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直流微电网的崛起—效率、实施与监管演变

Published Date
Author Fanny Hu

发布于2024-12-18

可再生能源和电气化不是正在路上，而是已经到来。随之而来的是电力负荷中直流电 (DC) 与交流电 (AC) 份额之比越来越大。随着电动汽车与采用直流电机的暖通空调设备的普及，直流电在美国住宅和商业用电负荷中所占的比例越来越大，介于60%到75%之间。这一比例与交流电占主导地位的历史时期形成了鲜明对比 - 截至2019年，美国直流电负载约占32%。[1]

本文介绍了直流微电网这种新兴基础设施的优势，它在不同应用之间传输直流电。另外本文还探讨了实施直流微电网所面临的挑战和解决方案，并分析了围绕直流微电网不断演变的监管框架。

随着可再生能源的发展，直流微电网的优势日益凸显

微电网是一种新兴技术，结合了智能电网的电流流动管理优势以及小型化、分布式能源发电。它使发电厂可以更加靠近用电地点，从而提供更具弹性的本地化选择，促进能源独立，尤其是在偏远地区。

能源效率和供电质量

与传统的交流电系统相比，直流微电网具有显著优势，其中最有帮助的一项是通过消除交流到直流的转换损耗提高了能源效率。这项优势对于严重依赖可再生能源（如光伏电池）的系统尤为重要，因为光伏电池产生的直流电无需转换为交流电。由于无需在交流和全直流负载之间进行多次转换，系统损失的能量更少，从而提高了配电效率。

另外，直流微电网还能通过调节电压水平提高供电质量。与电压和频率稳定性波动较大的交流系统不同，直流系统可以保持稳定的电压，实现更稳定的电力输送。更高的供电质量使直流微电网非常适合采用敏感电子元件的应用，以及需要高度可靠且可预测的高质量供电的关键系统。

与可再生能源结合

直流微电网与可再生直流能源（如太阳能和电池储能）以及一些小型的风力和水力发电站天然适配。[2],[3]可再生能源发电设备在将可再生能源纳入直流微电网，以提高供电可靠性和可持续性方面发挥着重要作用。大多数可再生能源生成的就是直流电，与所需的电力类型直接匹配。对于以可再生能源为主要电力来源的环境来说，直流微电网是其理想选择。

商业和住宅应用

直流电源设备所占的比例越高，意味着用户效率和可持续性越高。通过微电网，直流-直流电可以帮助企业实现可持续发展目标（如净零碳排放），并为消费者和楼宇业主降低成本。

提供高效电力的另一个优势是能够提高热泵等电力驱动技术的收益。一般来说，热泵消耗1个单位的电能，可输出2到4个单位的电能；[4]但这种技术的可持续性与源头电能息息相关。因此，使用高效电力来驱动热泵会使可持续发展的优势更加明显。

直流配电系统面临的挑战与解决方案

实施可靠的直流微电网面临多种挑战，尤其是在电压管理和负载平衡方面。在交流系统中，变压器可以管理电压的变化。但对于直流系统，工程师必须依靠DC-DC转换器来调节电压水平，确保系统高效运行。而且，直流配电系统中的负载平衡也很复杂，因为这些系统通常在具有多个发电和用电点的分布式网络中运行。

用于实现高稳定性的关键技术

电流的流动管理对于保持直流微电网的稳定性和效率至关重要。正确管理电流的流动可确保发电和用电之间实现稳定平衡。

  • DC-DC转换器：这些转换器可帮助调节微电网不同部分的电压，根据需求升高或降低电压，确保向微网中的各种负载高效输送电力。

  • 储能系统：电池供电的储能系统将多余的可再生能源储存起来，以便在供电不足时使用。这种方法可以提高微电网的稳定性与可靠性，确保在可再生能源发生变化的情况下仍能持续供电。

  • 电源管理IC：智能电源管理集成电路 (PMIC) 和传感器可监测和控制微电网内的电流。这些系统可优化负载分配，防止过载，并根据用电情况进行实时调整。

微电网设计实践经验

设计直流微电网时，有几种实践经验可确保效率与可扩展性：

  • 负载分析：了解连接到微电网的设备和系统的具体耗电情况至关重要。准确的负载分析让工程师设计的微电网能够处理峰值负载并确保稳定运行。

  • 混合系统：有些情况下，可能需要微电网同时集成交流和直流基础设施（即混合微电网）。这些系统可同时采用传统的交流设备以及较新的直流技术。

  • 模块化和可扩展性：设计微电网时考虑模块化可确保它们能够随着能源需求的变化而进行扩展。这一点在商业和工业环境中尤为重要，因为在这些环境中，电力需求在高负荷水平下会随着时间的推移发生波动。

直流微电网的监管和标准化需求

与许多新技术一样，法规可能会促进，也可能会阻碍技术的应用，具体取决于当地情况。在考虑使用微电网时，了解当前的监管框架及其未来可能的情况至关重要。

当前的监管框架

直流微电网的商业应用所面临的主要挑战之一是缺乏相关联邦法规、规范和标准。美国联邦能源管理委员会 (FERC) 负责监管各州之间的电力销售及相关税费（以及其他因素），并于2020年发布了第2222号法令，旨在推动包括微电网运营商在内的分布式能源资源 (DER) 进入电力市场。[5]交流配电系统拥有完善的计量和供电质量标准，而直流微电网与之不同，目前缺乏统一的用电计量和供电质量标准。这种差距给希望实施直流系统的组织带来了不确定性，因为合规要求可能因地区而异。

国际标准和地区差异

一些地区已经开始制定直流微电网标准，但各地的进展并不统一。在欧洲，监管机构已开始制定直流系统标准，主要针对商业和工业应用。[6]而相比之下，美国仍处于制定直流电专用法规的早期阶段。由于电力解决方案的地方性，其中许多法规都是由州政府推动的。

美国全国州级能源官员协会 (NASEO) 和美国国家公用事业监管专员协会 (NARUC) 创建了一个资源库，为各州制定微电网政策、计划或法规提供资源和指导。[7]

国际电工委员会 (IEC) 以及电气与电子工程师协会 (IEEE) 等国际组织正在积极制定直流微电网标准，这将有助于简化其实施过程，减少监管阻碍。[8],[9]

未来的监管要求

随着直流微电网的不断发展，监管机构还需要解决微电网的其他几个问题：

  • 计量准确性：制定明确的直流电用电计量标准可确保准确计费和监测能源使用情况。

  • 电压和供电质量：稳压器必须定义直流系统可接受的电压范围以及供电质量标准，确保其安全性和可靠性。

  • 与现有基础设施的整合：监管框架必须促进直流微电网与现有交流基础设施的整合，以实现混合系统并确保平稳过渡。

未来监管行动的目标可能包括互联和许可、用来支持可持续发展的税收鼓励、所有权准则以及合规报告结构。

直流微电网应用聚焦：能量收集

利用可再生能源的直流微电网可以从能量收集中获益。可再生能源系统面临的主要挑战可能是发电的不稳定性，例如阳光或理想风力条件的波动。虽然储能系统（如电池或热能砖）可以通过储存多余的能量以供日后使用来缓解其中的一些问题，但将能量收集技术集成到微电网中可以显著提升稳定性和效率。

例如，当太阳能或风能发电量较低时，小型能量收集器可以从环境中收集能量。收集的能量可为微电网的传感器、物联网 (IoT) 设备或低功耗通信系统供电。增加补充型电能回收设备可减少对蓄电池电能的依赖，最大限度地利用系统中的可用能源。直流微电网的分散性还意味着，所收集的能量可以直接分配到需要的地方，而无需单独进行低效的交流-直流转换。

虽然能量收集的潜力显而易见，但工程师必须解决突出的技术难题，才能将其完全集成到直流微电网中。目前面临的主要挑战是这些系统的输出功率相对较低，通常以毫瓦为单位。虽然这种功率水平可以满足传感器和通信系统等低功率应用的需求，却不够处理较大的负载。因此，只能将能量收集视为用于增强直流微电网的补充技术，但不能作为主要能源。

直流微电网需要能够高效收集和分配能量的先进电力管理系统，以支持能量采集功能的集成。这些系统还必须确保采集的电能、存储的电能和电网电能之间可以进行无缝转换，以便设备和系统能够不间断地运行。

直流微电网与可再生能源整合的发展之路

直流微电网可以改变配电方式，就像边缘计算改进了数据传输一样。微电网可以显著提高电源效率和供电质量，增加大量可再生能源应用，以满足对直流供电设备日益增长的需求。这些系统在提高能效、降低成本、改善供电质量以及与可再生能源整合等方面可以提供明显的优势。但其广泛采用取决于能否克服技术挑战和建立明确的监管框架。

随着各国和各州开发出监管直流微电网并将其纳入电力系统的方法，使用直流微电网的技术和可再生能源将在未来几年实现大规模增长。

参考资料

[1] https://www.usgbc.org/articles/new-leed-pilot-credit-encourages-energy-savings-dc-power-systems
[2] https://www.energy.gov/energysaver/microhydropower-systems
[3] https://windexchange.energy.gov/small-wind-guidebook
[4] https://www.energy.gov/energysaver/air-source-heat-pumps
[5] https://www.naruc.org/core-sectors/energy-resources-and-the-environment/der-integration-compensation/
[6] https://setis.ec.europa.eu/document/download/d312944b-df45-4ebb-b2bd-d8616d13bbf4_en?filename=SET-Plan-LVDC-Implementation-Plan-12sep2024-endorsed.pdf
[7] https://www.naruc.org/core-sectors/energy-resources-and-the-environment/microgrids/
[8] https://www.iec.ch/energies/minigrids-microgrids
[9] https://ieeexplore.ieee.org/document/9646866

作者简介

Adam Kimmel拥有近20年执业工程师、研发经理和工程内容撰稿人经验， 编写过白皮书、网站副本、案例研究以及博客文章，涉及汽车、工业/制造业、科技和电子等垂直细分领域。Adam拥有化学和机械工程学位，并且是工程和技术内容写作公司ASK Consulting Solutions, LLC的创始人兼总负责人。