一種新型農(nóng)業(yè)納網(wǎng)DC—DC變換器的研究

孫磊++索雪松++張夢(mèng)++申艷路

摘要：針對(duì)農(nóng)村電網(wǎng)具有負(fù)載種類復(fù)雜多變、使用無規(guī)律、受大電網(wǎng)波動(dòng)影響較大等特點(diǎn)的問題，本研究提出了農(nóng)業(yè)納網(wǎng)的概念，將發(fā)電、儲(chǔ)能、控制系統(tǒng)及負(fù)載結(jié)合成整體，看作大電網(wǎng)的一個(gè)負(fù)載，使其可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以在大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)主動(dòng)與電網(wǎng)斷開孤網(wǎng)運(yùn)行，從而保證對(duì)農(nóng)村用戶的持續(xù)可靠供電。并提出了一種新型LLC諧振式DC-DC變換器，使農(nóng)業(yè)納網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)能夠在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)向用戶及儲(chǔ)能系統(tǒng)高效供電，從而適應(yīng)農(nóng)村負(fù)載特性。最后研制了一臺(tái)5 kW功率等級(jí)的變換器樣機(jī)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證本研究所提出變換器的有效性。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)納網(wǎng)；諧振式；變換器；寬負(fù)載；光伏發(fā)電系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： S24文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）06-0211-05

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化與農(nóng)業(yè)智能化的不斷發(fā)展，農(nóng)村用電問題越來越受到廣大農(nóng)業(yè)用戶的關(guān)注。農(nóng)村電網(wǎng)具有負(fù)載種類復(fù)雜多變、私接線路較多、農(nóng)機(jī)具功率大小不一、使用無規(guī)律等特點(diǎn)，因而使其對(duì)電網(wǎng)要求較高。農(nóng)村電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)組成部分，與大電網(wǎng)具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)緊密性，當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)波動(dòng)或故障時(shí)，農(nóng)村電網(wǎng)也會(huì)受到較大影響，從而導(dǎo)致農(nóng)村生產(chǎn)生活用電出現(xiàn)問題[1-2]。由于農(nóng)村所處地理位置常常遠(yuǎn)離城區(qū)，交通不便，因電網(wǎng)或線路故障導(dǎo)致的停電問題往往得不到及時(shí)修復(fù)，從而給農(nóng)村居民生產(chǎn)生活帶來極大的困擾。

為了解決大電網(wǎng)異動(dòng)時(shí)給用戶帶來的停電問題，近年來，業(yè)內(nèi)專家、學(xué)者對(duì)分布式發(fā)電的微電網(wǎng)進(jìn)行了深入、廣泛的研究。微電網(wǎng)自身具備發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)，在大電網(wǎng)正常工作時(shí)運(yùn)行于并網(wǎng)狀態(tài)，在大電網(wǎng)故障時(shí)運(yùn)行于孤網(wǎng)狀態(tài)，能夠持續(xù)保持供電[3-6]。然而微電網(wǎng)的功率等級(jí)多見于幾百乃至幾千千瓦，對(duì)于普通農(nóng)業(yè)用戶來說過大，且微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)占地面積及規(guī)模較大，對(duì)于地貌復(fù)雜的農(nóng)村，特別是山地村落，建設(shè)兆瓦級(jí)微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)顯得不切實(shí)際。

近年來，國外學(xué)者提出了極微型電網(wǎng)（Nano-Grid）的概念，本研究稱之為納網(wǎng)[7-8]。納網(wǎng)與容量為數(shù)千到數(shù)兆瓦的微網(wǎng)的不同之處是其功率等級(jí)多在2～100 kW之間。其發(fā)電系統(tǒng)多為小型光伏電池、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)等，占地面積較小，在國外研究中常見于住宅持續(xù)供電系統(tǒng)，國內(nèi)相關(guān)研究基本處于起步階段，尚無農(nóng)業(yè)納網(wǎng)相關(guān)研究文獻(xiàn)。

本研究提出農(nóng)業(yè)納網(wǎng)概念，將發(fā)電、儲(chǔ)能、控制系統(tǒng)及負(fù)載結(jié)合成整體，看作大電網(wǎng)的一個(gè)負(fù)載，使其可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以在大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)主動(dòng)與電網(wǎng)斷開孤網(wǎng)運(yùn)行，從而保證對(duì)農(nóng)村用戶的持續(xù)可靠供電。功率變流器是連接大電網(wǎng)、納網(wǎng)與負(fù)載的橋梁，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略是納網(wǎng)能否可靠運(yùn)行，供電能否與負(fù)載合理匹配的關(guān)鍵[9-10]。因而功率變流器是納網(wǎng)研究的核心。

農(nóng)業(yè)納網(wǎng)采用直流母線形式，由發(fā)電系統(tǒng)通過單向 DC-DC 變換器向納網(wǎng)注入能量，給負(fù)載提供電能，高效可靠的 DC-DC 變換器是實(shí)現(xiàn)納網(wǎng)能量傳遞的關(guān)鍵[11]。LLC諧振式DC-DC變換器具有不需要輔助網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的特性，能在較寬的輸入電壓范圍和負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)原邊開關(guān)管零電壓開通（ZVS）和副邊整流管零電流關(guān)斷（ZCS），傳輸效率高且體積小[12-15]，適用于農(nóng)業(yè)納網(wǎng)等對(duì)工作穩(wěn)定性及效率有一定要求的環(huán)境。

本研究提出了一種新型LLC諧振式DC-DC變換器，能夠在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量的高效傳輸，從而適應(yīng)農(nóng)業(yè)納網(wǎng)負(fù)載多變、私接負(fù)載過負(fù)荷等方面的特點(diǎn)，高效可靠地保證農(nóng)村生產(chǎn)生活用電，最后研制了一臺(tái)5 kW功率等級(jí)的 DC-DC變換器，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了本研究所提出的變換器的有效性。

1農(nóng)業(yè)納網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電是分布式發(fā)電的典型代表，其區(qū)別于風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電等可再生能源發(fā)電之處在于光伏發(fā)電不受地域及地理資源影響，適用范圍較廣，成本較低。因此本研究選擇光伏發(fā)電系統(tǒng)作為農(nóng)業(yè)納網(wǎng)的發(fā)電電源，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，農(nóng)業(yè)納網(wǎng)主要包括光伏發(fā)電模塊、并網(wǎng)模塊、儲(chǔ)能模塊與農(nóng)村負(fù)載部分。各模塊向負(fù)載供電優(yōu)先級(jí)可按如下劃分：第1級(jí)為光伏發(fā)電模塊，第2級(jí)為并網(wǎng)模塊，第3級(jí)為儲(chǔ)能模塊。首先由光伏發(fā)電模塊通過單向DC-DC變換器向負(fù)載供電，當(dāng)發(fā)電量超過負(fù)載需求時(shí)通過雙向DC-DC變換器向儲(chǔ)能模塊充電，充滿后再通過并網(wǎng)模塊AC-DC變換器向大電網(wǎng)饋電，并可根據(jù)饋電量獲得國家補(bǔ)貼。當(dāng)由于天氣、光照等原因造成發(fā)電不能滿足負(fù)載需求時(shí)，由大電網(wǎng)通過并網(wǎng)模塊向負(fù)載供電。若大電網(wǎng)出現(xiàn)異常時(shí)，納網(wǎng)與大電網(wǎng)脫開進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，由發(fā)電模塊或儲(chǔ)能模塊向負(fù)載供電。由此可見，農(nóng)業(yè)納網(wǎng)能夠使農(nóng)業(yè)負(fù)載用戶在大電網(wǎng)正?；蚬收蠣顟B(tài)時(shí)均可持續(xù)用電，并能夠通過并網(wǎng)模塊向大電網(wǎng)饋電獲得國家補(bǔ)貼，增加農(nóng)民收入。

作為第1優(yōu)先級(jí)供電的光伏發(fā)電模塊，單向DC-DC變換器作為連接直流母線及的橋梁，其性能及對(duì)農(nóng)村大波動(dòng)負(fù)載適應(yīng)能力的強(qiáng)弱直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)納網(wǎng)能否在并網(wǎng)、孤網(wǎng)2種模式下實(shí)現(xiàn)能量的高效傳輸。

2新型DC-DC變換器

2.1新型DC-DC變換器工作原理

本研究所提出的LLC諧振式DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，變換器工作時(shí)給開關(guān)管S1～S4加入占空比為50%互補(bǔ)導(dǎo)通的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)逆變功能。諧振電感Lr、諧振電容Cr與變壓器勵(lì)磁電感Lm構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)，逆變后電壓經(jīng)諧振網(wǎng)絡(luò)傳遞到副邊，再經(jīng)過二極管D1～D4不控整流向負(fù)責(zé)輸出直流電壓。

變換器理想工作波形如圖3所示。變換器每個(gè)工作周期可分為8個(gè)工作狀態(tài)，由于變換器2組橋臂完全對(duì)稱且按50%占空比交替導(dǎo)通，因而上半周期與下半周期工作原理完全相同，本研究只對(duì)前半周期工作原理進(jìn)行敘述。

各階段工作電路工作狀態(tài)如圖4所示。具體工作原理如下：

工作階段1[t0，t1]：t0時(shí)刻寄生電容Coss1、Coss4端電壓為0，即開關(guān)管S1、S4端電壓為0，t1時(shí)刻諧振網(wǎng)絡(luò)電流iCr回升為0，且之前S1、S4已獲得開通信號(hào)（即Gs1、Gs4為高電平），因而實(shí)現(xiàn)零電壓開通（ZVS）。此階段Lm電壓被鉗位于nUo，副邊整流二極管D1、D4開通，D2、D3關(guān)斷。

工作階段2[t1，t2]：此階段S1、S4正向?qū)?，諧振網(wǎng)絡(luò)電流iCr變?yōu)檎?，?lì)磁電感Lm支路電流iLm線性上升，從t2時(shí)刻開始iCr=iLm，D1、D4自然關(guān)斷。

工作階段3[t2，t3]：此階段iCr=iLm，原副邊脫開，原邊不向副邊傳遞能量，僅Cr、Lm參與諧振。

工作階段4[t3，t4]：開關(guān)管S1、S4關(guān)斷，Coss1、Coss4進(jìn)行充電，Coss2、Coss3放電，到t4時(shí)刻寄生電容充放電完成，則S1、S4端電壓上升為輸入電壓，S2、S3端電壓下降為0，為下半周期零電壓開通做好準(zhǔn)備。

2.2新型DC-DC變換器工作特性

本研究所提出的LLC諧振式DC-DC變換器改變了傳統(tǒng)LLC諧振變換器的諧振網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其交流等效電路如圖5所示。

輸出電壓與輸入電壓之比為電壓增益，電壓增益是評(píng)判變換器能量傳輸效率的重要指標(biāo)，在PSPICE仿真環(huán)境下搭建模型，對(duì)比得到傳統(tǒng)變換器與本研究所提出的變換器電壓增益特性曲線如圖6所示。

圖6中M為電壓增益，M=nUO/Uin，fn為歸一化的工作頻率，β為負(fù)載率（即實(shí)際負(fù)載與額定負(fù)載之比）。在變換器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使其工作在兩諧振頻率范圍（fr1≤fs≤fr2）時(shí)，在負(fù)載范圍內(nèi)（β≤1）電壓增益M≥1，則變換器有較好的帶載能力和能量傳輸能力。由圖6（a）可知，傳統(tǒng)LLC諧振變換器能在β≤1的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)電壓增益M>1，而超出額定負(fù)載范圍時(shí)，變換器無法實(shí)現(xiàn)能量的高效傳輸。由圖6（b）可知，本研究所提出的變換器結(jié)構(gòu)，能夠使變換器在負(fù)載率β=1.5的重載情況下依然實(shí)現(xiàn)M>1，證明本研究所提出的變換器更能適應(yīng)農(nóng)業(yè)納網(wǎng)負(fù)載變化情況復(fù)雜、波動(dòng)較大等特點(diǎn)。

3試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本研究所提出的新型農(nóng)業(yè)納網(wǎng)DC-DC變換器的有效性，特設(shè)計(jì)了一臺(tái)輸入電壓65～70 V、輸出電壓 250 V、電流20 A、5 kW功率等級(jí)的DC-DC變換器，其設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，樣機(jī)如圖7所示。

在不同負(fù)載率條件下對(duì)變換器進(jìn)行測(cè)試，以左上橋臂為例，可得變換器主要波形uGs1、ucoss1與iCr如圖8所示。對(duì)比圖8與圖3可知，在超過變換器額定負(fù)載，即負(fù)載率β>1時(shí)，變換器主要波形仍與理想波形保持一致，因而證明本研究所提出的變換器可在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)正常工作，能夠適應(yīng)農(nóng)業(yè)納網(wǎng)負(fù)載多變、私接負(fù)載過負(fù)荷等方面的特點(diǎn)。

通過功率分析儀測(cè)得不同負(fù)載率下變換器樣機(jī)效率如圖9所示，可知本研究所研制的試驗(yàn)樣機(jī)能夠在較大負(fù)載范圍內(nèi)保持較高能量傳輸效率，從而提高了農(nóng)業(yè)納網(wǎng)用電效率。

4結(jié)論

農(nóng)村電網(wǎng)具有負(fù)載種類復(fù)雜多變、使用無規(guī)律等特點(diǎn)，因而使其對(duì)電網(wǎng)要求較高。農(nóng)村電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)組成部分，與大電網(wǎng)具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)緊密性，當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)波動(dòng)或故障時(shí)，農(nóng)村電網(wǎng)也會(huì)受到較大影響。針對(duì)此問題，本研究提出了農(nóng)業(yè)納網(wǎng)的概念，將發(fā)電、儲(chǔ)能、控制系統(tǒng)及負(fù)載結(jié)合成整體，看作大電網(wǎng)的一個(gè)負(fù)載，使其可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以在大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)主動(dòng)與電網(wǎng)斷開孤網(wǎng)運(yùn)行，從而保證對(duì)農(nóng)村用戶的持續(xù)可靠供電。

單向DC-DC變換器是向納網(wǎng)注入能量，給負(fù)載提供電能的重要樞紐，本研究提出了一種新型LLC諧振式DC-DC變換器，能夠在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量的高效傳輸，從而適應(yīng)農(nóng)業(yè)納網(wǎng)負(fù)載多變、私接負(fù)載過負(fù)荷等方面的特點(diǎn)，高效可靠地保證農(nóng)村生產(chǎn)生活用電，最后研制了一臺(tái)5 kW功率等級(jí)的DC-DC變換器，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了本研究所提變換器的有效性。

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