托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）除了在與特斯拉和西屋公司的臭名昭著的“電流之戰(zhàn)”中支持直流配電外，他對能源供應和可持續(xù)性的看法與當今正在制定的政策驚人地相似。他贊成使用本地發(fā)電，這樣可以最大限度地減少直流輸電損耗，并對利用風能、太陽能和潮汐等可再生能源的前景著迷。

　　當然，今天，對化石燃料的未來及其對環(huán)境影響的日益關注正將政策制定者的注意力引向可再生能源。此外，隨著技術進步將小型光伏陣列和風力渦輪機帶入企業(yè)、小型農場和一些房主的財務范圍內，本地發(fā)電——無論是連接到主電網還是孤島發(fā)電——已經變得實用且經濟可行。這種發(fā)電機的輸出通常是直流電，必須先轉換為適當頻率和電壓的交流電，然后才能饋入本地線路電源。用于實現(xiàn)此目的的電源調節(jié)電路消耗了百分之幾的寶貴能量。如果可以消除對直流到交流逆變器的需求，則可以節(jié)省能源。

　　自愛迪生時代以來，電力消耗顯著增加；特別是通過越來越多的設備使用，例如個人電腦、移動充電器、平板電視和小型辦公機器，這些設備基本上都是直流供電系統(tǒng)。此外，白熾燈正在逐步淘汰，取而代之的是直流供電的 LED 替代品。傳統(tǒng)上包含交流感應電機（如洗衣機或冰箱）的電器中的節(jié)能變頻驅動器現(xiàn)在將交流線路電源轉換為直流，然后以正確的頻率重建交流波形以實現(xiàn)所需的電機速度。從長遠來看，廣泛使用插電式混合動力或電動汽車的前景將進一步將需求平衡轉向可以通過直流電源更有效地運行的本地直流負載，無需在輸入端使用 AC/DC 電源。電力研究所 （EPRI） 估計，直接使用現(xiàn)場可再生能源而不轉換為交流電的效率增益可能高達 15%。

　　然而，今天的交流電網代表著對設備和技術的巨大投資。此外，目前使用的大量電器設計為由高壓交流電源供電，并且需要調整為由直流電源供電，或以其他方式更換。因此，采用直流配電的革命性變化是不切實際的。

　　構建直流微電網

　　另一方面，增量變化可以在最容易訪問的區(qū)域引入 DC 分布的優(yōu)勢。小型直流微電網可用于通過以最小的轉換損耗為 LED 照明或其他直流電器等負載供電來增強標準交流線路電源。這為擁有自己的太陽能或風力微型發(fā)電機的辦公室或家庭等物業(yè)提供了一個機會，可以有效地利用可再生能源，從而同時減少水電費和環(huán)境足跡。

　　隨著今天的配電網和電器變得更加智能并獲得智能以處理需求側管理和平衡，直流微電網可以成為整體智能電網戰(zhàn)略的組成部分，方法是在可以獨立供電的時候從主電網中移除負載，并在可以獨立供電的時候重新連接。當?shù)啬茉匆芽萁?。微電網還可用于通過逆變器連接到主電網來從本地微??型發(fā)電機饋入任何多余的能量。

　　巴斯大學已經實施了它聲稱的英國首個本地直流網絡，為校園圖書館供電。在為期六個月的實驗中，50 臺經過特殊改裝的個人電腦直接由直流電源供電，LED 照明也由直流微電網供電。此外，安裝了一組直接從直流微電網充電的備用電池，為照明和計算機供電，以防公用事業(yè)供應中斷。由于該實驗旨在研究建筑物內的低壓直流配電，因此能源來自標準交流電網，而不是當?shù)氐目稍偕茉垂?。前端的單個 AC/DC 轉換器有效地取代了圖書館計算機中的單個 AC/DC 電源，從而消除多組轉換損耗，從而提高整體效率。該大學聲稱圖書館的總能源消耗減少了一半，相當于每年節(jié)省約 25，000 英鎊，而且建筑物內的環(huán)境空氣溫度也降低了。

　　標準推動進步

　　可能阻礙直流微電網采用的一個因素是相對缺乏管理工作電壓、接線、安全和設備互操作性等方面的標準。EMerge 聯(lián)盟發(fā)布的標準旨在解決這一缺陷，其中包括 Occupied Space 標準，該標準規(guī)定了 24 V 的低壓直流配電，適用于為室內照明和小型電器供電（圖 1）。該聯(lián)盟還發(fā)布了數(shù)據/電信中心標準，該標準規(guī)定了更高的 380 V DC電壓為高性能服務器提供更高的電源能力。通過減少配電電流，更高的電壓還有助于降低銅成本。預計會有更多的 Emerge 聯(lián)盟標準，包括在室外空間提供照明和電動汽車充電點等負載的標準。

　　圖 1：Occupied Space 標準設想在天花板上進行低壓直流配電，并適用于現(xiàn)場產生的直??流電的饋入。

　　盡管低壓直流配電非常適合為 LED 照明供電，但沒有針對低壓直流插頭、電纜或輸入插座的機械、安全或保護標準允許低壓直流供電設備上市或易于使用。如果采用直流微電網，它們可能首先僅用于為照明等負載供電，并且可能需要與標準交流單相電壓下的交流室內配電并聯(lián)安裝。

　　《國際工程技術和物理問題雜志》 （IJTPE）中概述的一項計劃建議將交流和直流電網互連，以創(chuàng)建一個混合網絡（圖 2），該網絡可以由公用事業(yè)電源或本地太陽能或風力微型發(fā)電機供電。逆變器處理從直流到電網交流側的能量傳輸，而交流/直流轉換器使公用事業(yè)電源能夠在太陽能電池陣列停止發(fā)電時在需要時為直流總線供電。

　　圖 2：由逆變器和轉換器互連的混合 AC-DC 電網。

　　儲能選項

　　由于可再生能源不一致，可能需要備用電源來幫助穩(wěn)定能源流動并提供應急電源。并網存儲可以是電池陣列，如圖 2 所示，也用于巴斯大學的實驗，但也可以考慮使用其他類型的存儲，例如飛輪或超級電容器陣列。

　　超級電容器具有非常高的功率密度和快速放電能力，可以快速響應短期的高功率需求。充電時間也比電池短得多，其他優(yōu)點包括更長的循環(huán)壽命、更高的可靠性、更低的維護、卓越的溫度穩(wěn)定性和更寬的工作溫度范圍。與普通電解電容器相比，體積效率提高數(shù)千倍，使工程師能夠設計緊湊輕巧的存儲，用于從包含單個超級電容器的板級脈沖或保持電路到適用于微電網備份或其他用途的大型超級電容器組UPS 或電力推進等應用。

　　AVX擁有 SCC 系列等超級電容器，其標稱電壓為 2.7 V，有多種尺寸可供選擇，最大可達 165 mm x 60 mm，電容值從 1 F 到SCCR12B105SRB最高可達 3500 F。在由多個超級電容器組成的陣列中，設備管理器 IC（例如德州儀器 BQ33100）可以為多達五個串聯(lián)的超級電容器提供控制、主動平衡以防止過壓、健康監(jiān)測和保護。與圖 3 中的BQ24640充電器 IC一起使用時，該 IC 通過 SMBus 連接向系統(tǒng)發(fā)送信息，例如單個設備的充電狀態(tài)。

　　圖 3：對小型超級電容器儲能器進行充電和監(jiān)控。

　　要為微電網備份構建大型電容器組，所需的超級電容器數(shù)量取決于所需的能量和輸出電壓。在他們的論文《在微電網系統(tǒng)中的超級電容器儲能應用》中，Gorakhnath、Venkateshwarlu 和 Tukaram 使用以下等式計算了提供 86 W/h 以通過 DC/AC 逆變器為三個 400 V AC相中的每一個供電所需的單元數(shù)量高達 7 千瓦。

　　其中 W ini = 應用所需的能量；C c = 每個超級電容器單元的容量；U Max = 超級電容的最大電壓；d=電壓放電比

　　同樣，滿足電壓要求所需的單元數(shù)量由下式給出：

　　其中 V Min = 組的最小電壓

　　Maxwell Technologies擁有一系列適用于各種備用應用的現(xiàn)成超級電容器組，總電容高達 500 F，電壓范圍為 16 V 至 75 V。其中，BMOD0165 P048的工作電壓為 48 V DC，額定電容為 165 F，可存儲 53 W/h 的能量。

　　結論

　　在家庭或辦公室環(huán)境中，直接使用本地產生的低壓（例如 24 V）電力來為 LED 照明等負載供電是有意義的。通過最大限度地減少 DC/DC 轉換并避免使用逆變器，當?shù)匚㈦娋W可以更好地利用可再生能源來節(jié)省水電費并減少溫室氣體排放。并聯(lián)或混合 AC/DC 網絡是可行的，可能有助于鼓勵低壓直流微電網與現(xiàn)有基礎設施的集成。這些可以使用來自主要公用事業(yè)電源或現(xiàn)場微型發(fā)電機的能量供電，并由電池或大功率電源（如超級電容器組）提供支持。