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发电和使用的变化加强直流配电案例

助工
2018-09-03 16:38:52    评分

越来越迫切需要尽可能高效地利用能源,再加上从包括可再生能源在内的各种能源发电的需求,正在引起人们对长距离和建筑物内直流配电的兴趣日益浓厚。


AC与DC分布:冲突与共存

尼古拉·特斯拉在引领世界电网采用高压交流配电的争论中对托马斯·爱迪生的胜利可能是短暂的:仅仅约130年后,技术钟摆可能会回归有利于高压直流电(HVDC) )分配。

尽管存在一些不完善之处,但在19世纪80年代后期,交流配电被认为是更好的经济和实用主张。在高电压下进行长距离电力传输以最小化I2R损耗,并且在使用AC操作的变压器比使用产生高DC电压所需的旋转机器更容易实现所需的升压时。即便在那时,合适的变压器也更小,更便宜,更可靠。

20世纪初汞基整流器的出现,随后是高压,大电流固态晶闸管和最近的IGBT模块(图1),高直流电压的产生变得更加简单,从而充分利用了高压直流输电的优势分发更容易获得和吸引力。

 

图1:现代功率半导体,如高压,大电流IGBT模块,增强了HVDC传输的经济性和可靠性。图片由英飞凌提供

 

HVDC可以克服在高AC电压下分配电力时遇到的一些缺点。HVDC传输距离和容量不受诸如充电电流的电感和电容效应的限制。此外,整个电缆横截面可用于支持电流,因为没有集肤效应。此外,AC电源不允许在以不同频率操作的网络之间或者网络不能同步的情况下传输电力。此外,对不稳定或不合适的电力流动的担忧可能会阻止建立新的连接。

今天,高压直流输电在世界各地的众多配送项目中都很活跃,例如纳米比亚卡普里维连接线和中国的  三峡 - 广东连接线等900多公里的长距离链路,以及各种跨境和交叉 - 连接欧洲,新西兰,日本岛屿和其他地方。背靠背HVDC连接也被广泛安装,作为在AC电网之间共享电力的稳定且方便的手段。

 

明天网格中的高压直流输电

高压直流配电可能变得更加普遍,因为环境驱动的发电政策变化推动了向分布式发电供应的混合基础设施的发展,这些基础设施包括被称为智能电网的各种类型的电网。  

发电正在从依赖于少量大型化石燃料发电站的集中式模型转变为包含各种来源,例如风能或太阳能发电场产生的能源。来自风力涡轮机的原始输出具有不稳定的电压和频率,因此通常被转换为DC以促进稳定,然后被重新转换为所需的AC频率和电压以用于馈入电网。类似地,PV阵列的DC输出必须转换为具有正确电压和频率的AC,然后才能放入电网。

随着对非化石燃料能源的依赖性增加,发电越来越分散,因为太阳能和风电场安装在天然有利的位置,小型本地风力发电机或太阳能发电机 - 微型发电机 - 可以在商业或住宅场所使用。虽然有时会提供慷慨的上网电价来鼓励业主向公用事业公司出售任何未使用的电量,但这些电价并不需要与电网连接。

随着发电向私有微型发电机的分布式模型发展,无论是连接到主电网还是其他方式,微电网的概念正在出现(图2)。微电网结合了本地化的电源和负载组,可以作为岛或在与主电源基础设施或宏电网同步和连接时进行控制和管理。微电网可以提供多种优势,包括减少温室气体排放,降低最终用户的公用事业费用,以及分担现代化或升级当地电力基础设施成本的手段。微电网存在于智能电网的概念中,有助于实现其关键目标,如稳定性,可靠性,

 

图2:微电网可以从各种电源供电,并连接到主电网或孤岛。图片由Berkeley Lab提供,

 

改变直流微电网的消费争论

除了配电基础设施发生的变化外,电力用户的电力需求也发生了重大变化,因为早期的电力分配决策已经做出。整体电力需求不仅稳步上升,而且典型家庭和企业所用设备的性质也发生了变化。

在20世纪下半叶的大部分时间里,即使是最先进的家庭中的电力也主要由交流电白炽灯和少量电器消耗,如洗衣机,冰箱和含大型AC的洗碗机。感应电动机。相比之下,在今天的家庭中,转向LED照明,这是一种固有的直流供电技术,以及包含变速驱动器的新型和更节能的设备,这些驱动器具有较小的,有时是刷式或无刷直流电机。现在还有大量的电子设备,如PC,路由器,游戏机和机顶盒,可通过内部或外部AC / DC电源供电。许多其他设备,如平板电脑,智能手机或无绳电动工具,虽然电池供电,在低直流电压下充电。今天的家庭拥有比以往更多的电气和电子设备,每个都包含自己的电路,可以在使用时将标准高压交流电源转换为合适的低直流电压。

住宅不是唯一一个电力消耗主要由低压直流供电设备主导的房屋。位于当今数字经济核心的电信交换机和数据中心是现代世界最大的电力消费者之一。一个数据中心可以消耗与数千个家庭一样多的能量,但目标是为电压低至1V或更低的DC轨道供电。

在永无止境的搜索中,为了最大限度地提高效率并尽可能消除任何能量损失,在电源转换期间,AC和DC之间以及不同DC电压之间产生的损失正受到越来越严格的审查。数据中心行业中的一些人主张将HVDC分配作为在场所内分配电力的最有效方法。

 

图3:数据中心的传统AC分配 涉及多个转换步骤。图片由Vicor提供

 

传统的数据中心配电策略(图3)最初逐步降低和整流输入的交流线路电源,以便与电池备份系统互连。然后将该网络的输出(通常为48V DC)转换为大约200V的AC电压,以便在建筑物内分配。在机柜级,这种高压交流电源经过整流和下变频,转换为中间直流电压,并最终在负载点进行转换,为服务器主板上的处理器和其他集成电路提供所需的电源轨。或者,来自高压AC / DC电源和电池备用网络的输出(通常为48V DC)分布在整个数据中心,然后通过服务器板上的中间和负载点转换器的组合进行转换ICfans。

随着数据中心电力需求的持续增长,人们越来越关注通过多个电源转换阶段所损失的能量。在48V直流系统中,当提供峰值功率消耗超过1kW的最新服务器时,I2R损耗相当大。虽然继续讨论如何使交流配电系统更高效,但在380-400V电压下的高压直流配电有望降低I2R损耗,同时还可消除直流 - 交流逆变器及其相关损耗。线电压输入的交流电源经过整流后转换为380-400V的高直流电压。在非常低的电流下,可以在该高电压下分配大量功率,从而导致最小的能量损失。然后在机柜中使用直接的DC-DC转换降低高压。

数据中心行业内的这种趋势正在加强有利于建筑物内直流配电的情况。EMerge联盟正在支持商业建筑中直流配电的发展,并制定旨在使混合交流和直流基础设施最大限度地提高灵活性以及有效利用能源和空间的标准。该联盟已发布了占用空间内24V DC分配标准,以及数据中心(图4)和电信局的混合AC和380V DC分布标准。

 

图4:Emerge Alliance已经为数据中心的高压直流配电制定了标准图片由  EMerge Alliance提供

 

24V DC标准提出了一种室内微电网,用于为照明,PC,投影仪或电视等负载供电。到目前为止,已有60多家知名厂商注册产品,包括LED灯,荧光灯镇流器,架空风扇,转换器,控制单元和布线产品。该联盟还在制定直流微电网标准,以便在室外空间(如外部照明和电动汽车充电器)中提供负载。此外,380V DC可用于为大型建筑物负载(例如HVAC系统,工业设备和高棚照明)以及家用电器(例如烤箱和洗衣机或带有变速驱动器的干燥机)供电。

 

结论

交流和直流分配技术之间的较量,通常被认为是AC在电气时代初期赢得的一场战斗,事实上已经演变为和平共存,因为工程师已经开发出技术,可以根据需要利用这两种方法的优势任何给定的申请。

随着发电政策转向整合更多可再生能源和微型发电,在长距离,甚至在局部区域或整个建筑物内以380V或24V等电压进行直流分配可能会变得更加普遍,并且最终 - 用户需求继续转向低压电子设备。这可能会鼓励广泛采用直流微电网,这反过来可以推动从家用电子产品和个人电脑到电池充电器和电源适配器以及墙壁插座和灯开关的各种设备的重新设计。




关键词: 直流配电     半导体     ICfans    

管理员
2018-09-04 09:37:32    评分
2楼

谢谢楼主分享


专家
2018-09-07 23:34:39    评分
3楼

    用户端的直流供电大有可为,谁早涉足这块,谁将早获收益。只是需要认真的市场调查,找准用户需求。


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