摘要

隨著對(duì)能源效率、可再生能源整合和技術(shù)進(jìn)步的需求不斷增加，電力領(lǐng)域正在經(jīng)歷一場(chǎng)重大變革。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，交流電源一直是主要的配電形式；它在長(zhǎng)距離輸電過(guò)程中能保持較高的效率，并且能夠輕松地調(diào)節(jié)到不同的電壓等級(jí)。然而，隨著分布式能源的興起、對(duì)能量流動(dòng)控制的需求以及為降低系統(tǒng)損耗而進(jìn)行的電機(jī)功率回收技術(shù)的發(fā)展，直流微電網(wǎng)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(wǎng)，闡述其在工業(yè)應(yīng)用中的實(shí)施方式，并展示幾款可幫助實(shí)現(xiàn)高效實(shí)施的德州儀器 (TI) 參考設(shè)計(jì)。

簡(jiǎn)介

直流微電網(wǎng)是在特定電壓范圍內(nèi)，通過(guò)直流母線運(yùn)行的局部能源系統(tǒng)。這類系統(tǒng)在規(guī)模和功率上差異顯著，小至由共享直流母線連接數(shù)臺(tái)電機(jī)的小型獨(dú)立單元，大到總負(fù)載可達(dá)兆瓦級(jí)的大型應(yīng)用場(chǎng)景，如大型工廠或數(shù)據(jù)中心。小型獨(dú)立系統(tǒng)可對(duì)現(xiàn)有工廠基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行功能拓展，而大型直流微電網(wǎng)裝置憑借共享基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，從而獲得顯著效益。這些大型直流電網(wǎng)能夠更高效地整合太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源，并優(yōu)化能源管理，尤其適用于動(dòng)態(tài)負(fù)載眾多且儲(chǔ)能需求持續(xù)增長(zhǎng)的行業(yè)場(chǎng)景。

除了交流/直流電網(wǎng)連接設(shè)備、可再生能源發(fā)電裝置、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)及各類用電負(fù)載外，直流微電網(wǎng)還配備斷路器、預(yù)充電單元、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以及為附屬系統(tǒng)供電的輔助電源等組件。圖 1 展示了一個(gè)直流微電網(wǎng)及其可能涵蓋的系統(tǒng)模塊構(gòu)成。

圖 1：直流微電網(wǎng)中的元件和負(fù)載

本技術(shù)文章概述了直流電網(wǎng)相較于交流電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，介紹了直流微電網(wǎng)并探討了其在工廠自動(dòng)化、數(shù)據(jù)中心和樓宇自動(dòng)化中的應(yīng)用。我們還探討了創(chuàng)新型半導(dǎo)體如何通過(guò)增強(qiáng)隔離測(cè)量系統(tǒng)、電源和光伏逆變器，推動(dòng)向直流微電網(wǎng)的轉(zhuǎn)型。

直流與交流電網(wǎng)：比較概述

過(guò)去，交流和直流電網(wǎng)之間的爭(zhēng)論圍繞輸電效率、安全和基礎(chǔ)設(shè)施而展開(kāi)。在 19 世紀(jì)末的電流大戰(zhàn)中，交流輸電因其卓越的長(zhǎng)距離輸電能力而勝出。但隨著現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展和能源需求的轉(zhuǎn)變，直流輸電正重新興起，尤其是在局部微電網(wǎng)應(yīng)用中。

直流電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)交流連接相比，直流微電網(wǎng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

通過(guò)優(yōu)化的功率轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)更高的效率。直流微電網(wǎng)將交流至直流整流集中化，從而減少功率轉(zhuǎn)換級(jí)的數(shù)量并實(shí)現(xiàn)共享直流母線。集中化可降低轉(zhuǎn)換損耗并提高整體系統(tǒng)效率。電機(jī)能量回收系統(tǒng)可將制動(dòng)能量直接反饋至直流鏈路，優(yōu)化了負(fù)載分配和能量分配。此外，直流系統(tǒng)還消除了趨膚效應(yīng)和渦流損耗等問(wèn)題。在工業(yè)應(yīng)用中，這些改進(jìn)可幫助節(jié)約多達(dá) 20% 的能源。

可再生能源的無(wú)縫整合。太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)等可再生能源在為交流電網(wǎng)轉(zhuǎn)換電力之前通常會(huì)產(chǎn)生直流電壓。直流微電網(wǎng)可整合這些能源，無(wú)需額外的直流轉(zhuǎn)交流（逆變器）級(jí)。同樣，減少的功率轉(zhuǎn)換次數(shù)提高了系統(tǒng)效率，使直流系統(tǒng)適用于注重可持續(xù)性的應(yīng)用場(chǎng)景。

負(fù)載管理的可擴(kuò)展性和靈活性。直流微電網(wǎng)具有高度可擴(kuò)展性，因此工程師可以對(duì)其進(jìn)行定制，以滿足各種場(chǎng)景的特定電源需求，例如，從小型建筑到大型工業(yè)設(shè)施，或交流供電工廠內(nèi)獨(dú)立直流島等?？芍苯舆B接工業(yè)機(jī)械、自動(dòng)化設(shè)備、服務(wù)器機(jī)架、照明以及暖通空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)等直流負(fù)載，簡(jiǎn)化了整體系統(tǒng)架構(gòu)。

改善了電能質(zhì)量和穩(wěn)定性。直流電源不易受到諧波失真和無(wú)功功率問(wèn)題的影響，這些問(wèn)題會(huì)影響交流電源的質(zhì)量。因此，電力輸送更穩(wěn)定，敏感電子設(shè)備的性能也有所提高。另外，儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)施可以應(yīng)對(duì)交流電網(wǎng)中斷問(wèn)題并平衡不穩(wěn)定能源供應(yīng)的差距。

簡(jiǎn)化布線并降低基礎(chǔ)設(shè)施成本。與交流電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)需要的電線更少。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)的不同，直流鏈路使用雙線或三線連接，而不是交流電網(wǎng)中的五線布線。更少的導(dǎo)線連接和更少的電源轉(zhuǎn)換器可以節(jié)省多達(dá) 50% 的銅纜，同時(shí)降低安裝成本。運(yùn)行期間，直流電網(wǎng)中的可再生發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)有助于降低交流電網(wǎng)的峰值用電需求，這可以顯著降低接通費(fèi)用。

直流電網(wǎng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

盡管直流微電網(wǎng)具備諸多優(yōu)勢(shì)，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(xiàng)重大挑戰(zhàn)。與交流電源不同，直流電源本身不具有過(guò)零點(diǎn)，這使得滅弧難度顯著增加，進(jìn)而加大了用戶面臨的風(fēng)險(xiǎn)。因此，必須配備高級(jí)控制和保護(hù)系統(tǒng)，用以管理功率流；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、電流和溫度；以及快速檢測(cè)和應(yīng)對(duì)故障。另一項(xiàng)挑戰(zhàn)在于，直流電網(wǎng)屬于極化系統(tǒng)，持續(xù)的漏電流可能導(dǎo)致腐蝕問(wèn)題。

由于直流微電網(wǎng)是一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)仍在制定過(guò)程中，這限制了大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備的供應(yīng)。此外，熟悉直流電網(wǎng)安裝與維護(hù)的專業(yè)技術(shù)人員也十分短缺。國(guó)際電工委員會(huì)的低壓直流系統(tǒng)委員會(huì)以及德國(guó)的開(kāi)放式直流聯(lián)盟等機(jī)構(gòu)正在開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)化工作，旨在為直流系統(tǒng)奠定更廣泛的基礎(chǔ)。

直流微電網(wǎng)在各行業(yè)的應(yīng)用

鑒于直流微電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)以及其應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)能力的不斷提升，直流電在多個(gè)領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用，以下重點(diǎn)介紹其中三個(gè)領(lǐng)域：

工廠自動(dòng)化。工廠自動(dòng)化系統(tǒng)，如機(jī)械設(shè)備、機(jī)器人和控制系統(tǒng)，通過(guò)共享直流電網(wǎng)可顯著降低能量損耗并簡(jiǎn)化配電過(guò)程。在配備機(jī)器人、升降機(jī)和傳送帶的生產(chǎn)環(huán)境中，相較于交流電系統(tǒng)的制動(dòng)能量以熱能形式耗散，直流系統(tǒng)的再生制動(dòng)功能成為主要優(yōu)勢(shì)。汽車行業(yè)早期示范安裝的成果顯示，直流微電網(wǎng)可大幅節(jié)省能源，凸顯其作為現(xiàn)代工廠運(yùn)營(yíng)中經(jīng)濟(jì)高效解決方案的潛力。2024 年 11 月，德國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì) (VDE) 依據(jù) VDE SPEC 90037 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布了《直流工業(yè)系統(tǒng)描述》，詳細(xì)概述了直流電網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中的情況。

數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心是能源密集型設(shè)施之一，嚴(yán)重依賴不間斷電源。直流供電的數(shù)據(jù)中心通過(guò)減少交流/直流功率轉(zhuǎn)換和功率因數(shù)校正 (PFC) 級(jí)的數(shù)量，提高了電源效率并減少與諧波相關(guān)的問(wèn)題。此外，此類系統(tǒng)可將配電可靠性提高多達(dá) 200%，這使得直流微電網(wǎng)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(dòng)化與照明。直流微電網(wǎng)在樓宇自動(dòng)化中提供了巨大的優(yōu)勢(shì)，尤其是對(duì)本身依靠直流電源運(yùn)行的 LED 照明系統(tǒng)。此外，HVAC 系統(tǒng)和電器等樓宇基礎(chǔ)設(shè)施中的典型負(fù)載也會(huì)受益于優(yōu)化的配電方式和電池緩沖能耗。除建筑基礎(chǔ)設(shè)施本身之外，大多數(shù)家庭電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)、電視機(jī)和充電器，均為直流負(fù)載，這為進(jìn)一步優(yōu)化提供了潛力。

TI 的直流應(yīng)用解決方案

如圖 1 所示，TI 精心設(shè)計(jì)了一系列產(chǎn)品及參考設(shè)計(jì)，旨在助力解決直流微電網(wǎng)中存在的一些難題，從而實(shí)現(xiàn)更高效的功率轉(zhuǎn)換、更精確的測(cè)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(chǔ)能系統(tǒng)

太陽(yáng)能是直流微電網(wǎng)的重要組成部分，其主要目標(biāo)是節(jié)省能源成本并減少對(duì)交流電網(wǎng)的依賴。專用功率轉(zhuǎn)換器可將太陽(yáng)能電池板輸出的可變電壓轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)最初是作為具有電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (BESS) 功能的串式逆變器而設(shè)計(jì)。雖然它具有三個(gè)主要級(jí)，但對(duì)于直流微電網(wǎng)應(yīng)用而言，僅有兩個(gè)階段是必需的。

輸入升壓級(jí)將太陽(yáng)能電池板電壓（50V 至 500V，由 2 至 10 個(gè)光伏電池組成）轉(zhuǎn)換為設(shè)定的直流鏈路電壓。這一輸出電壓既可直接為直流微電網(wǎng)供電，也能通過(guò)下游的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器靈活調(diào)節(jié)至所需的電壓等級(jí)。

雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器級(jí)通過(guò)高效地對(duì)電池進(jìn)行充電和放電來(lái)管理 BESS。它可確保電池與電網(wǎng)之間的能量交互平穩(wěn)有序，從而維持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，充分滿足儲(chǔ)能需求。

該設(shè)計(jì)的第三級(jí)包括可配置的雙向直流/交流轉(zhuǎn)換器。在 PFC 配置中，為 BESS 充電，需要從交流電網(wǎng)獲取電能并通過(guò)直流鏈路傳輸電能。在逆變器配置中，它將 BESS 或太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后將能量回送至交流電網(wǎng)（請(qǐng)參閱圖 2）。

圖 2：10 千瓦基于氮化鎵的參考設(shè)計(jì)方框圖

適用于 3 級(jí)電動(dòng)汽車充電站的雙向雙有源電橋參考設(shè)計(jì)

TI 的雙向雙有源電橋參考設(shè)計(jì)是一款 10kW 參考設(shè)計(jì)，包括一個(gè)隔離式雙向雙有源電橋 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。本參考設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)應(yīng)用對(duì)象是用于儲(chǔ)能或直流充電樁的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)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(wǎng)直流母線電壓，因此非常適合為分布式負(fù)載供電以及集成電池備用系統(tǒng)。

通過(guò)使用可驅(qū)動(dòng) SiC 功率 MOSFET 的高性能控制電路，此參考設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 2.25kW/L 的功率密度。雙有源電橋中的對(duì)稱結(jié)構(gòu)允許轉(zhuǎn)換器堆疊以實(shí)現(xiàn)更高的功率吞吐量，并且雙向設(shè)計(jì)可在電池儲(chǔ)能和直流母線之間實(shí)現(xiàn)靈活的能量傳輸。圖 3 是系統(tǒng)元件的方框圖。

圖 3：雙向雙有源電橋參考設(shè)計(jì)方框圖

11kW 雙向三相三級(jí)（T 型）逆變器和 PFC 參考設(shè)計(jì)

將直流微電網(wǎng)連接到交流電網(wǎng)需要一個(gè)雙向電源。該電源以高功率因數(shù)進(jìn)行交流至直流轉(zhuǎn)換，并且必須能夠作為逆變器執(zhí)行直流至交流轉(zhuǎn)換。因?yàn)楣β始?jí)別、效率和熱管理是首要問(wèn)題。

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

圖 4：雙向三相參考設(shè)計(jì)電路板照片和方框圖

圖 5：雙向三相參考設(shè)計(jì)方框圖

整套參考設(shè)計(jì)由兩塊獨(dú)立電路板組成。主板集成各類開(kāi)關(guān)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(jié)構(gòu)。第二個(gè)電路板搭載基于C2000 數(shù)字信號(hào)處理器控制卡的控制電路。整個(gè)設(shè)計(jì)表現(xiàn)優(yōu)異，峰值效率達(dá) 98.6%，功率密度為 2.2kW/L。

具有低待機(jī)功耗的 300V-1,000V 輸入 48W 隔離式輔助電源參考設(shè)計(jì)

隔離式輔助電源參考設(shè)計(jì)是一款經(jīng)過(guò)優(yōu)化、適用于高電壓直流應(yīng)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(tǒng)，如控制系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)設(shè)備。

該設(shè)計(jì)采用初級(jí)側(cè)穩(wěn)壓反激式拓?fù)?，無(wú)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(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殡S著時(shí)間推移，光耦合器中的發(fā)光二極管會(huì)出現(xiàn)性能下降，從而導(dǎo)致光耦合器的可靠性降低。

圖 6：隔離式輔助電源參考設(shè)計(jì)電路板

高壓電動(dòng)汽車充電和太陽(yáng)能中的絕緣監(jiān)測(cè) AFE 參考設(shè)計(jì)

對(duì)于每一位直流微電網(wǎng)的系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商而言，保障直流微電網(wǎng)的運(yùn)行安全是一項(xiàng)不容推卸的責(zé)任。絕緣監(jiān)測(cè)參考設(shè)計(jì)采用電橋直流絕緣監(jiān)測(cè) (DC-IM) 方法，定期測(cè)量從直流端到保護(hù)性接地端的隔離電阻和絕緣漏電流。如圖 7 所示，該信號(hào)鏈采用隔離式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和隔離式電源開(kāi)關(guān)的組合架構(gòu)，并且兼容C2000 BoosterPack插件模塊，因此能夠?qū)崿F(xiàn)快速的系統(tǒng)評(píng)估。

圖 7：絕緣監(jiān)測(cè)參考設(shè)計(jì)的模擬前端方框圖

結(jié)語(yǔ)

人們對(duì)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(zhǎng)，這推動(dòng)著直流微電網(wǎng)領(lǐng)域積極探索更為精簡(jiǎn)且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。從隔離測(cè)量到光伏逆變器和電源，TI 的參考設(shè)計(jì)可幫助各個(gè)行業(yè)充分利用直流微電網(wǎng)的電源，以實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)并減少其碳足跡。

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