摘要

隨著對能源效率、可再生能源整合和技術進步的需求不斷增加，電力領域正在經歷一場重大變革。一個多世紀以來，交流電源一直是主要的配電形式；它在長距離輸電過程中能保持較高的效率，并且能夠輕松地調節(jié)到不同的電壓等級。然而，隨著分布式能源的興起、對能量流動控制的需求以及為降低系統損耗而進行的電機功率回收技術的發(fā)展，直流微電網已成為一種極具吸引力的替代方案。

本文將介紹直流微電網，闡述其在工業(yè)應用中的實施方式，并展示幾款可幫助實現高效實施的德州儀器 (TI) 參考設計。

簡介

直流微電網是在特定電壓范圍內，通過直流母線運行的局部能源系統。這類系統在規(guī)模和功率上差異顯著，小至由共享直流母線連接數臺電機的小型獨立單元，大到總負載可達兆瓦級的大型應用場景，如大型工廠或數據中心。小型獨立系統可對現有工廠基礎設施進行功能拓展，而大型直流微電網裝置憑借共享基礎設施實現規(guī)模經濟，從而獲得顯著效益。這些大型直流電網能夠更高效地整合太陽能、風能等可再生能源，并優(yōu)化能源管理，尤其適用于動態(tài)負載眾多且儲能需求持續(xù)增長的行業(yè)場景。

除了交流/直流電網連接設備、可再生能源發(fā)電裝置、電池儲能系統及各類用電負載外，直流微電網還配備斷路器、預充電單元、監(jiān)測系統，以及為附屬系統供電的輔助電源等組件。圖 1 展示了一個直流微電網及其可能涵蓋的系統模塊構成。

圖 1：直流微電網中的元件和負載

本技術文章概述了直流電網相較于交流電網的優(yōu)勢，介紹了直流微電網并探討了其在工廠自動化、數據中心和樓宇自動化中的應用。我們還探討了創(chuàng)新型半導體如何通過增強隔離測量系統、電源和光伏逆變器，推動向直流微電網的轉型。

直流與交流電網：比較概述

過去，交流和直流電網之間的爭論圍繞輸電效率、安全和基礎設施而展開。在 19 世紀末的電流大戰(zhàn)中，交流輸電因其卓越的長距離輸電能力而勝出。但隨著現代技術發(fā)展和能源需求的轉變，直流輸電正重新興起，尤其是在局部微電網應用中。

直流電網的優(yōu)勢

與傳統交流連接相比，直流微電網具有以下優(yōu)勢：

通過優(yōu)化的功率轉換實現更高的效率。直流微電網將交流至直流整流集中化，從而減少功率轉換級的數量并實現共享直流母線。集中化可降低轉換損耗并提高整體系統效率。電機能量回收系統可將制動能量直接反饋至直流鏈路，優(yōu)化了負載分配和能量分配。此外，直流系統還消除了趨膚效應和渦流損耗等問題。在工業(yè)應用中，這些改進可幫助節(jié)約多達 20% 的能源。

可再生能源的無縫整合。太陽能電池板和風力渦輪機等可再生能源在為交流電網轉換電力之前通常會產生直流電壓。直流微電網可整合這些能源，無需額外的直流轉交流（逆變器）級。同樣，減少的功率轉換次數提高了系統效率，使直流系統適用于注重可持續(xù)性的應用場景。

負載管理的可擴展性和靈活性。直流微電網具有高度可擴展性，因此工程師可以對其進行定制，以滿足各種場景的特定電源需求，例如，從小型建筑到大型工業(yè)設施，或交流供電工廠內獨立直流島等。可直接連接工業(yè)機械、自動化設備、服務器機架、照明以及暖通空調 (HVAC) 系統等直流負載，簡化了整體系統架構。

改善了電能質量和穩(wěn)定性。直流電源不易受到諧波失真和無功功率問題的影響，這些問題會影響交流電源的質量。因此，電力輸送更穩(wěn)定，敏感電子設備的性能也有所提高。另外，儲能系統的實施可以應對交流電網中斷問題并平衡不穩(wěn)定能源供應的差距。

簡化布線并降低基礎設施成本。與交流電網相比，直流微電網需要的電線更少。根據系統架構的不同，直流鏈路使用雙線或三線連接，而不是交流電網中的五線布線。更少的導線連接和更少的電源轉換器可以節(jié)省多達 50% 的銅纜，同時降低安裝成本。運行期間，直流電網中的可再生發(fā)電和儲能系統有助于降低交流電網的峰值用電需求，這可以顯著降低接通費用。

直流電網設計挑戰(zhàn)

盡管直流微電網具備諸多優(yōu)勢，但在安全性和可靠性方面仍存在特定挑戰(zhàn)。電弧管理是其中一項重大挑戰(zhàn)。與交流電源不同，直流電源本身不具有過零點，這使得滅弧難度顯著增加，進而加大了用戶面臨的風險。因此，必須配備高級控制和保護系統，用以管理功率流；實時監(jiān)測電壓、電流和溫度；以及快速檢測和應對故障。另一項挑戰(zhàn)在于，直流電網屬于極化系統，持續(xù)的漏電流可能導致腐蝕問題。

由于直流微電網是一項相對較新的技術，行業(yè)標準仍在制定過程中，這限制了大規(guī)模生產設備的供應。此外，熟悉直流電網安裝與維護的專業(yè)技術人員也十分短缺。國際電工委員會的低壓直流系統委員會以及德國的開放式直流聯盟等機構正在開展標準化工作，旨在為直流系統奠定更廣泛的基礎。

直流微電網在各行業(yè)的應用

鑒于直流微電網的優(yōu)勢以及其應對挑戰(zhàn)能力的不斷提升，直流電在多個領域逐漸得到廣泛應用，以下重點介紹其中三個領域：

工廠自動化。工廠自動化系統，如機械設備、機器人和控制系統，通過共享直流電網可顯著降低能量損耗并簡化配電過程。在配備機器人、升降機和傳送帶的生產環(huán)境中，相較于交流電系統的制動能量以熱能形式耗散，直流系統的再生制動功能成為主要優(yōu)勢。汽車行業(yè)早期示范安裝的成果顯示，直流微電網可大幅節(jié)省能源，凸顯其作為現代工廠運營中經濟高效解決方案的潛力。2024 年 11 月，德國電氣工程師協會 (VDE) 依據 VDE SPEC 90037 標準發(fā)布了《直流工業(yè)系統描述》，詳細概述了直流電網在工業(yè)應用中的情況。

數據中心。數據中心是能源密集型設施之一，嚴重依賴不間斷電源。直流供電的數據中心通過減少交流/直流功率轉換和功率因數校正 (PFC) 級的數量，提高了電源效率并減少與諧波相關的問題。此外，此類系統可將配電可靠性提高多達 200%，這使得直流微電網成為更可靠、更具成本效益和可持續(xù)發(fā)展的解決方案。

樓宇自動化與照明。直流微電網在樓宇自動化中提供了巨大的優(yōu)勢，尤其是對本身依靠直流電源運行的 LED 照明系統。此外，HVAC 系統和電器等樓宇基礎設施中的典型負載也會受益于優(yōu)化的配電方式和電池緩沖能耗。除建筑基礎設施本身之外，大多數家庭電子產品，如計算機、電視機和充電器，均為直流負載，這為進一步優(yōu)化提供了潛力。

TI 的直流應用解決方案

如圖 1 所示，TI 精心設計了一系列產品及參考設計，旨在助力解決直流微電網中存在的一些難題，從而實現更高效的功率轉換、更精確的測量以及更可靠的控制。

10 千瓦基于氮化鎵的單相串式逆變器與電池儲能系統

太陽能是直流微電網的重要組成部分，其主要目標是節(jié)省能源成本并減少對交流電網的依賴。專用功率轉換器可將太陽能電池板輸出的可變電壓轉換穩(wěn)定的直流鏈路電壓。

TI 的10 千瓦基于氮化鎵 (GaN)的參考設計最初是作為具有電池儲能系統 (BESS) 功能的串式逆變器而設計。雖然它具有三個主要級，但對于直流微電網應用而言，僅有兩個階段是必需的。

輸入升壓級將太陽能電池板電壓（50V 至 500V，由 2 至 10 個光伏電池組成）轉換為設定的直流鏈路電壓。這一輸出電壓既可直接為直流微電網供電，也能通過下游的 DC/DC 轉換器靈活調節(jié)至所需的電壓等級。

雙向 DC/DC 轉換器級通過高效地對電池進行充電和放電來管理 BESS。它可確保電池與電網之間的能量交互平穩(wěn)有序，從而維持電網穩(wěn)定運行，充分滿足儲能需求。

該設計的第三級包括可配置的雙向直流/交流轉換器。在 PFC 配置中，為 BESS 充電，需要從交流電網獲取電能并通過直流鏈路傳輸電能。在逆變器配置中，它將 BESS 或太陽能電池板產生的電能進行轉換，然后將能量回送至交流電網（請參閱圖 2）。

圖 2：10 千瓦基于氮化鎵的參考設計方框圖

適用于 3 級電動汽車充電站的雙向雙有源電橋參考設計

TI 的雙向雙有源電橋參考設計是一款 10kW 參考設計，包括一個隔離式雙向雙有源電橋 DC/DC 轉換器。本參考設計的主要目標應用對象是用于儲能或直流充電樁的功率轉換系統。該設計支持 700V 至 800V 的輸入電壓范圍，這一范圍適用于典型的微電網直流母線電壓，因此非常適合為分布式負載供電以及集成電池備用系統。

通過使用可驅動 SiC 功率 MOSFET 的高性能控制電路，此參考設計實現了 2.25kW/L 的功率密度。雙有源電橋中的對稱結構允許轉換器堆疊以實現更高的功率吞吐量，并且雙向設計可在電池儲能和直流母線之間實現靈活的能量傳輸。圖 3 是系統元件的方框圖。

圖 3：雙向雙有源電橋參考設計方框圖

11kW 雙向三相三級（T 型）逆變器和 PFC 參考設計

將直流微電網連接到交流電網需要一個雙向電源。該電源以高功率因數進行交流至直流轉換，并且必須能夠作為逆變器執(zhí)行直流至交流轉換。因為功率級別、效率和熱管理是首要問題。

TI 的雙向三相參考設計，如圖 4 和圖 5 中所示，具有 11kW 雙向逆變器和 PFC 級，可以處理直流母線上的 600V 至 900V 電壓以及電網中的三相 400VAC 電壓。

圖 4：雙向三相參考設計電路板照片和方框圖

圖 5：雙向三相參考設計方框圖

整套參考設計由兩塊獨立電路板組成。主板集成各類開關器件、LCL（電感器-電容器-電感器）濾波器、傳感電子元件和電源結構。第二個電路板搭載基于C2000 數字信號處理器控制卡的控制電路。整個設計表現優(yōu)異，峰值效率達 98.6%，功率密度為 2.2kW/L。

具有低待機功耗的 300V-1,000V 輸入 48W 隔離式輔助電源參考設計

隔離式輔助電源參考設計是一款經過優(yōu)化、適用于高電壓直流應用的 48W 輔助電源。它支持 300VDC 至 1000V 的直流輸入電壓，可以靈活地用于需要穩(wěn)定直流電壓和有限功率需求的子系統，如控制系統和監(jiān)測設備。

該設計采用初級側穩(wěn)壓反激式拓撲，無需使用光耦合器即可使輸出保持穩(wěn)壓狀態(tài)，因此可提供高可靠性。在惡劣的環(huán)境條件下，這是一個顯著的優(yōu)勢，因為隨著時間推移，光耦合器中的發(fā)光二極管會出現性能下降，從而導致光耦合器的可靠性降低。

圖 6：隔離式輔助電源參考設計電路板

高壓電動汽車充電和太陽能中的絕緣監(jiān)測 AFE 參考設計

對于每一位直流微電網的系統運營商而言，保障直流微電網的運行安全是一項不容推卸的責任。絕緣監(jiān)測參考設計采用電橋直流絕緣監(jiān)測 (DC-IM) 方法，定期測量從直流端到保護性接地端的隔離電阻和絕緣漏電流。如圖 7 所示，該信號鏈采用隔離式數據轉換器和隔離式電源開關的組合架構，并且兼容C2000 BoosterPack插件模塊，因此能夠實現快速的系統評估。

圖 7：絕緣監(jiān)測參考設計的模擬前端方框圖

結語

人們對更高能效、更可靠的電力輸送和可再生能源集成的需求不斷增長，這推動著直流微電網領域積極探索更為精簡且經濟高效的解決方案。從隔離測量到光伏逆變器和電源，TI 的參考設計可幫助各個行業(yè)充分利用直流微電網的電源，以實現其可持續(xù)發(fā)展目標并減少其碳足跡。

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