孤島運行的微電網(wǎng)中DC-DC工作效率的分析

邵亞來

解放軍理工大學國防工程學院，江蘇南京 210007

0 引言

隨著社會的發(fā)展和電力工業(yè)的改革，對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、風力發(fā)電、燃料電池發(fā)電、微型燃氣輪機發(fā)電等方式為主的分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）方式憑借等優(yōu)點得到廣泛的關注和應用。微電網(wǎng)具有重要的社會和經(jīng)濟價值，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)可靠性滿足防災減災的要求，滿足節(jié)能減排的要求等。微電網(wǎng)通過電力電子變換器將太陽能電池、風力發(fā)電機、燃料電池等分布式電源和儲能裝置以及負載連接到一起，微電網(wǎng)的運行狀態(tài)與電力電子變換器的工作狀態(tài)有著密切的關系。

PEMFC的輸出特性包括靜態(tài)特性、動態(tài)特性等，PEMFC的基本工作原理實際上是電解水的逆過程，總的化學反應如下：

可見，PEMFC內(nèi)部進行的是燃料和氧化劑在質(zhì)子交換膜兩側分別完成半個反應的氧化還原反應。從化學反應本質(zhì)來看，它是一種將儲存在燃料中的化學能直接轉化為電能裝置。

微電網(wǎng)的能量管理研究是電力電子技術領域的前沿課題，特別是對包含風能發(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現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行和最優(yōu)運行的基礎。當前國內(nèi)外學者從微電網(wǎng)組網(wǎng)結構、分布式電源模型、電力電子變換器建模、多級代理系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、運行保護等多個領域對直流微電網(wǎng)進行了大量研究和討論。相關研究圍繞微電網(wǎng)運行制約問題展開，最終為實現(xiàn)微電網(wǎng)的穩(wěn)定高效運行服務。

1 微電網(wǎng)組成及優(yōu)勢

微電網(wǎng)的能量管理研究是電力電子技術領域的前沿課題，特別是對包含風能發(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現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行和最優(yōu)運行的基礎。當前國內(nèi)外學者從微電網(wǎng)組網(wǎng)結構、分布式電源模型、電力電子變換器建模、多級代理系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、運行保護等多個領域對直流微電網(wǎng)進行了大量研究和討論。相關研究圍繞微電網(wǎng)運行制約問題展開，最終為實現(xiàn)微電網(wǎng)的穩(wěn)定高效運行服務。

直流微電網(wǎng)結構組成與優(yōu)勢：

微電網(wǎng)主要由分布式電源（DG）、儲能裝置、電負荷及熱負荷構成，通過隔離裝置可以與低壓配電系統(tǒng)相連接，實現(xiàn)孤島運行與并網(wǎng)運行模式下的平滑轉換。從結構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。

當前微電網(wǎng)的主要形式是交流微電網(wǎng)，各種電源和儲能設備通過變換器連接到微電網(wǎng)的交流母線上，通過對端口處的控制，實現(xiàn)微電網(wǎng)運行模式的轉換（并網(wǎng)運行和孤島運行）。直流微電網(wǎng)的特點是各種分布式電源和儲能裝置以及各種負載通過變換器連接到直流母線上，直流母線再通過逆變器向交流負載供電。DG和負荷的波動依靠連接在直流母線上的儲能裝置進行補償。從結構角度分析，混合微電網(wǎng)是可以看作交流微電網(wǎng)的，直流微電網(wǎng)同時可當做是交流微電網(wǎng)中的一個電源通過逆變器并入交流母線。

與交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)在電能的轉換過程中無需變壓器，能夠有效減小微電網(wǎng)的規(guī)模，便于系統(tǒng)運行維護。當前，光伏電池、燃料電池等電源，超級電容、蓄電池和液流電池等儲能裝置都具有 直流特性，更適合接入直流電網(wǎng)。

圖1 直流微電網(wǎng)結構示意圖

DC/DC變換器是微電網(wǎng)系統(tǒng)的關鍵組成部分，其工作效率是衡量系統(tǒng)的重要指標。如果DC/DC不能高效率、低損耗的運行，那么新能源發(fā)電節(jié)能減排、高效供電的特點將不復存在。因此，DC/DC的效率問題是微電網(wǎng)中經(jīng)濟攸關的重大課題。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分析但又相互作用影響[2-3]。

2.1 功率器件的損耗

運用電路簡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表達式將損耗表示出來，此模式是實際工程中常用的功率損耗分析方法，此方法由于簡化了開關的過程，所以運算結果的精確程度與假設和簡化的因素密切相關。電路模型經(jīng)簡化后，寄生電容被認為是是影響開關行為的主要因素，然而半導體工藝的迅速發(fā)展，功率管的容量也逐漸升級，隨之電流密度逐漸增大，寄生電容隨之逐漸減小，開關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]，這種改進準確、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，銅漆包線對通過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，功率半導體器件近年來發(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頻率下，所以電容也表現(xiàn)出不一樣的損耗。濾波電容會產(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，大部分設計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變換器為例說明，如圖2所示為Buck變換器的電路結構拓撲，US為輸入端電壓；Ron為功率器件導通電阻；Uon為二極管導通壓降；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變換器電路拓撲圖

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）。

功率器件的開關損耗可描述為[8-9]：

式中：f為開關頻率；Im1為開通時的最大工作電流；tcross（on）為開通過程電壓、電流的交越時間；Im2為關斷時的最大工作電流；tcross（off）為關斷過程的交越時間。

根據(jù)Buck變換器的電路運行特性計算可得功率器件的開關損耗為[7]

式中：L為電感值；IL為電感電流平均值；d為開關導通占空比。

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 實驗

實驗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)和運行條件如下。

PEMFC運行條件：

1）環(huán)境溫度：0℃～50℃；2）環(huán)境相對濕度：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：電導率＜10μs。

PEMFC供氫線路：

1）進口壓力：0.01MPa；2）進出口壓差：0.01MPa；3）氫氣相對濕度：≥90%RH。

針對實驗室3kW PEMFC，設計了其前級Boost變換器，模塊采用全數(shù)字化技術，具有超高效率，實時性強，運行穩(wěn)定可靠，不存在MCU常有的運行死機的情況。此Boost變換器采用模塊化設計，帶有均流功能，任何工作模式下都可實現(xiàn)多機并聯(lián)擴容。

圖3 負載為R=16Ω時輸出電壓波形

圖4 負載為R=50Ω時，輸出電壓波形

結論：通過實驗，實際測得本實驗所用DC-DC變換器實際運行效率為90.5%左右，其中變換器自身損耗和試驗線路損耗為主要部=分，較為真實的反映了當前DC-DC變換器的工作情況，且隨著PEMFC—Boost變換器系統(tǒng)所接負載電阻的增大，系統(tǒng)輸出電壓經(jīng)歷了從穩(wěn)定周期運行狀態(tài)到混沌狀態(tài)的變化，電壓紋波隨著負載電阻的增大而逐漸增大。

5 結論

為提高對DC-DC變換器工作效率的認識，本文詳細闡述了目前DC-DC變換器在微電網(wǎng)建設發(fā)展中的關鍵地位及面臨的主要問題，其工作效率和自身損耗在微電網(wǎng)整體運行中存在較大的優(yōu)化空間。對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。依托實驗室3kW PEMFC和其前級Boost變換器，進行了部分實驗，驗證了DC-DC變換器在運行過程中其效率的實際情況。

[1]裘圣琳.燃料電池發(fā)電系統(tǒng)前端 DC/DC 變換器的研究[D].杭州：浙江大學，2006.

[2]羅佳明，戴慶元.Boost變換電路的損耗分析[J].電子元器件應用，2007，9（2）：64-67.

[3]袁偉.斷續(xù)模式反激變換器的優(yōu)化設計[D].杭州：浙江大學，2010.

[4]毛鵬，謝少軍，許澤剛.IGBT模塊的開關暫態(tài)模型及損耗分析[J].中國電機工程學報，2010，30（15）：40-47.

[5]陳恒林，錢照明.功率變流器中磁性元件損耗的影響因素[J].電力電子技術，2007，41（2）：81-84.

[6]孔劍虹.功率變換器拓撲中磁性元件磁芯損耗的理論與實驗研究[D].杭州：浙江大學，2002.

[7]孫晉坤，劉慶豐，冷朝霞，等.基于效率模型的DC-DC變換器并聯(lián)系統(tǒng)電流分配策略[J].中國電機工程學報，2013，33（15）：10-18.

[8]蘇開才，毛宗源.現(xiàn)代功率電子技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995：132.

[9]蔡宣三，龔紹文.高頻功率電子學[M].北京：中國水利水電出版社，2009：85.