种保护方式，来确保直流母线的安全运行[14-15]。对于直流微网支路上的故障，处理方式一般都比较简单，只要将支路和微网的连接中断即可，但是对于存储能源的支路要特别处理，因为其具有双向潮流的特性，对故障定位的时候，要先鉴定潮流的方向。直流微网的短路故障的定位和检测比较容易，一般采用短路保护就可以了；对与接地故障，则要考虑系统的结构与接地形式的不同而分别考虑。
5.我国直流楼宇微网的发展趋势
直流楼宇微网技术的发展在整个世界的发展还处于起步阶段，考虑到我国当前还处于工业化过程中、信息化还在起步阶段，而且各个区域的发展不平衡，大规模的推广应用的市场条件不成熟。但是，在一些超大城市中，高端写字楼和商业办公区域已经初步具备在一定的终端区域应用直流楼宇微网技术。
现在城市生活中，越来越多的数字设备和家用办公设备都应用直流作为电源，尤其是电动汽车的应用及推广，楼宇中的直流负荷越来越大。那么这些直流用电设备的设计开发生产如何实现接口的标准化、规范化，成为国际讨论的热点。我国一些家电领域的领军企业近年来开始组建产业联盟，进行标准讨论和相关技术的研究，如电冰箱、空调、洗衣机、计算机、音箱等一系列的产品逐步应用。
对于风力发电、太阳能光伏发电等新能源的应用研究也是方兴未艾，从单一的照明、产生热水等功能，逐步向生成标准化的电能供家庭和办公室的其他设备的用电。如何克服这些新能源波动范围大、受自然条件约束强等因素的影响，形成智能互补、供电平衡的微网供电系统将是今后研究的重点。
参考文献：
[1] U.S.Environmental Protection agency.Environmental technology verification program-Green building technology[EB].http：//www.epa.gov/etv/pubs/600f 06016.pdf.
[2] 赵上林，吴在军，胡敏强，等.关于分布式发电保护与微网保护的思考[J].电力系统自动化，2010，34
（1）：73-77.
[3] Xie Shaojun，Xiao Huafeng，Luo Yunhu，On DC-Building Technology.Transactions of china Electro-technical society.2012，27（1）：106-113.
[4] Ito Y， Yang Z Q， Akagi H.DC micro-grid base distribution power generation system[C].Power Electronics and Motion Control Conference，2004：1740-1745.
[5] Sannino A， Postiglionnne G，Bollen M.Feasibility of DC network for commercial system[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39（5）：1499-1507.
[6] Dennis P S.Why not operate data centers & telecom central offices at 400VDC？[EB].[2009-20].
2009 IBM Power and Cooling Technology Symposium.
[7] Marnay C，Robio F J，Siddigqui A S. Shape of the micro-grid[C].IEEE Power Engineering Society Winter Meeting，Columbus，OH，USA，2001，1：150-153.
[8] Mark Mc Granaghan， Thomas Ortmeyer， David Crudele，etal. Renewable systems interconnection study：advanced grid planning and operations[R].Sandia National Laboratories，2008.
[9] 黄狲青等.直流家用电器时代即将来临[J].电器，2009（3）：62-63.
[10] 刘衡.直流家电和家用集成能源系统技术开发项目启动[J].家电科技，2009（16）：8.
[11] Kim J W，choi H S， Cho B H. A novel droop method for the converter parallel operation[C]. The 16th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，2001，2：959-964.
[12] Karlsson P，Svensson J.DC bus voltage control for a distributed power system[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2003，18（6）：1405-1412.
[13] Kyohei Kurohane， Tomonbu Senjyu， Atsushi Yona， et al. A high quality power supply system with DC smart grid[C].2010 IEEE PES Transmission and Distrubution Conference and Exposition： Smart Solutions for a Changing World，New Orleans，LA，USA， 2010：1-6.
[14] Guerrero J M，Vasquez 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.
[15] Dushan Boroyevich， Igor Cvetkovic， Dong Dong， et al. Future electronic power distribution systems contemplative view[C].The 12th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment，Basov，Russia，2010：1369-1380.
作者简介：
谭理武（1980—），男，硕士，讲师，主要从事电力电子装置及控制研究。
王 翠（1973—），女，博士，讲师，主要从事电力电子装置及控制研究。
【关键词】直流微网；直流楼宇；微网；分布式电源
1.引言
据美国环境保护署（United States Environmental Protection Agency，US EPA）统计，美国楼宇用能占总能源的39%，电力消耗占总消耗的68%，二氧化碳排放量占总排放量的38%[1]。随着我国商业地产的开发与物业管理的成熟，我国楼宇的电力消耗和碳排放所占的比例也逐年提高，特别是在上海、北京等一线城市。因此，楼宇是推行节能减排的重要对象。
随着常规能源的紧缺，楼宇供电电源逐步朝多种类、可持续的方向发展，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），如太阳能电池、光伏建筑一体化、燃料电池、建筑用风力涡轮发电、小型燃气气轮机热电联产等，这些电源产生的电源均为直流电或者可经过简单整流后变为直流电，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，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，缺少灵活性、可控性的特点，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，这限制了DER的效能发挥[2] 。
从楼宇用电负荷和供电电源的发展趋势可以看出它们表现出的直流特性日趋明显。这就迫使人们需要重新衡量楼宇供电方式和它的发展方向。近年来，采用直流总线的直流微网开始得到关注[5-6]，特别是由于低成本和可靠的直流电能分配器件的发展，直流微网技术呈现迅速发展的态势。微网是将微型电源、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[6]。
2.直流微网的研究现状
长期以来，直流微网相关技术的研究与开发一直得到了产学研各界的广泛关注。美国弗吉尼亚理工大学CPES（Center for Power Electronics Systems）中心2007年提出了”Sustainable Building Initiative （SBI）研究计划[7]，为未来家庭和其他楼宇提供电力。随着研究的深入和技术的不断发展，CPES于2010年将SBI发展为SBN（Sustainable Building and nanogrids），并且将直流母线电压由DC300V提升到DC380V。
目前，美国和日本在微网的研究方面处在领先地位。2009年12月7～8日在日本东京召开了第一届GBPF会议，会议中提出了以DC380V作为数据中心直流供电标准，讨论了电源和用电设备的规格、电源品质测量和供电系统结构等问题，举行了“EPRI DC Power Partners”和“Japan DC Power Industrial Partners”联合会议。2010年4月Darnell Group 发布了低仪版的“楼宇直流供电：经济因素、应用驱动、架构技术、边准和规划制订”研究报告。2011年元月24～26日在美国硅谷召开了第三届GBPF会议，会议的主题围绕“直流供电的挑战、成就和机遇”和创造柔性、动态的电力架构“等方面进行。
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与开发[9-10]。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。
3.直流楼宇微网的控制技术
直流楼宇微网控制关键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者远程控制。直流楼宇微网控制主要是母线电压的调整和电能质量的管理[7-8]。
3.1母线电压的调整
直流楼宇微网由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，各个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，各个节点电压存在差异，很有可能导致各并联电压源之间产生环流[6]，图1所示即为各并联电压源的等效示意图。图中，V1和表示并联电压源幅值，Z1和表示线路阻抗；表示过流模块1和模块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。
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。近年来起源于电网并联的外特性下垂方法引起国内外学者的广泛关注和研究热情，目前主要应用于DC-DC、AC-DC和DC-AC等变流器的并联[9-11]。由于直流楼宇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灵活切换。针对蓄电池、太阳电池板等提出了具体的控制模式和控制方法如图2所示。
图1 并联电压源等效示意图
（a） 蓄电池双向DC-DC控制方法 （b）太阳电池DC-DC控制方法
图2蓄电池和太阳能电池的控制方法
3.2电能质量的管理
微网系统的工作容量有限，抗扰动能力弱，而且对于楼宇而言，在不同时间段，各个供电电源受气候、风力和太阳等自然的条件的变化很大，单独由直流微网构成孤岛供电方式目前还不成熟，这样直流微网必修并联到大电网上。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者脱落、并网切换到孤网或者孤网切换到并网等瞬态上升或者下降，成为电压闪变和电压跌落。电压闪变和电压跌落的发生，不仅会给电子设备和楼宇正常供电的运行带来不利，而且还很可能使控制系统发生误动作，最终导致整个楼宇的供电系统的崩溃。文献[6]提出采用飞轮储能装置建立快速补偿装置来进行电能质量管理。文献[2]提出设定母线电压的阈值，当微网处于孤网模式，而且DER和蓄电池提供的能量无法满足负荷的需求，需要进行负载脱落控制，最大限度地保证重要负荷的供电连续性，负载脱落需要控制其连续平滑进行，将不重要的负载分时脱落。 4.直流楼宇的保护
直流楼宇最大的安全问题包括电弧、火灾隐患和人身安全等。目前，国际上缺乏相应的标准、执行准则和实际操作经验；在设计直流楼宇微网的保护系统时，要在借鉴交流微网和直流牵引的保护经验。
根据故障发生的位置进行划分，直流楼宇微网的主要故障类型有母线故障和支路故障，其中支路故障又分为输入端故障和输出端故障。在设计保护电路时，要根据不同类型的故障进行分别设计。直流母线发生故障时，将影响到所有的DER与负荷，因此，母线的保护应该具有最高的级别。为了提高直流母线的可靠性，分别提出了后备式的保护、冗余式的母线结构、或者不依赖于通信进行保护等多种保护方式，来确保直流母线的安全运行[14-15]。对于直流微网支路上的故障，处理方式一般都比较简单，只要将支路和微网的连接中断即可，但是对于存储能源的支路要特别处理，因为其具有双向潮流的特性，对故障定位的时候，要先鉴定潮流的方向。直流微网的短路故障的定位和检测比较容易，一般采用短路保护就可以了；对与接地故障，则要考虑系统的结构与接地形式的不同而分别考虑。
5.我国直流楼宇微网的发展趋势
直流楼宇微网技术的发展在整个世界的发展还处于起步阶段，考虑到我国当前还处于工业化过程中、信息化还在起步阶段，而且各个区域的发展不平衡，大规模的推广应用的市场条件不成熟。但是，在一些超大城市中，高端写字楼和商业办公区域已经初步具备在一定的终端区域应用直流楼宇微网技术。
现在城市生活中，越来越多的数字设备和家用办公设备都应用直流作为电源，尤其是电动汽车的应用及推广，楼宇中的直流负荷越来越大。那么这些直流用电设备的设计开发生产如何实现接口的标准化、规范化，成为国际讨论的热点。我国一些家电领域的领军企业近年来开始组建产业联盟，进行标准讨论和相关技术的研究，如电冰箱、空调、洗衣机、计算机、音箱等一系列的产品逐步应用。
对于风力发电、太阳能光伏发电等新能源的应用研究也是方兴未艾，从单一的照明、产生热水等功能，逐步向生成标准化的电能供家庭和办公室的其他设备的用电。如何克服这些新能源波动范围大、受自然条件约束强等因素的影响，形成智能互补、供电平衡的微网供电系统将是今后研究的重点。
参考文献：
[1] U.S.Environmental Protection agency.Environmental technology verification program-Green building technology[EB].http：//www.epa.gov/etv/pubs/600f 06016.pdf.
[2] 赵上林，吴在军，胡敏强，等.关于分布式发电保护与微网保护的思考[J].电力系统自动化，2010，34
（1）：73-77.
[3] Xie Shaojun，Xiao Huafeng，Luo Yunhu，On DC-Building Technology.Transactions of china Electro-technical society.2012，27（1）：106-113.
[4] Ito Y， Yang Z Q， Akagi H.DC micro-grid base distribution power generation system[C].Power Electronics and Motion Control Conference，2004：1740-1745.
[5] Sannino A， Postiglionnne G，Bollen M.Feasibility of DC network for commercial system[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39（5）：1499-1507.
[6] Dennis P S.Why not operate data centers & telecom central offices at 400VDC？[EB].[2009-20].
2009 IBM Power and Cooling Technology Symposium.
[7] Marnay C，Robio F J，Siddigqui A S. Shape of the micro-grid[C].IEEE Power Engineering Society Winter Meeting，Columbus，OH，USA，2001，1：150-153.
[8] Mark Mc Granaghan， Thomas Ortmeyer， David Crudele，etal. Renewable systems interconnection study：advanced grid planning and operations[R].Sandia National Laboratories，2008.
[9] 黄狲青等.直流家用电器时代即将来临[J].电器，2009（3）：62-63.
[10] 刘衡.直流家电和家用集成能源系统技术开发项目启动[J].家电科技，2009（16）：8.
[11] Kim J W，choi H S， Cho B H. A novel droop method for the converter parallel operation[C]. The 16th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，2001，2：959-964.
[12] Karlsson P，Svensson J.DC bus voltage control for a distributed power system[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2003，18（6）：1405-1412.
[13] Kyohei Kurohane， Tomonbu Senjyu， Atsushi Yona， et al. A high quality power supply system with DC smart grid[C].2010 IEEE PES Transmission and Distrubution Conference and Exposition： Smart Solutions for a Changing World，New Orleans，LA，USA， 2010：1-6.
[14] Guerrero J M，Vasquez 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.
[15] Dushan Boroyevich， Igor Cvetkovic， Dong Dong， et al. Future electronic power distribution systems contemplative view[C].The 12th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment，Basov，Russia，2010：1369-1380.
作者简介：
谭理武（1980—），男，硕士，讲师，主要从事电力电子装置及控制研究。
王 翠（1973—），女，博士，讲师，主要从事电力电子装置及控制研究。