直流电源五分钟指南

五分钟指南 直流电源 历史背景 直流电（DC）是通过电线或导体在一个方向上连续的电流。DC是由发电机（例如燃料电池或光伏电池）以及静电，闪电和电池产生的。按照惯例，电流从高电势流向低电势；例如，在电池中，从正极流向负极。 “潮流战争” 早期20th世纪，电力系统被开发为孤立的网络，以满足本地需求。但是随着对电力和传输距离的需求的增长 ，必须提高电压才能保持效率，并且网络需要互连才能实现可靠性。 由于电动机和发电机设计的复杂性以及电压转换设备的可用性，DC系统受到了限制。特斯拉发明的感应电动机简化了大多数工业应用的机器设计。这导致了交流电（AC）在发电，输电以及在很大程度上利用 尽管如此，直流仍继续用于变速电动机（例如，用于需要更好控制的城市铁路和轧机）以及电化学过程 ，例如电镀和电解。 如果没有相当大的功率损耗，就无法实现DC传输。解决方案是产生AC功率，以较高的电压传输，并将其转换为所需的DC电压水平 旋转转换器相对昂贵,需要定期维护。 尽管大力反对采用交流电，但爱迪生无法克服其直流系统的缺点 增加DC的最终用途 配电网络。AC胜出，如今所有公用事业公司都以交流电的形式发电，传输和输送电力。 但是，尽管AC完全适合当今的条件-实际上是20个th世纪-21世纪的需要st世纪正在暴露其局限性。DC的问题 电力电子技术已经解决了电压变换问题,随着数字技术的发展,需要直流电源的设备数量急剧增加。今天 题。 阴极射线 无线电报 真空管 收音机 雷达 电子 电视 数字 circuits计算机 晶体管 微处理器 集成电路 1880 1920 1940 1960 1970 ，这不是AC与DC的问题，而是AC和DC的问 直流应用 几个潜在的好处正在推动21世纪对DC电力输送系统的新兴趣st世纪。 开发基于DC的技术的大部分进展都发生在高压或低压水平。目前，它仅在 已经建立设计标准的电力链： •涉及很长传输距离的大陆传输（EHV ，超过200kV） •在建筑物内（LV：380V和ELV：USB，以太网供电和照明系统） 由于设备的进步以及在电网边缘对更智能的能源系统的需求，微电网和建筑规模的纳米网格是一种新兴的应用。 数据中心 简化电源系统并减少数据中心内的转换损耗。 微电网 通过使多个供应源更易于连接和操作来增强微电网系统的集成、操作和性能。 交通运输 未来的交通将主要是电动：混合动力，或跨个人和公共交通和商业车队的电池EV。 照明 照明装置采用DC电源以实现具有较高性能的较小灯具的益处(例如,无闪烁调光)。 嵌入式生成 分布式发电系统经常产生DC电力(例如PV、风力涡轮机)。 电力电子 越来越多的直流电子设备。 低成本电子设备已经取代了传统的照明光源，并实现了设备内感应电机的高效变速控制。 存储设备 诸如电池、飞轮和电容器的装置存储和输送DC电力。 网络规模 最终设备 建筑 本地公用配电网输电网 长距离传输 引入的实际/估计年 2005 2025 2100 2070 1980 份 直流电在电网中的应用 机遇与挑战 对于建筑物等已建立的市场,当技术和/或成本优势结合在一起时,DC网络将变得流行,并且变得足够引人注目,足以克服挑战。 关键优势现代电子负载都是固有的直流负载。即使是需要不同电压电平的电器也能更好地与直流电源连接，因为消除了AC-DC转换（效率，材料和空间优势）。对于DC电源，没有无功功率负载的线路，不需要相位同步，也不需要DC装置中的谐波电流抑制。这降低了具有多个电源的工程网络的复杂性，并有助于提高系统效率。分布式发电系统(例如光伏电池和燃料电池)以及先进的能量存储系统以DC电力的形式产生能量,因此与DC连接比转换为AC更有效且成本有效。DC电力输送可以增强微电网系统的集成、操作和性能。高压直流既经济又可靠，对于超过500km的传输距离也是经济的。DC-DC功率转换器消耗的待机功率远低于传统AC-DC转换器。 可解决的挑战在已建立的市场中,DC电力输送的商业案例尚未在已完成的安装中得到证明。当与其他技术(如网络发现、电力线通信、计量/控制、双向流、调试和错误服务)相结合时,商业案例可能会得到加强,这些技术可降低运营成本并提高安装的可重新配置性。需要制定安全保护标准和设备。需要建立设计、安装和维护的通用做法。高性能应用需要快速作用的直流断路器。需要开发和标准化支持网格控制器和网络管理的技术。为了降低过渡成本，电器将需要适用于符合技术标准（电压和连接器）的交流和直流电源。 DC市场 DC有意义的应用程序数量正在增加。本指南的以下页面提供了对这些应用程序的选择的见解。 以太网供电安 装 纳米格栅 PV Projects 地铁和铁路系统 办公室&消费者小工具 建筑物整修 例如办公室 &工厂环境 照明 DC的市 场 离网系统(农村电 气化projects) EHV 传输系统 数据中心分布 系统 实用规模存储 系统 建筑能源管理用电 池 用于电动 汽车的驱动器/电 爱迪生对具有直流发电，电力输送和最终用途负载的系统的最初愿景可能会实现-至少对于某些类型的安装而言。 HoweverthemarketforDCdistributionnetworksisnotasingle,cognizingmarket.Rather,itencoursseveraldisparate 机会-电信塔，数据中心，并网商业建筑和离网军事网络-将响应特定的市场动态。 总直流配电网供应商 $35 $30 钥匙 $25 好斗 $20 保守 底座 $15 $10 $5 $- 2013201420152016201720182019202020212022202320242025 （十亿美元 按情景划分的收入，世界市场：2013-2025年 来源：NavigantResearch 高压直流输电 尽管在爱迪生时代，直流电对于超过一英里的距离的传输是不切实际的，但今天的高压直流电（HVDC ）可以在很长的距离内传输大量电力，并实现不兼容的电力网络的互连。 自20世纪50年代以来，高压直流输电已在世界范围内作为一种有效的手段 长距离传输大量电力。自从目前首次将汞弧阀用于现 代固态IGBT器件以来，HVDC技术已经 著的进步，实现了具有成本效益的大量电并成为未来电力网络的骨干。 HVDC互连器 钥匙取得了显 现有在建 在建方案 力传输， 高压直流输电简而言之 HVDC提供对功率流的即时和精确控制。手动或自动控制通过链路确定所需的功率流。 HVDC链路实现了在不同频率上运行或不兼容的电力网络的安全和稳定的异步互连。它还提供对任一端的电压和频率变化的快速响应。 HVDC传输需要在每个末端处的换流站来形成用于传输线路的终端设备。在AC传输中,不需要这种转换。 HVDC传输对互连AC系统的短路电流没有贡献。因此,对现有的传输基础设施没有影响。 与HVAC相比,HVDC传输方案具有更少的环境和视觉影响,并且需要减少的通行权和更少的空间。 来源：HVDC60年特别报告，ABB HVDC市场正在快速增长。新的创新应该提供选择，降低成本，并增加未来HVDC输电项目的可行性和商业确定性。 直流电源：较长距离的低损耗 10 HVAC:2x400kV 钥匙 HVDC HVAC HVDC:1x+-400kV 5 0 0 AC/DC转换损耗 500 传输距离(km) 1,000 投资成本 DC 终端成本 钥匙 直流线路成本 AC线路成本 AC终端成本 临界距离 距离 能量损失% DC变得更具成本效益的临界距离 公路运输电气化 许多人认为公路运输电气化是一种潜在的改变游戏规则的技术，对个人出行和货物运输的未来成本和环境绩效产生重大影响。 电池电动汽车 电动汽车提供零尾气排放，并有可能为城市交通带来的空气质量挑战提供解决方案。 化学能存储在可再充电的电池组中,其将电输出作为 DC输送。 直流快速充电 DC快速充电正在减轻对“范围焦虑”的恐惧。 标准电动汽车使用车载充电器将壁式充电器中的交流电转换为存储在电池组中的直流电。 $每千瓦时 吉瓦小时 快速充电站可以提供50％的充电，在30分钟内相当于约170英里的范围，充电速率高达400kW。车辆将配备直接直流连接器以利用这些站。 自主车辆 这都是关于电池的 每辆电动汽车在其电池组中存储了数十千瓦时的能量，并且当配备有能够与电网链接的双向功率转换器时，每辆电动汽车最终将用作负载，电源或分布式能量存储可以支持电网。这将提高系统效率，低碳源的使用，稳定性以及电力输送的可靠性和安全性。 电池占电动汽车成本的三分之一。随着电池成本的持续下降，对电动汽车的需求将会上升。 每年的需求 锂离子电池组的成本 电动汽车电池功率800 吉瓦小时 1,200 1,000 800 600 400 800 600 Actual Estimates 400 估计范围 200 0 200 Actual 0 20102015202020252030 20102015202020252030 无人驾驶汽车解决了当今非自主电动汽车的实际局限性， 包括旅客范围焦虑，使用充电基础设施和充电时间管理。 无线充电 机会充电在白天提供助推器费用。 无线充电已应用于实际生活环境和电动公交车的完全运行环境中，电动公交车的周期要求非常高，并且需要非常大的电池。 来源：彭博新能源财经 建筑应用的电压 级 USB旧版 5V 汽车行业标准 12V USBC型（实现USB-PD） 20V 新兴联盟占用空间标准 24V 安全交流。使用中接触交流导线的限制 25V 电信行业标准 48V 安全DC.使用中接触到的DC导体的限制 60V 特低电压直流限制，电击保护仅是基本绝缘 120V 与纯电阻负载的兼容性 230V 带输入整流器的负载所需的最小修改 325V 当前/操作系统标准 350V 数据中心行业的标准 380-400V 等与三相400V交流电网直接互连 >465V 应用程序 电压 五分钟指南：直流电源 系统安全和集成 一个世纪前，由于电力电子技术的发展，使直流比交流更难以分配的技术挑战已经得到解决。现在，大多数装置都采用了电源安排的层次结构。在某些情况下，直流技术提供了简单，安全和降低成本的好处。 布线架构 安全直流 安全交流 随着建筑物中的电子传感器和致动器的数量增加，并且它们的成本降低，将它们连接到电源的成本正在成为总安装成本的重要比例，有时占主导地位。因此,存在降低安装在装置本地的布线系统和功率转换(整流器和电压转换)的成本的强烈经济动机 安全交流 。 安全 电与人类和牲畜的某些危险有关。但是，生理影响取决于接触方式，环境条件 （例如水的存在）和电压水平。值得注意的是，AC和DC具有不同的影响。AC电流更可能引起心室纤颤，而DC更可能引起心搏停止。人们已经熟悉 处理笔记本电脑和其他个人设备充电器（特别是USB），并且有机会扩展DC电源以在建筑物内进行本地分配：例如，地板和墙壁饰面中的照明轨道和裸露的小电源导体。在干燥条件下，DC导体被认为可以安全地接触60V，而AC电路的安全接触极限仅为25V。 改装 在英国市场已经进行了现场试验，将直流能源供应改造为房屋中的现有布线系统。该系统集成了具有节能照明和超低压直流电源插座的电池存储。 钥匙 DCAC 光伏电池板 加热/冷却装置 变电站的大小为最大功 率 按常规设计的办公室需求。 50kW 有源整流器160kWAC或DC一般 建筑荷载 增压器 135kW 公用事业供应 点1MVA最大 800kW 存储200kW/ 400kWh 400kW 用于商业建筑应用的交直流混合配电系统 根据应用背景和基线假设,来自直接DC的节省估计在2%至14%的范围内变化。 直流就地配电 为本地直流设备供电有三种基本方法，其中两种涉及直流配电。许多建筑物在不同的地方包含