除了在特斯拉和西屋公司臭名昭著的“潮流戰(zhàn)爭”中支持直流配電外，托馬斯愛迪生還對能源供應(yīng)和可持續(xù)發(fā)展提出了與當(dāng)今正在制定的政策驚人相似的觀點(diǎn)。他贊成使用能夠最大限度地減少直流輸電損耗的本地發(fā)電，并對利用風(fēng)能，太陽能和潮汐等可再生能源的前景著迷。

今天，當(dāng)然，人們越來越關(guān)注化石燃料的未來及其對環(huán)境的影響正在引導(dǎo)決策者關(guān)注可再生能源。此外，隨著技術(shù)進(jìn)步使小型光伏陣列和風(fēng)力渦輪機(jī)在企業(yè)，小型農(nóng)場和一些房主的財(cái)務(wù)范圍內(nèi)，本地發(fā)電 - 無論是連接到主電網(wǎng)還是孤島 - 已經(jīng)變得實(shí)用且經(jīng)濟(jì)可行。這些發(fā)電機(jī)的輸出通常為直流，必須先將其轉(zhuǎn)換為適當(dāng)頻率和電壓的交流電，然后才能輸入本地電源。用于實(shí)現(xiàn)此目的的功率調(diào)節(jié)電路消耗了珍貴收獲能量的百分之幾。如果可以消除對直流到交流逆變器的需求，可以節(jié)省能源。

自愛迪生時(shí)代以來，用電量大幅增加;特別是，通過越來越多地使用諸如PC，移動(dòng)充電器，平板電視和小型辦公設(shè)備之類的設(shè)備，這些設(shè)備基本上是直流供電系統(tǒng)。此外，白熾燈照明正在逐步取消，有利于直流供電的LED替代品。傳統(tǒng)上包含交流感應(yīng)電機(jī)（如洗衣機(jī)或冰箱）的設(shè)備中的節(jié)能變頻驅(qū)動(dòng)器現(xiàn)在將AC線路電源轉(zhuǎn)換為DC，然后以正確的頻率重建AC波形以實(shí)現(xiàn)所需的電機(jī)速度。從長遠(yuǎn)來看，插電式混合動(dòng)力或電動(dòng)汽車的廣泛使用前景將進(jìn)一步將需求平衡轉(zhuǎn)向本機(jī)直流負(fù)載，可通過直流電源更高效地運(yùn)行，無需交流/直流電源在輸入端。電力研究所（EPRI）估計(jì)，直接使用現(xiàn)場可再生能源而不轉(zhuǎn)換為交流電的效率可能高達(dá)15％。

然而，今天的交流電網(wǎng)代表著巨大的投資在設(shè)備和技術(shù)方面。此外，目前使用的大量電器設(shè)計(jì)為從高壓交流電源供電，并且需要適應(yīng)從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(shí)際的。

建立直流微電網(wǎng)

另一方面，增量變化可能會(huì)在可能出現(xiàn)的地區(qū)引入直流配電的優(yōu)勢。最容易訪問。小型DC微電網(wǎng)可用于通過以最小的轉(zhuǎn)換損耗為諸如LED照明或其他DC設(shè)備的負(fù)載供電來增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)AC線路電源。這為擁有自己的太陽能或風(fēng)力微型發(fā)電機(jī)的辦公室或家庭等物業(yè)提供了機(jī)會(huì)，可以有效利用可再生能源，同時(shí)減少水電費(fèi)和環(huán)境足跡。

隨著今天的配電網(wǎng)和設(shè)備變得更加智能并獲得處理需求側(cè)管理和平衡的智能，DC微電網(wǎng)可以通過在獨(dú)立供電時(shí)從主電網(wǎng)移除負(fù)載來成為整體智能電網(wǎng)策略的組成部分，當(dāng)本地能源耗盡時(shí)重新連接。微電網(wǎng)還可以通過逆變器連接到主電網(wǎng)，從本地微型發(fā)電機(jī)輸入任何多余的能量。

巴斯大學(xué)已經(jīng)實(shí)施了它聲稱的英國第一個(gè)本地DC網(wǎng)絡(luò)為校園圖書館供電。在為期六個(gè)月的實(shí)驗(yàn)中，50臺特別改裝的個(gè)人電腦直接由直流電源供電，LED照明也由直流微電網(wǎng)供電。此外，還安裝了一系列直接從DC微電網(wǎng)充電的備用電池，以便在公用電源中斷的情況下為照明和計(jì)算機(jī)供電。由于該實(shí)驗(yàn)旨在研究室內(nèi)低壓直流配電，因此能源來自標(biāo)準(zhǔn)交流電網(wǎng)而非本地可再生電源。前端的單個(gè)AC/DC轉(zhuǎn)換器有效地替換了磁帶庫計(jì)算機(jī)中的各個(gè)AC/DC電源，從而消除了多組轉(zhuǎn)換損耗，從而提高了整體效率。大學(xué)聲稱圖書館的總能耗減少了一半，相當(dāng)于每年節(jié)省25,000英鎊，建筑物的環(huán)境空氣溫度也降低了。

標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)進(jìn)展

可能阻礙采用直流微電網(wǎng)的一個(gè)因素是相對缺乏管理諸如工作電壓，接線，安全性和設(shè)備互操作性等方面的標(biāo)準(zhǔn)。 EMerge聯(lián)盟發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)旨在解決這一缺陷，并包括占用空間標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了24 V的低壓直流配電，適用于為室內(nèi)照明和小家電供電（圖1）。該聯(lián)盟還發(fā)布了數(shù)據(jù)/電信中心標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了更高的380 VDC電壓，為高性能服務(wù)器提供更高的功率。較高的電壓還可以通過降低分配電流來降低銅的成本。預(yù)計(jì)還會(huì)有更多的EMerge聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)，包括在室外空間提供照明和EV充電點(diǎn)等負(fù)載的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1：占用空間標(biāo)準(zhǔn)設(shè)想在天花板一級采用低壓直流配電，適用于現(xiàn)場產(chǎn)生的直流電源的饋電。

雖然低壓直流配電非常適合為LED照明供電，但低壓直流插頭，電纜或輸入插座沒有機(jī)械，安全或保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，可以銷售低壓直流供電設(shè)備或容易使用。如果采用直流微電網(wǎng)，它們可能僅用于為首次照明等負(fù)載供電，并且可能需要與標(biāo)準(zhǔn)交流單相電壓的交流室內(nèi)配電并聯(lián)安裝。

“國際工程技術(shù)和物理問題雜志”（IJTPE）中概述的方案建議將交流和直流電網(wǎng)互連，以創(chuàng)建一個(gè)混合網(wǎng)絡(luò)（圖2），該網(wǎng)絡(luò)可以通過公用電源或本地太陽能或風(fēng)能供電 - 動(dòng)力微型發(fā)電機(jī)。逆變器處理從電網(wǎng)的直流到交流側(cè)的能量傳輸，而當(dāng)太陽能電池陣列停止發(fā)電時(shí)，交流/直流轉(zhuǎn)換器使公用電源能夠在需要時(shí)為直流母線供電。

圖2：通過逆變器和轉(zhuǎn)換器互連的混合AC-DC電網(wǎng)。

能量存儲選項(xiàng)

因?yàn)榭稍偕茉床灰恢拢赡苄枰獋浞輥韼椭€(wěn)定能量流并提供應(yīng)急電源。并網(wǎng)存儲器可以是電池陣列，如圖2所示并且也用于巴斯大學(xué)實(shí)驗(yàn)，但是可以考慮其他類型的存儲器，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(yīng)高，短期的電力需求。充電時(shí)間也比電池短得多，其他優(yōu)點(diǎn)包括更長的循環(huán)壽命，更高的可靠性，更低的維護(hù)，更高的溫度穩(wěn)定性和更寬的工作溫度范圍。與普通電解電容相比，體積效率提高了數(shù)千倍，使工程師能夠設(shè)計(jì)緊湊，輕便的存儲，用于從包含單個(gè)超級電容器的板級脈沖或保持電路到適用于微電網(wǎng)備份或其他的大型超級電容器組。諸如UPS或電力推進(jìn)等應(yīng)用。

AVX擁有超級電容器，如SCC系列，其標(biāo)稱電壓為2.7 V，可提供各種尺寸，最大165 mm x 60 mm，電容值來自對于SCCR12B105SRB，最高可達(dá)3500 F。在由多個(gè)超級電容器組成的陣列中，德州儀器BQ33100等設(shè)備管理器IC可提供控制，主動(dòng)平衡，以防止過壓，健康監(jiān)控和最多五個(gè)保護(hù)超級電容器串聯(lián)連接。與圖3中的BQ24640充電器IC配合使用時(shí)，IC通過SMBus連接向系統(tǒng)發(fā)送各個(gè)器件的充電狀態(tài)等信息。

圖3：為小型超級電容器儲能器充電和監(jiān)控。

要為微電網(wǎng)備份構(gòu)建大型電容器組，所需的超級電容器數(shù)量取決于能量和所需的輸出電壓。在他們的論文“超級電容器儲能在微電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用”中，Gorakhnath，Venkateshwarlu和Tukaram使用以下公式來計(jì)算提供86 W/h所需的單元數(shù)，以便通過DC/AC逆變器為三個(gè)400 VAC相中的每一個(gè)供電到7千瓦。

其中Wini =應(yīng)用程序中所需的能量; Cc =每個(gè)超級電容器單元的容量; UMax =超級電容器的最大電壓; d =電壓放電比

同樣，滿足電壓要求所需的單位數(shù)由下式給出：

其中VMin =銀行的最低電壓

Maxwell Technologies擁有一系列現(xiàn)成的超級電容器組件，適用于各種后備應(yīng)用，總電容高達(dá)500 F，覆蓋電壓范圍為16 V至75 V.在這些電池組中，BMOD0165 P048的工作電壓為48 VDC，額定電容165 F，可存儲53 W/h的能量。

結(jié)論

在24 V等低電壓下直接使用本地發(fā)電在家庭或辦公室環(huán)境中有意義為LED照明等負(fù)載供電。通過最小化DC/DC轉(zhuǎn)換并避免使用逆變器，本地微電網(wǎng)可以更好地利用可再生能源來節(jié)省電費(fèi)并減少溫室氣體排放。并聯(lián)或混合AC/DC網(wǎng)絡(luò)是可行的，并且可以幫助鼓勵(lì)低壓DC微電網(wǎng)與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的集成。這些可以使用來自主要公用設(shè)施電源或現(xiàn)場微型發(fā)電機(jī)的電力供電，由電池或高功率電源（如超級電容器組）支持。