中国储能网讯：如今，直流（DC）微电网在当今数字网络化、电气化世界中具有许多优势。然而，其在交流电（AC）占主导地位的电网市场的接受方面面临着挑战。

关于电网使用交流电还是直流电的争论可追溯到19世纪80年代，发明家托马斯·爱迪生和科学家尼古拉·特斯拉为此争执不休。

这并不是说人们没有应用直流电。全球范围内的工业、建筑和运输行业领域中使用的大部分的大功率电气设备和机器均采用直流电源，而在家庭和办公室中使用可以兼容直流电的数字设施和设备也是司空见惯的。

此外，风能、太阳能和其他形式的分布式能源都在生产、储存和调度直流电。例如，美国军方对可再生能源和直流微电网相结合带来的好处特别感兴趣。

日前，两位业界领先的美国直流电力支持者就直流微电网有关问题、面临的挑战，以及如何克服这些问题进行了分析与探讨。匹兹堡大学（PITT）斯旺森工程学院电气和计算机工程教授Gregory Reed是该大学能源与能源中心电网研究所所长。Terence Hill则是美国被动式房屋研究所以及EMerge联盟（EMerge Alliance）委员会的成员，EMerge联盟是一个非营利的行业协会，致力于制定标准，并促进直流微电网和电力技术的商业化。

直流微电网的承诺

根据美国能源信息署（EIA）的数据，美国约有5％的电能在从电厂传输到消费者的环节中流失。输电和配电线路并不是完美的导体，因此随着电能的传播，其能量会有所损耗，并且能耗会随着距离的增加而增加。电网能量损失的另一个主要来源是变压器，因为它们将电压降低到安全并且足以满足消费者需求的水平。使用当地电网和直流微电网提供的电能可以显著减少这些能耗。

此外，还有其他一些使用直流电源的原因。EMerge联盟指出，目前固态DC-DC功率转换器的效率约为95％。而一旦将新型宽带隙半导体材料应用在电力设备中，其效率有望进一步提高。

采用DC-DC功率转换器已经解决了在电力传输和分配期间如何升高和降低直流电压的问题，这样做将为远程高压直流输电线路的发展铺平道路。

为直流微电网的发展奠定基础

EMerge联盟正与多个团队合作开发全球低压直流标准，以及照明、电器和直流电表的直流标准。该项目的合作伙伴包括国际电工委员会、电气和电子工程师协会和国家电气制造商协会。Terence Hill表示，其早期计划将建筑物内部的380伏直流电和48伏和24伏的直流电相结合，并包含USB 3.0标准。

“我发现有趣的是，现在大多数电气设备（包括那些包含电子产品的设备）需要采用直流电。此外，太阳能发电和电池储能都涉及直流电，这对我来说，将直流电与被动式房屋设计和建筑结合起来是有意义的。这将导致公用事业负荷大幅减少，同时最大限度地利用住宅太阳能发电。”Hill说。

当今大多数电子产品都使用直流电

Hill说，如果按照被动式房屋原则和设计标准建造，美国房屋的供暖需求和制冷需求平均可分别减少90％和50％。为太阳能光伏发电最大化利用住宅空间将把最佳节能设计的愿景提升到一个新的水平。

他指出，除了减少内部电力负荷（由于电子设备数量的不断增加和使用量的增加而上升）之外，住宅太阳能发电还可以为社区和更广泛的直流微电网提供清洁能源。

他补充道，此外，这将为住宅直流电微电网和微电网网络铺平道路。剩余电力和网络资源（如储能容量）可以被汇总并用于提供当地和更大规模的电网服务。

直流纳米和微电网测试、示范和商业设施正在全球范围内运行。Hill表示，ABB、博世、西门子、施耐德、S＆S、ARDA Power、弗劳恩霍夫、杜克能源在推进直流电和微电网方面处于领先地位。他补充说，总体而言，发展中国家部署直流电方面将做出更多的努力。

直流电微电网面临的挑战

“然而，直流电前沿技术的进展比人们预期的要慢。其比较突出的挑战是缺乏足够的资金来获得有关直流电价值的信息，特别是在美国，在我看来似乎没有动力成为像发展中国家开发直流电那样的巨大市场。”Hill说。

“我读到的一篇文章表明，目前全球有30亿人没有稳定可靠的电能，其中13亿人无电可用，7亿人使用间歇性电力，10亿人仍然在使用化石燃料。我知道欧洲和中国都在关注这一点，但显然不是美国。”他补充道。

Gregory Reed表示，另一个问题是直流电缺乏行业标准，或者说是缺乏专有标准。Reed曾担任Emerge联盟首席科学顾问。他表示，鉴于直流电的复杂性、广泛的应用范围和涉及的市场参与者数量，制定标准必然是一个缓慢、渐进和艰苦的过程。

建立电压标准是Emerge联盟和其他组织正在努力解决的主要问题之一。例如，电力需求随着发电机和跨越不同距离电网的电力而变化，然后再向下游供电给公共基础设施、工业厂房、商业设施、办公楼、商店、家庭等，而这些场合的电力需求也不同。

“通过采用直流电，其电力测量将与目前的测量有所不同。没有标准确切地说明它是如何工作的。直流电模式下的消费准确度必须恰到好处，以便公用事业公司向客户收取费用。这只是我们正在研究的问题之一。”Reed说。

直流电源系统的电压标准化问题具有更广泛的意义。“直流电的方式如何与120V/60Hz交流电并行？它们的直流电压是380V、24V、12V？可能没有一个等效的标准。人们可能会得到几个不同的数字，也许比采用直流电的照明电压标准还要低。”Reed解释说。

缺乏经过认证的直流电源设备、家用和消费类设备以及缺乏训练有素的经验丰富的专业人员是直流电支持者正在努力解决的其他关键问题。

“如果说想建立一个全直流微电网或电力系统，人们将会发现，很难让建筑师、电工和建设人员确定并参考指定如何完成工作的内容和标准。我们正在解决这些问题，但仍有许多工作要做。”Reed说。

乐观的前景

直流电技术的支持者仍然乐观地认为，直流电最终会在电网和电力系统中与交流电展开竞争。他们强调直流电源系统在长距离传输电能时可以提供更高的能源效率和其他优势，以及具有推动可持续能源议程的潜力。

直流微电网和电力系统是匹兹堡大学（PITT）的能源和电网研究所参与的几个具有里程碑意义的项目的核心。也许最值得注意的是，这包括匹兹堡计划开发美国第一个全城微电网。

能源民主之路

Hill是Emerge联盟成员，并且是美国被动房研究所的董事会成员，对直流电微电网和电力系统有着广泛的见解。

“我对直流电寄予厚望，我正在尽我所能来推广直流电和混合微电网这两个概念。”他说，“我还加入了高性能核心团体联盟（HPCCC），我们一直在敦促参议院在能源法案中涉及直流电，这也许会在听证会获得表决。该法案中有一节涉及混合微电网，HPBCCC建议增加直流电。迄今为止，唯一公开发表的关于直流电的想法是Murkowski议会议长在最近关于波多黎各电网的一次听证会上发表的声明。”

为了支持Hill的信念，Emerge联盟正在开发被动式住房的直流电气系统标准，其最终目标不亚于建筑部门的低碳化。被动式房屋的概念起源于德国，并已发展成为设计和建造房屋和其他建筑物的自愿性标准，这些建筑物使用最少量的能源，并具有最小的生态足迹。

“想象如下：一个城市/城镇街区的所有住宅全部建成新的或改造后的公用设施，达到被动式住宅标准（加热能耗减少90％，从目前的ICC标准减少50％），每个住宅都部署太阳能发电和储能设施，以及直流基础设施，这其中包括直流设备和住宅、可再生直流快速充电器、通过直流岛屿式微电网连接。”Hill说。

“构建将能源生产商和消费者从住宅到当地公用事业，甚至州和地区电网层面的对等微电网网络，可以为消除能源贫困、建立能源民主的路线图，并确定布局铺平道路，将会大大提高了电网安全性和弹性。”Hill总结道。（中国储能网独家编译，转载请注明来源，违者必究）