邵亞來(lái)

解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇南京 210007

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和電力工業(yè)的改革，對(duì)可再生能源的有效利用和微電網(wǎng)的需求已日益顯現(xiàn)。直流微電網(wǎng)作為一種新型的電網(wǎng)組織形式，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需求。其中以光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電等方式為主的分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）方式憑借等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。微電網(wǎng)具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，主要體現(xiàn)在：可以提高可再生能源利用率，提高供電系統(tǒng)可靠性滿足防災(zāi)減災(zāi)的要求，滿足節(jié)能減排的要求等。微電網(wǎng)通過(guò)電力電子變換器將太陽(yáng)能電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃料電池等分布式電源和儲(chǔ)能裝置以及負(fù)載連接到一起，微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)與電力電子變換器的工作狀態(tài)有著密切的關(guān)系。

PEMFC的輸出特性包括靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性等，PEMFC的基本工作原理實(shí)際上是電解水的逆過(guò)程，總的化學(xué)反應(yīng)如下：

可見，PEMFC內(nèi)部進(jìn)行的是燃料和氧化劑在質(zhì)子交換膜兩側(cè)分別完成半個(gè)反應(yīng)的氧化還原反應(yīng)。從化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)來(lái)看，它是一種將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能裝置。

微電網(wǎng)的能量管理研究是電力電子技術(shù)領(lǐng)域的前沿課題，特別是對(duì)包含風(fēng)能發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流微電網(wǎng)，解決好能量管理問題是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和最優(yōu)運(yùn)行的基礎(chǔ)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者從微電網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、分布式電源模型、電力電子變換器建模、多級(jí)代理系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、運(yùn)行保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域?qū)χ绷魑㈦娋W(wǎng)進(jìn)行了大量研究和討論。相關(guān)研究圍繞微電網(wǎng)運(yùn)行制約問題展開，最終為實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行服務(wù)。

1 微電網(wǎng)組成及優(yōu)勢(shì)

微電網(wǎng)的能量管理研究是電力電子技術(shù)領(lǐng)域的前沿課題，特別是對(duì)包含風(fēng)能發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流微電網(wǎng)，解決好能量管理問題是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和最優(yōu)運(yùn)行的基礎(chǔ)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者從微電網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、分布式電源模型、電力電子變換器建模、多級(jí)代理系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、運(yùn)行保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域?qū)χ绷魑㈦娋W(wǎng)進(jìn)行了大量研究和討論。相關(guān)研究圍繞微電網(wǎng)運(yùn)行制約問題展開，最終為實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行服務(wù)。

直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成與優(yōu)勢(shì)：

微電網(wǎng)主要由分布式電源（DG）、儲(chǔ)能裝置、電負(fù)荷及熱負(fù)荷構(gòu)成，通過(guò)隔離裝置可以與低壓配電系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行與并網(wǎng)運(yùn)行模式下的平滑轉(zhuǎn)換。從結(jié)構(gòu)上可分為直流微電網(wǎng)（如圖1所示）、交流微電網(wǎng)和混合微電網(wǎng)等多種形式。

當(dāng)前微電網(wǎng)的主要形式是交流微電網(wǎng)，各種電源和儲(chǔ)能設(shè)備通過(guò)變換器連接到微電網(wǎng)的交流母線上，通過(guò)對(duì)端口處的控制，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換（并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行）。直流微電網(wǎng)的特點(diǎn)是各種分布式電源和儲(chǔ)能裝置以及各種負(fù)載通過(guò)變換器連接到直流母線上，直流母線再通過(guò)逆變器向交流負(fù)載供電。DG和負(fù)荷的波動(dòng)依靠連接在直流母線上的儲(chǔ)能裝置進(jìn)行補(bǔ)償。從結(jié)構(gòu)角度分析，混合微電網(wǎng)是可以看作交流微電網(wǎng)的，直流微電網(wǎng)同時(shí)可當(dāng)做是交流微電網(wǎng)中的一個(gè)電源通過(guò)逆變器并入交流母線。

與交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)在電能的轉(zhuǎn)換過(guò)程中無(wú)需變壓器，能夠有效減小微電網(wǎng)的規(guī)模，便于系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)。當(dāng)前，光伏電池、燃料電池等電源，超級(jí)電容、蓄電池和液流電池等儲(chǔ)能裝置都具有 直流特性，更適合接入直流電網(wǎng)。

圖1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

DC/DC變換器是微電網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其工作效率是衡量系統(tǒng)的重要指標(biāo)。如果DC/DC不能高效率、低損耗的運(yùn)行，那么新能源發(fā)電節(jié)能減排、高效供電的特點(diǎn)將不復(fù)存在。因此，DC/DC的效率問題是微電網(wǎng)中經(jīng)濟(jì)攸關(guān)的重大課題。研究如何提高新電源的電能質(zhì)量和傳輸能力，降低變換器的損耗顯得日益重要。

2 DC-DC損耗分析

微電網(wǎng)中DC/DC變換器的功率損耗主要集中于三部分∶功率器件，磁性元件和電容器。這三部分損耗既可單獨(dú)分析但又相互作用影響[2-3]。

2.1 功率器件的損耗

運(yùn)用電路簡(jiǎn)化的解析模型是最為普遍的一種模式，通常利用近似擬合得到的電壓電流瞬時(shí)表達(dá)式將損耗表示出來(lái)，此模式是實(shí)際工程中常用的功率損耗分析方法，此方法由于簡(jiǎn)化了開關(guān)的過(guò)程，所以運(yùn)算結(jié)果的精確程度與假設(shè)和簡(jiǎn)化的因素密切相關(guān)。電路模型經(jīng)簡(jiǎn)化后，寄生電容被認(rèn)為是是影響開關(guān)行為的主要因素，然而半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，功率管的容量也逐漸升級(jí)，隨之電流密度逐漸增大，寄生電容隨之逐漸減小，開關(guān)行為的影響因素已不再由電容參數(shù)決定，寄生電感的效果明顯提升[4]，這種改進(jìn)準(zhǔn)確、系統(tǒng)地反映了功率器件的工作損耗情況。

2.2 磁性元件的損耗

損耗主要分為鐵損和銅損，鐵損主要包括三個(gè)方面：一是磁滯損耗，二是渦流損耗，三是剩余損耗。銅損即為繞組的損耗，銅漆包線對(duì)通過(guò)它的電流有一定的阻抗作用而引起的損耗。損耗與電流大小的平方成正比，在電流有效值一定的情況下，通過(guò)降低繞組的直流等效電阻可以有效降低繞組的直流損耗。

2.3 電容器的損耗

電容是電力電子裝置的重要組成部分之一，功率半導(dǎo)體器件近年來(lái)發(fā)展迅速，其工作頻率顯著提高，使得電力電子裝置能夠工作在高開關(guān)頻率下，所以電容也表現(xiàn)出不一樣的損耗。濾波電容會(huì)產(chǎn)生一定量的損耗，變換器損耗的主要部分并不是電容，但其對(duì)變換器壽命的影響是客觀存在的。電容的損耗主要可分為三部分：1）電介質(zhì)損耗；2）金屬部分損耗；3）分布參數(shù)引起的損耗。目前，大部分設(shè)計(jì)中電容器的各種寄生參數(shù)依然是被忽略的。

3 DC-DC的效率模型分析

下面以Buck變換器為例說(shuō)明，如圖2所示為Buck變換器的電路結(jié)構(gòu)拓?fù)?，US為輸入端電壓；Ron為功率器件導(dǎo)通電阻；Uon為二極管導(dǎo)通壓降；RL為電感等效電阻；iL為電感電流；uL為電感電壓；RC為電容的等效串聯(lián)電阻；iC為電容電流；R為負(fù)載電阻；Io為輸出電流；UO為輸出端電壓[7]。

圖2 Buck變換器電路拓?fù)鋱D

變換器的效率為：

式中：Pin為輸入功率；Pout為輸出功率；Pswitch為功率器件的開關(guān)損耗；Pconduction為電流損耗（包括變換器工作中的壓降損耗及各類電阻上的損耗）。

功率器件的開關(guān)損耗可描述為[8-9]：

式中：f為開關(guān)頻率；Im1為開通時(shí)的最大工作電流；tcross（on）為開通過(guò)程電壓、電流的交越時(shí)間；Im2為關(guān)斷時(shí)的最大工作電流；tcross（off）為關(guān)斷過(guò)程的交越時(shí)間。

根據(jù)Buck變換器的電路運(yùn)行特性計(jì)算可得功率器件的開關(guān)損耗為[7]

式中：L為電感值；IL為電感電流平均值；d為開關(guān)導(dǎo)通占空比。

Pconduction由功率器件的通態(tài)損耗、二極管壓降損耗IL（1-d）Uon、電感等效損耗和電容等效損耗組成，即[7]

根據(jù)穩(wěn)態(tài)條件下，電容電流安-秒平衡規(guī)律，可得

將式（3）—（5）代入式（1），可得Buck變換器CCM的效率與輸出電流的函數(shù)模型為

式（6）中的系數(shù)為：

4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用上海神力科技有限公司生產(chǎn)的3kW PEMFC為系統(tǒng)電源，其主要性能參數(shù)和運(yùn)行條件如下。

PEMFC運(yùn)行條件：

1）環(huán)境溫度：0℃～50℃；2）環(huán)境相對(duì)濕度：0%～95%RH；3）燃料：氣態(tài)氫，純度＞99.99%，CO＜1ppm，CO2＜1ppm， HC ＜1ppm， O2＜1ppm；4）去離子水：電導(dǎo)率＜10μs。

PEMFC供氫線路：

1）進(jìn)口壓力：0.01MPa；2）進(jìn)出口壓差：0.01MPa；3）氫氣相對(duì)濕度：≥90%RH。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室3kW PEMFC，設(shè)計(jì)了其前級(jí)Boost變換器，模塊采用全數(shù)字化技術(shù)，具有超高效率，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，不存在MCU常有的運(yùn)行死機(jī)的情況。此Boost變換器采用模塊化設(shè)計(jì)，帶有均流功能，任何工作模式下都可實(shí)現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)擴(kuò)容。

圖3 負(fù)載為R=16Ω時(shí)輸出電壓波形

圖4 負(fù)載為R=50Ω時(shí)，輸出電壓波形

結(jié)論：通過(guò)實(shí)驗(yàn)，實(shí)際測(cè)得本實(shí)驗(yàn)所用DC-DC變換器實(shí)際運(yùn)行效率為90.5%左右，其中變換器自身?yè)p耗和試驗(yàn)線路損耗為主要部=分，較為真實(shí)的反映了當(dāng)前DC-DC變換器的工作情況，且隨著PEMFC—Boost變換器系統(tǒng)所接負(fù)載電阻的增大，系統(tǒng)輸出電壓經(jīng)歷了從穩(wěn)定周期運(yùn)行狀態(tài)到混沌狀態(tài)的變化，電壓紋波隨著負(fù)載電阻的增大而逐漸增大。

5 結(jié)論

為提高對(duì)DC-DC變換器工作效率的認(rèn)識(shí)，本文詳細(xì)闡述了目前DC-DC變換器在微電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展中的關(guān)鍵地位及面臨的主要問題，其工作效率和自身?yè)p耗在微電網(wǎng)整體運(yùn)行中存在較大的優(yōu)化空間。對(duì)其三部分主要損耗加以論述分析，以Buck變換器為例，建立了效率模型，并加以分析。依托實(shí)驗(yàn)室3kW PEMFC和其前級(jí)Boost變換器，進(jìn)行了部分實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了DC-DC變換器在運(yùn)行過(guò)程中其效率的實(shí)際情況。

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