邵亚来
解放军理工大学国防工程学院，江苏南京 210007
0 引言
随着社会的发展和电力工业的改革，对可再生能源的有效利用和微电网的需求已日益显现。直流微电网作为一种新型的电网组织形式，符合可持续发展战略的需求。其中以光伏发电、风力发电、燃料电池发电、微型燃气轮机发电等方式为主的分布式发电（Distributed Generation，DG）方式凭借等优点得到广泛的关注和应用。微电网具有重要的社会和经济价值，主要体现在：可以提高可再生能源利用率，提高供电系统可靠性满足防灾减灾的要求，满足节能减排的要求等。微电网通过电力电子变换器将太阳能电池、风力发电机、燃料电池等分布式电源和储能装置以及负载连接到一起，微电网的运行状态与电力电子变换器的工作状态有着密切的关系。
PEMFC的输出特性包括静态特性、动态特性等，PEMFC的基本工作原理实际上是电解水的逆过程，总的化学反应如下：
可见，PEMFC内部进行的是燃料和氧化剂在质子交换膜两侧分别完成半个反应的氧化还原反应。从化学反应本质来看，它是一种将储存在燃料中的化学能直接转化为电能装置。
微电网的能量管理研究是电力电子技术领域的前沿课题，特别是对包含风能发电和光伏发电系统的直流微电网，解决好能量管理问题是实现系统稳定运行和最优运行的基础。当前国内外学者从微电网组网结构、分布式电源模型、电力电子变换器建模、多级代理系统、储能系统、运行保护等多个领域对直流微电网进行了大量研究和讨论。相关研究围绕微电网运行制约问题展开，最终为实现微电网的稳定高效运行服务。
1 微电网组成及优势
微电网的能量管理研究是电力电子技术领域的前沿课题，特别是对包含风能发电和光伏发电系统的直流微电网，解决好能量管理问题是实现系统稳定运行和最优运行的基础。当前国内外学者从微电网组网结构、分布式电源模型、电力电子变换器建模、多级代理系统、储能系统、运行保护等多个领域对直流微电网进行了大量研究和讨论。相关研究围绕微电网运行制约问题展开，最终为实现微电网的稳定高效运行服务。
直流微电网结构组成与优势：
微电网主要由分布式电源（DG）、储能装置、电负荷及热负荷构成，通过隔离装置可以与低压配电系统相连接，实现孤岛运行与并网运行模式下的平滑转换。从结构上可分为直流微电网（如图1所示）、交流微电网和混合微电网等多种形式。
当前微电网的主要形式是交流微电网，各种电源和储能设备通过变换器连接到微电网的交流母线上，通过对端口处的控制，实现微电网运行模式的转换（并网运行和孤岛运行）。直流微电网的特点是各种分布式电源和储能装置以及各种负载通过变换器连接到直流母线上，直流母线再通过逆变器向交流负载供电。DG和负荷的波动依靠连接在直流母线上的储能装置进行补偿。从结构角度分析，混合微电网是可以看作交流微电网的，直流微电网同时可当做是交流微电网中的一个电源通过逆变器并入交流母线。
与交流微电网相比，直流微电网在电能的转换过程中无需变压器，能够有效减小微电网的规模，便于系统运行维护。当前，光伏电池、燃料电池等电源，超级电容、蓄电池和液流电池等储能装置都具有 直流特性，更适合接入直流电网。
图1 直流微电网结构示意图
DC/DC变换器是微电网系统的关键组成部分，其工作效率是衡量系统的重要指标。如果DC/DC不能高效率、低损耗的运行，那幺新能源发电节能减排、高效供电的特点将不复存在。因此，DC/DC的效率问题是微电网中经济攸关的重大课题。研究如何提高新电源的电能质量和传输能力，降低变换器的损耗显得日益重要。
2 DC-DC损耗分析
微电网中DC/DC变换器的功率损耗主要集中于三部分∶功率器件，磁性元件和电容器。这三部分损耗既可单独分析但又相互作用影响[2-3]。
2.1 功率器件的损耗
运用电路简化的解析模型是最为普遍的一种模式，通常利用近似拟合得到的电压电流瞬时表达式将损耗表示出来，此模式是实际工程中常用的功率损耗分析方法，此方法由于简化了开关的过程，所以运算结果的精确程度与假设和简化的因素密切相关。电路模型经简化后，寄生电容被认为是是影响开关行为的主要因素，然而半导体工艺的迅速发展，功率管的容量也逐渐升级，随之电流密度逐渐增大，寄生电容随之逐渐减小，开关行为的影响因素已不再由电容参数决定，寄生电感的效果明显提升[4]，这种改进准确、系统地反映了功率器件的工作损耗情况。
2.2 磁性元件的损耗
损耗主要分为铁损和铜损，铁损主要包括三个方面：一是磁滞损耗，二是涡流损耗，三是剩余损耗。铜损即为绕组的损耗，铜漆包线对通过它的电流有一定的阻抗作用而引起的损耗。损耗与电流大小的平方成正比，在电流有效值一定的情况下，通过降低绕组的直流等效电阻可以有效降低绕组的直流损耗。
2.3 电容器的损耗
电容是电力电子装置的重要组成部分之一，功率半导体器件近年来发展迅速，其工作频率显着提高，使得电力电子装置能够工作在高开关频率下，所以电容也表现出不一样的损耗。滤波电容会产生一定量的损耗，变换器损耗的主要部分并不是电容，但其对变换器寿命的影响是客观存在的。电容的损耗主要可分为三部分：1）电介质损耗；2）金属部分损耗；3）分布参数引起的损耗。目前，大部分设计中电容器的各种寄生参数依然是被忽略的。
3 DC-DC的效率模型分析
下面以Buck变换器为例说明，如图2所示为Buck变换器的电路结构拓扑，US为输入端电压；Ron为功率器件导通电阻；Uon为二极管导通压降；RL为电感等效电阻；iL为电感电流；uL为电感电压；RC为电容的等效串联电阻；iC为电容电流；R为负载电阻；Io为输出电流；UO为输出端电压[7]。
图2 Buck变换器电路拓扑图
变换器的效率为：
式中：Pin为输入功率；Pout为输出功率；Pswitch为功率器件的开关损耗；Pconduction为电流损耗（包括变换器工作中的压降损耗及各类电阻上的损耗）。
功率器件的开关损耗可描述为[8-9]：
式中：f为开关频率；Im1为开通时的最大工作电流；tcross（on）为开通过程电压、电流的交越时间；Im2为关断时的最大工作电流；tcross（off）为关断过程的交越时间。
根据Buck变换器的电路运行特性计算可得功率器件的开关损耗为[7]
式中：L为电感值；IL为电感电流平均值；d为开关导通占空比。
Pconduction由功率器件的通态损耗、二极管压降损耗IL（1-d）Uon、电感等效损耗和电容等效损耗组成，即[7]
根据稳态条件下，电容电流安-秒平衡规律，可得
将式（3）—（5）代入式（1），可得Buck变换器CCM的效率与输出电流的函数模型为
式（6）中的系数为：
4 实验
实验采用上海神力科技有限公司生产的3kW PEMFC为系统电源，其主要性能参数和运行条件如下。
PEMFC运行条件：
1）环境温度：0℃～50℃；2）环境相对湿度：0%～95%RH；3）燃料：气态氢，纯度＞99.99%，CO＜1ppm，CO2＜1ppm， HC ＜1ppm， O2＜1ppm；4）去离子水：电导率＜10μs。
PEMFC供氢线路：
1）进口压力：0.01MPa；2）进出口压差：0.01MPa；3）氢气相对湿度：≥90%RH。
针对实验室3kW PEMFC，设计了其前级Boost变换器，模块采用全数字化技术，具有超高效率，实时性强，运行稳定可靠，不存在MCU常有的运行死机的情况。此Boost变换器采用模块化设计，带有均流功能，任何工作模式下都可实现多机并联扩容。
图3 负载为R=16Ω时输出电压波形
图4 负载为R=50Ω时，输出电压波形
结论：通过实验，实际测得本实验所用DC-DC变换器实际运行效率为90.5%左右，其中变换器自身损耗和试验线路损耗为主要部=分，较为真实的反映了当前DC-DC变换器的工作情况，且随着PEMFC—Boost变换器系统所接负载电阻的增大，系统输出电压经历了从稳定周期运行状态到混沌状态的变化，电压纹波随着负载电阻的增大而逐渐增大。
5 结论
为提高对DC-DC变换器工作效率的认识，本文详细阐述了目前DC-DC变换器在微电网建设发展中的关键地位及面临的主要问题，其工作效率和自身损耗在微电网整体运行中存在较大的优化空间。对其三部分主要损耗加以论述分析，以Buck变换器为例，建立了效率模型，并加以分析。依托实验室3kW PEMFC和其前级Boost变换器，进行了部分实验，验证了DC-DC变换器在运行过程中其效率的实际情况。
[1]裘圣琳.燃料电池发电系统前端 DC/DC 变换器的研究[D].杭州：浙江大学，2006.
[2]罗佳明，戴庆元.Boost变换电路的损耗分析[J].电子元器件应用，2007，9（2）：64-67.
[3]袁伟.断续模式反激变换器的优化设计[D].杭州：浙江大学，2010.
[4]毛鹏，谢少军，许泽刚.IGBT模块的开关暂态模型及损耗分析[J].中国电机工程学报，2010，30（15）：40-47.
[5]陈恒林，钱照明.功率变流器中磁性元件损耗的影响因素[J].电力电子技术，2007，41（2）：81-84.
[6]孔剑虹.功率变换器拓扑中磁性元件磁芯损耗的理论与实验研究[D].杭州：浙江大学，2002.
[7]孙晋坤，刘庆丰，冷朝霞，等.基于效率模型的DC-DC变换器并联系统电流分配策略[J].中国电机工程学报，2013，33（15）：10-18.
[8]苏开才，毛宗源.现代功率电子技术[M].北京：国防工业出版社，1995：132.
[9]蔡宣三，龚绍文.高频功率电子学[M].北京：中国水利水电出版社，2009：85.
