1 引言
進入21世紀，能源與環境已成為全球化的問題。2014年11月12日，國際能源署（IEA）發布了《世界能源展望2014》，首次將展望擴展到2040年，報告
稱到2040年，化石燃料在一次能源需求結構中的比例下降到3/4以下，但是這并不足以有效遏制二氧化碳排放量的上升，與這一排放量相對應的是全球平均氣溫將上升3.6℃，嚴重超過國際社會已經達成共識可避免氣候變化帶來最嚴重和最廣泛影響的2℃控制目標，亟需引導能源系統走上一條更安全的發展道路[1]。
面對能源利用引起的氣候變化，可再生能源/清潔能源讓我們看到了曙光，可再生能源技術是低碳全球能源供應的重要支柱[1-2]，到2040年，可再生能源發電量將占全球新增發電量的近一半[1]，但可再生能源存在能量密度低、間歇性、分布分散等特點，也很難適應傳統能源網絡集中統一的體制，能源互聯網作為未來可能的能源可持續發展解決方案正逐漸成為研究的熱點和潮流。而能夠實現可再生能源“就地收集、就地存儲、就地使用”的微電網必將成為有效利用可再生能源的重要方式，微電網也必將成為未來能源互聯網核心的基本單元之一。而可再生能源發電作為一種分布式直流電源，且在物理上易于和直流負載結合，選擇直流配電以及直流微電網變成必然，直流微電網必將成為微電網的重要形式之一。
鑒于直流供電系統較傳統交流供電系統，具有電能變換環節少、傳輸效率高、不需要輸出同步及供電質量更易保證等特點，是電氣節能的新的研究方向和發展趨勢，近年來得到了產學研各界的廣泛關注[3-9]。瑞典、日本、法國和美國等國家的通信公司已于20 世紀90 年代開始了300～400V 數據中心直流配電的研究[10]。另外，軍艦、航空和自動化系統的直流區域配電，電力牽引直流供電技術已然成熟[11]，這為直流微網的推廣應用提供了良好的契機。在建筑直流供電方面，歐盟、日本、美國以及近年來我國紛紛開始了相關方面的研究和示范工程[12-15]。此外，我國2009 年廣東白色家電產學研創新聯盟成立了直流家電技術工作組和家電集成能源系統技術工作組，啟動了我國在該領域的產業研發。
可以預見，隨著可再生能源的推廣應用以及直流用電終端的普及應用，直流配電/直流微網將逐漸在局部區域獲得應用，并成為交流配電/交流微網的有力補充。交流供電和直流供電將互為補充，交流微網和直流微網共同構成微電網，并作為未來能源互聯網的基本單元。在這種大背景下，本文從擬應用驅動、技術發展角度，提出直流配電/直流微網技術在相關領域的應用方案、描繪應用前景，以期推動可再生能源在相關領域的推廣應用。
2 分布式能源發電與負載特性分析
首先，對可再生能源/清潔能源分布式發電特性做了分析，可再生能源分布式發電具有直流特征；然后，對負載特性和發展趨勢做了闡述，在各種終端用電負載中，直流負載與日俱增，且所占比重也越來越高。迫切需要構建直流配電網絡以及直流微電網，以適應能源發展的新需求，為電氣節能設計應用提供依據和參考，為節能、高效利用可再生能源/清潔能源提供支撐。
2.1 分布式能源發電特性
目前，具有可用性的可再生能源/清潔能源主要有太陽能、風能、水能、生物質能、地熱能、海洋能等形式能源，分布式發電主要有光伏發電、風力發電、水力發電、燃氣發電、燃料電池等。
光伏發電和燃料電池發電，直接以直流形式產生電能，其為直接直流電源，需要經過DC-AC變換才能并入傳統的交流配電網。
風力發電和燃氣輪機發出電力是交流電，由于葉輪受力的不同其旋轉頻率不同，其發出交流電力的頻率也不同，無法直接并入頻率50Hz的交流電網，因此需要經過AC-DC和DC-AC兩次變換，才能并入交流配電網。在某種意義上，也可以認為其為間接直流電源。
因此，若使用直流配電系統，可以大量減少配電環節中DC-AC變換器的使用，既降低了電網的構建成本、提高了電網的可靠性，同時也降低了電能變換、傳輸過程中的損耗。
隨著可再生能源/清潔能源分布式發電的快速、全面推廣應用，直流配電的優勢凸顯，迫切需要發展直流配電/直流微電網以適應能源發展的需求。
2.1 直流負載的比重日益增加
近年來，隨著電力電子技術的進步、網絡通信技術的發展，電能終端用戶的用電形式發生了很大變化，國外研究結果表明，某些類型建筑中直流負荷所占比重甚至達90%以上[9]，這些變化主要表現在兩個方面。
一是，含直流環節的電器增多。最普遍、最具代表性的就是變頻電器。近年來，隨著變頻技術的不斷成熟及產品成本的不斷降低，大量變頻電器被研發、生產、推廣應用，如電梯、空調、冰箱、洗衣機等變頻設備。
二是，本質上使用直流的電器/電子產品增多。目前越來越多的電氣設備本質上都是直流驅動電器，其需要將傳統交流電變換為直流電再送給電器使用。如生活中常見的電動汽車、電動自行車、液晶電視、LED照明燈、電腦及網絡設備、手機等移動通信設備，等等。
用戶終端直流負載的與日俱增，是發展直流配電/直流微電網的內在驅動力之所在。
3 從直流配電到直流微網
為了應對能源危機和氣候變化，世界各國積極探尋新能源技術，特別是可再生能源/清潔能源受到世界各國的高度重視。但可再生能源存在地理上分散、規模小、生產不連續、存在隨機性和波動性等特點，也很難適應傳統能源網絡集中統一的體制。能源互聯網作為未來可能的能源可持續發展解決方案正逐漸成為研究的熱點和潮流。
根據美國知名學者杰里米?里夫金(Jeremy Rifkin)歸納，“第三次工業革命”的五大支柱/特征：
（1）利用可再生能源；
（2）將建筑轉化為微型發電廠；
（3）在建筑及基礎設施中使用氫和其他儲能技術；
（4）利用能源互聯網技術將分散的電力網轉化為能源共享網絡；
（5）運輸工具轉向插電式及燃料電池動力車輛。
該論述清楚地指出了未來低碳能源系統的技術路線，即產能、供能、用能、蓄能和節能相互協調統一，像信息互聯網一樣把分散的用能和分布式的產能互相連通、實現共享。涉及“就地收集、就地存儲、就地使用”微電網技術，必將成為有效利用可再生能源的重要方式，必將成為未來能源互聯網的關鍵技術之一，也必將成為五大支柱的關鍵支撐技術之一。
鑒于可再生能源發電作為一種分布式直流電源，且在特性上和物理上易于和直流負載結合，選擇直流配電以及直流微電網變成必然，用發展的觀點來看，直流微電網必將成為微電網的重要形式之一，加之傳統交流微電網，共同構成微電網，即交直流混合微電網。
現實中，直流配電以及直流微電網，在有些領域已有典型應用案例，有些領域已現應用倪端。筆者將分析數據中心、電動車、智能樓宇、光伏泵站/風光互補泵站、LED照明等領域的直流配電應用，有些是案例，有些是愿景。希望通過總結分析相關技術的應用狀況和發展趨勢，拋磚引玉進一步推動直流配電技術的發展成熟與應用，為電氣節能提供技術支撐。
4 建筑直流配電及電動車充電
現代建筑與能源的關系密切而復雜。針對建筑光伏并網難、電梯發電去處難，電動車直流充電的需要，以及分布式能源發出的是直流電力，提出了計及電動車充電、電梯發電、建筑光伏等發電的高、低壓雙母線的直流微電網，該類建筑直流配電系統屬微電網技術范疇，是現有建筑交流配電系統的有益補充和完善，是分布式能源在建筑節能中應用以及電動車充電技術的最新發展趨勢。
4.1 應用需求驅動建筑直流配電
自1997年，荷蘭能源研究中心（ECN）系統地提出了“建筑直流配電技術”實施方案，隨后歐洲和日本等地陸續進行了相關開發和驗證。其中，在歐洲已經出現采用直流350V住宅供電試驗項目；日本自2009年多家日本大型家電企業和建筑企業先后推出了部分“直流生態住宅”示范項目；我國臺灣地區近期啟動了名為“智慧型直流電力屋”的開發計劃。此外，廣東華南家電研究院開發了幾種直流家電產品；格力電器開發了光伏中央空調，即光伏直驅變頻離心機系統，可與光伏發出的直流電直接對接。家電產品對建筑直流配電提出了直接需求。
當前，隨著變頻家電、電動車進入家庭，以及計算機、各種家用充電設備的普及，建筑內直流負荷的比重越來越高。而目前建筑內只有交流配電系統，只能通過AC/DC轉換獲取直流電源供電。因此，建筑內需要直流配電系統，以減少電源變換提高電能的使用效率。按日本有關機構測算，若在住宅中全面實施直流供電，在電能轉換過程節省的能耗，大約為現有住宅電力消耗量的10～20％[16]。
可再生能源與建筑結合具有先天優勢，便于能量的“就地收集、就地存儲、就地使用”，因此分布式可再生能源在建筑中應用有著巨大的生命力。光伏發電、電梯再生發電、微型燃氣輪機、風力發電、燃料電池等均可向建筑提供直流電源。尤其是光伏建筑一體化(Building Integrated Photo-Voltaic，BIPV) 和電梯再生發電發出的是直流電力，如果在發電的瞬間不能全部使用完畢，可能導致向電網饋電，往往不能得到電網的允許，如何解決配電問題已經迫在眉睫[15] 。從經濟上考慮，目前DC/DC（直流變直流）轉換器已經變得更加便宜，在建筑內構造直流配電微電網很有必要且能夠實現，從而實現節約電能的目的。
此外，近年電動車(EV)的快速發展，特別是，特斯拉運用能源互聯網的創新技術，一度成為汽車行業的創新亮點，掀起了全球新能源汽車的一場革命。在中國能源互聯網戰略研究課題組的倡導下，2014年中國能源互聯網電動車項目啟動。在電動車快速發展的同時，充電問題凸顯，充電難已經成為制約電動車發展的瓶頸。國外的發展趨勢也表明，電動車的家電屬性越來越突出。因此，依托于建筑物建立直流充電樁必要且可行。
