简介
我们习惯于从墙上插座接通交流电（AC），但情况并非总是如此。在电力发展的早期，直流电（DC）也被广泛使用。爱迪生和特斯拉之间的交流电与直流电之争的历史有据可查[1]，特斯拉的交流电解决方案最终被全世界所接受。如今，多变的工业环境要求供电解决方案具有前所未有的灵活性和效率，直流电正重新成为一种选择，尤其是许多绿色能源系统，如太阳能电池板和家用蓄电池，都采用直流电供电。
直流微电网电源系列 RACPRO1：真正适用于工业自动化的通用电源
2025-1-20
根据应用需求、安全性和历史等因素，建筑物内的主配电系统因电压等级和规格而异。对于交流配电，额定电压和频率是关键，全球标准影响着不同的电压等级。
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楼宇配电中的交流电与直流电
说到楼宇中的主配电系统，人们会发现有各种不同的电压等级、规格、外形尺寸和公差。确定交流或直流配电要求的大部分逻辑都是基于应用需求、安全性、经济性、历史以及理想的实用性。即使我们只讨论交流配电，也有许多不同的电压等级/范围是由各种全球标准决定的。定义电压母线的最基本特征是其额定电压和频率特性（最大电流更适用于确定导线、基础设施等的大小）。图 1 简要概述了全球交流电源[2]。
图 1：各国（尤其是欧洲大陆）的主要电力，公共领域，https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8781813
提供独立于主电源的稳定、调节良好的栅极电压电源是隔离式 DC/DC 转换器的另一个优点。在典型的栅极驱动电路中，主电源通过线性稳压器或自举电路获得栅极电压。线性稳压器虽然实施简单，但当输入和输出电压相差较大时，效率往往较低，功率耗散也较大。功率耗散过大会导致热管理问题，可能需要额外的散热器或冷却解决方案。另一方面，自举电路依靠电荷泵机制在半桥配置中提供高压侧晶体管的栅极电压。因此，要仔细确定自举电容器的大小，以确保有足够的电荷在整个导通时间内驱动晶体管的栅极。占空比和开关频率会影响电路性能，导致电压骤降和不稳定。
图 1：各国（尤其是欧洲大陆）的主要电力，公共领域，https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8781813
提供独立于主电源的稳定、调节良好的栅极电压电源是隔离式 DC/DC 转换器的另一个优点。在典型的栅极驱动电路中，主电源通过线性稳压器或自举电路获得栅极电压。线性稳压器虽然实施简单，但当输入和输出电压相差较大时，效率往往较低，功率耗散也较大。功率耗散过大会导致热管理问题，可能需要额外的散热器或冷却解决方案。另一方面，自举电路依靠电荷泵机制在半桥配置中提供高压侧晶体管的栅极电压。因此，要仔细确定自举电容器的大小，以确保有足够的电荷在整个导通时间内驱动晶体管的栅极。占空比和开关频率会影响电路性能，导致电压骤降和不稳定。
仔细观察全球电压水平，可以得出 50 Hz 或 60Hz 时的总体电压范围为 100-240VAC，这让人相信，如果我们有一个能够支持全部电压/频率范围的单个电源，那么它就能普遍兼容任何交流电源，但事实并非如此。请参阅下面的电源安全标签示例图片，您可以在图 2 中找到任何经过认证、可运输的国际解决方案。
希望支持尽可能广泛的范围似乎很自然，但是对于生活中的任何事情（特别是电源），我们必须做出权衡，以便针对给定的应用程序或使用空间优化解决方案。在所有设计中都必须考虑到非理想情况的容差。就电压而言，这可能与过压场景的保护（除了保护设备外，通常还与人身安全有关），欠压场景（最大限度地延长正常运行时间，也用于设备保护）以及多相解决方案中的相电流平衡有关。对于线路频率，这可能与电能质量和电网稳定性有关。如何实现这些保护/机制以及为什么实现这些保护/机制超出了本讨论的范围，但是在RECOM“AC/DC知识之书：用户实用技巧”[3]文档中有广泛的介绍。
当我们采用±10%的通用公差数字时，很快就会发现我们如何定义90-264VAC， 47-63Hz的通用范围，这在许多电源安全标签上都可以看到。这仅仅是一个快速的例子来演示我们如何从这么多的国际标准中获得更多的通用支持，但这是非常一般的，并没有深入到任何给定的主要规范的动机。还有其他特定于军事和/或工业应用的支持范围，例如飞机/船舶电源的400Hz标准。多个单电压源也可以通过相角分离，以最大限度地提高功率输出，同时最小化电流，这可以在三相交流系统中看到。
最终，大多数终端系统和负载都将使用直流电源（交流电机是个明显的例外），这就是为什么直流电压电源的标准比交流电源还要多，尽管通常不用于设施/建筑规模的配电。高压被定义为 >1,000/1,500V（分别为交流/直流），但出于安全目的（人体接触），几乎所有 >=60VDC 的电压都被视为更高电压，也被称为安全超低电压（SELV）。虽然对于通常所说的高压数据中心（HVDC，不要与直流电混淆）没有统一的标准（实际上全球有许多标准），但在 300-400VDC 范围内有许多不同的标准来要求配电架构。
其逻辑是，如果服务器/网络硬件和支持基础设施的设计都是为了支持带有功率因数校正（PFC [4]）AC/DC 电源的通用 AC 输入，那么所有相同的设备都可以处理从整流的 AC 输入波形中得到的直流电压，从而证明减少转换级（以及取消转换级所带来的所有好处）是合理的。24VDC 配电系统常见于带有小型继电器/断路器/电机的工业环境，以及针对标准机械外形尺寸（如 DIN 导轨 [5] 标准）进行优化的较小系统。其他著名的直流配电包括通用串行总线（USB，5-20VDC）和以太网供电（PoE，44-57VDC），也是在混合电缆中将电源和数据导体结合在一起。
设施主配电电压的选择受到许多因素的影响，这些因素分别与资本支出和运营支出（CAPEX/OPEX）的决策有关，而不仅仅是什么设备应该接入主配电电压。安全几乎始终是决定配电架构的关键因素，必须根据操作人员暴露的最坏情况预期、导体与导体之间的间距以及运行环境的限制因素加以考虑。合并配电总线结构在简化设备采购（资本支出）和有效利用设备/机器（运营支出）方面具有许多优势。从上游源（如公用电网、储能等）到终端负载（如系统、专用集成电路、电机等）的转换阶段越少，在简化设备采购和利用规模经济方面就越有优势。共性还有助于缓解净负荷动态，通过降低不可预测性来优化能效，从而提高智能电源管理（IPM [6]）技术的应用机会。
共用水管或配电系统的好处远不止这些，但在其他一些类别中也应得到认可。有了更可预测的维护计划和更少的需要管理的零件编号，就能大大节省短期和长期开支。减少需要更换/管理的部件数量具有许多明显的优势，从节省用户的使用周期到减少更换部件的管理费用和运输成本。
在我们向智能楼宇和未来工厂转型的过程中，利用通用外形尺寸实现可配置性和灵活变化的最佳组合是成功的关键。从质量的角度来看，当系统（尤其是组件和电机）能够在更受限制、更可预测的运行/环境条件和维护周期下运行时，它们的使用寿命会更长。这些一阶效益会带来大量的二阶效益，具体取决于分析的深度。例如，共用配电可减少昂贵的备用电源和/或储能解决方案，否则这些解决方案将需要充当中间电压的能量缓冲器。如果整个电力输送解决方案在输入输出功率换向方面的效率只提高了几个百分点，那么从负载点到发电厂的所有环节节省的资本支出都是合理的。
希望支持尽可能广泛的范围似乎很自然，但是对于生活中的任何事情（特别是电源），我们必须做出权衡，以便针对给定的应用程序或使用空间优化解决方案。在所有设计中都必须考虑到非理想情况的容差。就电压而言，这可能与过压场景的保护（除了保护设备外，通常还与人身安全有关），欠压场景（最大限度地延长正常运行时间，也用于设备保护）以及多相解决方案中的相电流平衡有关。对于线路频率，这可能与电能质量和电网稳定性有关。如何实现这些保护/机制以及为什么实现这些保护/机制超出了本讨论的范围，但是在RECOM“AC/DC知识之书：用户实用技巧”[3]文档中有广泛的介绍。
当我们采用±10%的通用公差数字时，很快就会发现我们如何定义90-264VAC， 47-63Hz的通用范围，这在许多电源安全标签上都可以看到。这仅仅是一个快速的例子来演示我们如何从这么多的国际标准中获得更多的通用支持，但这是非常一般的，并没有深入到任何给定的主要规范的动机。还有其他特定于军事和/或工业应用的支持范围，例如飞机/船舶电源的400Hz标准。多个单电压源也可以通过相角分离，以最大限度地提高功率输出，同时最小化电流，这可以在三相交流系统中看到。
最终，大多数终端系统和负载都将使用直流电源（交流电机是个明显的例外），这就是为什么直流电压电源的标准比交流电源还要多，尽管通常不用于设施/建筑规模的配电。高压被定义为 >1,000/1,500V（分别为交流/直流），但出于安全目的（人体接触），几乎所有 >=60VDC 的电压都被视为更高电压，也被称为安全超低电压（SELV）。虽然对于通常所说的高压数据中心（HVDC，不要与直流电混淆）没有统一的标准（实际上全球有许多标准），但在 300-400VDC 范围内有许多不同的标准来要求配电架构。
其逻辑是，如果服务器/网络硬件和支持基础设施的设计都是为了支持带有功率因数校正（PFC [4]）AC/DC 电源的通用 AC 输入，那么所有相同的设备都可以处理从整流的 AC 输入波形中得到的直流电压，从而证明减少转换级（以及取消转换级所带来的所有好处）是合理的。24VDC 配电系统常见于带有小型继电器/断路器/电机的工业环境，以及针对标准机械外形尺寸（如 DIN 导轨 [5] 标准）进行优化的较小系统。其他著名的直流配电包括通用串行总线（USB，5-20VDC）和以太网供电（PoE，44-57VDC），也是在混合电缆中将电源和数据导体结合在一起。
设施主配电电压的选择受到许多因素的影响，这些因素分别与资本支出和运营支出（CAPEX/OPEX）的决策有关，而不仅仅是什么设备应该接入主配电电压。安全几乎始终是决定配电架构的关键因素，必须根据操作人员暴露的最坏情况预期、导体与导体之间的间距以及运行环境的限制因素加以考虑。合并配电总线结构在简化设备采购（资本支出）和有效利用设备/机器（运营支出）方面具有许多优势。从上游源（如公用电网、储能等）到终端负载（如系统、专用集成电路、电机等）的转换阶段越少，在简化设备采购和利用规模经济方面就越有优势。共性还有助于缓解净负荷动态，通过降低不可预测性来优化能效，从而提高智能电源管理（IPM [6]）技术的应用机会。
共用水管或配电系统的好处远不止这些，但在其他一些类别中也应得到认可。有了更可预测的维护计划和更少的需要管理的零件编号，就能大大节省短期和长期开支。减少需要更换/管理的部件数量具有许多明显的优势，从节省用户的使用周期到减少更换部件的管理费用和运输成本。
在我们向智能楼宇和未来工厂转型的过程中，利用通用外形尺寸实现可配置性和灵活变化的最佳组合是成功的关键。从质量的角度来看，当系统（尤其是组件和电机）能够在更受限制、更可预测的运行/环境条件和维护周期下运行时，它们的使用寿命会更长。这些一阶效益会带来大量的二阶效益，具体取决于分析的深度。例如，共用配电可减少昂贵的备用电源和/或储能解决方案，否则这些解决方案将需要充当中间电压的能量缓冲器。如果整个电力输送解决方案在输入输出功率换向方面的效率只提高了几个百分点，那么从负载点到发电厂的所有环节节省的资本支出都是合理的。
分布式能源资源（DER）改变格局
分布式能源资源（DER [7]）并不是一个新概念，但在现代意义上已被采用，以实现向更可持续的世界过渡。其理念是将许多较小的、模块化的、整体公用事业解决方案模块（即能源、配电、转换、存储等）集中在一起进行控制和使用，这也被称为微电网。
DERs 微电网的典型特征是能够完全独立运行（称为 “独立 ”或 “孤岛 ”模式），或者在并网时也能兼容（注：“兼容 ”一词非常宽泛，在此特意选用，因为兼容性的程度可能需要对硬件兼容性和地区监管要求进行大量讨论）。
将昔日的电网转变为未来智能电力管理的智能电网的大部分技术已经存在，并已存在多年，但大多数国家政府，甚至是最发达的国家，似乎仍未意识到进行多代转变，升级公用事业规模的电力基础设施所需的宏观经济动机。光伏（PV）太阳能电池板的商业化应用已有近 50 年的历史，但充分利用双向电力管理流的电网基础设施却是一个较新的概念。遗憾的是，对先进储能技术的投资往往落后于对负荷侧（更快、更便宜的系统）的投资。
DERs 微电网的典型特征是能够完全独立运行（称为 “独立 ”或 “孤岛 ”模式），或者在并网时也能兼容（注：“兼容 ”一词非常宽泛，在此特意选用，因为兼容性的程度可能需要对硬件兼容性和地区监管要求进行大量讨论）。
将昔日的电网转变为未来智能电力管理的智能电网的大部分技术已经存在，并已存在多年，但大多数国家政府，甚至是最发达的国家，似乎仍未意识到进行多代转变，升级公用事业规模的电力基础设施所需的宏观经济动机。光伏（PV）太阳能电池板的商业化应用已有近 50 年的历史，但充分利用双向电力管理流的电网基础设施却是一个较新的概念。遗憾的是，对先进储能技术的投资往往落后于对负荷侧（更快、更便宜的系统）的投资。
图 3：集中式发电（左）与分布式发电（右），按时间顺序比较，制图： Bartz/Stockmar, CC BY 4.0
储能在关键能源备份和间歇性能源（如风能或太阳能）经济最大化等多个用例中的应用，也迫使人们以新的思维来考虑升级现有资源，并为可预见的未来创建面向未来的设施。DER 的模块化特性意味着任何储能需求都可以根据应用情况进行适当调整，并从大宗需求中分离出来。
此外，这应适用于储能实施的不同方面。例如，储能可以提供纯粹的经济功能，在风力和阳光充足、实时能源成本较低时储存多余的可再生能源，然后等待成本较高时将其卖回给运营商。此外，还有更为传统的关键能源备份功能和新兴功能，例如用于 “削峰填谷 ”或利用本地化存储服务于不频繁的能源峰值，从而使整体基础设施（如 “虚拟发电厂”）的设计更趋向于最大稳态，而非绝对的最大峰值（具有非常显著的 CAPEX 和 OPEX 节约潜力）。
DER 有能力彻底颠覆我们今天所了解的电力公用事业的经济性。传统上，电网能源在一天中的时间关系遵循所谓的 “鸭子曲线”[8]，因为在一天的开始和结束时，峰值的双峰分布形成了类似鸭背的形状。电力经济学认为，一天中的这些时间点会出现需求高峰，而中间则会出现低谷。如果所有设备都变得 “智能”，能够在曲线的间歇期优化其能源利用率，会发生什么情况呢？从控制系统的角度来看，这最终会成为一个悖论。鸭子曲线原本可预测的特性，将让位于大量负载可以等待传统的空闲期，而一旦聚集到足够多的负载，鸭子曲线就会直接翻转！这对动态能耗有何影响？这对电力成本每小时根据需求变化数次的动态能源市场有何影响？