一種新型農業納網DC—DC變換器的研究

孫磊++索雪松++張夢++申艷路

摘要：針對農村電網具有負載種類復雜多變、使用無規律、受大電網波動影響較大等特點的問題，本研究提出了農業納網的概念，將發電、儲能、控制系統及負載結合成整體，看作大電網的一個負載，使其可以與大電網并網運行，也可以在大電網出現故障時主動與電網斷開孤網運行，從而保證對農村用戶的持續可靠供電。并提出了一種新型LLC諧振式DC-DC變換器，使農業納網發電系統能夠在較寬的負載范圍內向用戶及儲能系統高效供電，從而適應農村負載特性。最后研制了一臺5 kW功率等級的變換器樣機，通過試驗驗證本研究所提出變換器的有效性。

關鍵詞：農業納網；諧振式；變換器；寬負載；光伏發電系統

中圖分類號： S24文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）06-0211-05

隨著農業機械化與農業智能化的不斷發展，農村用電問題越來越受到廣大農業用戶的關注。農村電網具有負載種類復雜多變、私接線路較多、農機具功率大小不一、使用無規律等特點，因而使其對電網要求較高。農村電網作為電力系統組成部分，與大電網具有較強的動態緊密性，當大電網出現波動或故障時，農村電網也會受到較大影響，從而導致農村生產生活用電出現問題[1-2]。由于農村所處地理位置常常遠離城區，交通不便，因電網或線路故障導致的停電問題往往得不到及時修復，從而給農村居民生產生活帶來極大的困擾。

為了解決大電網異動時給用戶帶來的停電問題，近年來，業內專家、學者對分布式發電的微電網進行了深入、廣泛的研究。微電網自身具備發電與儲能系統，在大電網正常工作時運行于并網狀態，在大電網故障時運行于孤網狀態，能夠持續保持供電[3-6]。然而微電網的功率等級多見于幾百乃至幾千千瓦，對于普通農業用戶來說過大，且微電網發電系統占地面積及規模較大，對于地貌復雜的農村，特別是山地村落，建設兆瓦級微網發電系統顯得不切實際。

近年來，國外學者提出了極微型電網（Nano-Grid）的概念，本研究稱之為納網[7-8]。納網與容量為數千到數兆瓦的微網的不同之處是其功率等級多在2～100 kW之間。其發電系統多為小型光伏電池、小型風力發電機等，占地面積較小，在國外研究中常見于住宅持續供電系統，國內相關研究基本處于起步階段，尚無農業納網相關研究文獻。

本研究提出農業納網概念，將發電、儲能、控制系統及負載結合成整體，看作大電網的一個負載，使其可以與大電網并網運行，也可以在大電網出現故障時主動與電網斷開孤網運行，從而保證對農村用戶的持續可靠供電。功率變流器是連接大電網、納網與負載的橋梁，其拓撲結構與控制策略是納網能否可靠運行，供電能否與負載合理匹配的關鍵[9-10]。因而功率變流器是納網研究的核心。

農業納網采用直流母線形式，由發電系統通過單向 DC-DC 變換器向納網注入能量，給負載提供電能，高效可靠的 DC-DC 變換器是實現納網能量傳遞的關鍵[11]。LLC諧振式DC-DC變換器具有不需要輔助網絡即可實現軟開關的特性，能在較寬的輸入電壓范圍和負載范圍內實現原邊開關管零電壓開通（ZVS）和副邊整流管零電流關斷（ZCS），傳輸效率高且體積小[12-15]，適用于農業納網等對工作穩定性及效率有一定要求的環境。

本研究提出了一種新型LLC諧振式DC-DC變換器，能夠在較寬的負載范圍內實現能量的高效傳輸，從而適應農業納網負載多變、私接負載過負荷等方面的特點，高效可靠地保證農村生產生活用電，最后研制了一臺5 kW功率等級的 DC-DC變換器，通過試驗驗證了本研究所提出的變換器的有效性。

1農業納網系統結構

光伏發電是分布式發電的典型代表，其區別于風力發電、水力發電等可再生能源發電之處在于光伏發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電系統作為農業納網的發電電源，其結構如圖1所示。

由圖1可知，農業納網主要包括光伏發電模塊、并網模塊、儲能模塊與農村負載部分。各模塊向負載供電優先級可按如下劃分：第1級為光伏發電模塊，第2級為并網模塊，第3級為儲能模塊。首先由光伏發電模塊通過單向DC-DC變換器向負載供電，當發電量超過負載需求時通過雙向DC-DC變換器向儲能模塊充電，充滿后再通過并網模塊AC-DC變換器向大電網饋電，并可根據饋電量獲得國家補貼。當由于天氣、光照等原因造成發電不能滿足負載需求時，由大電網通過并網模塊向負載供電。若大電網出現異常時，納網與大電網脫開進入孤網運行狀態，由發電模塊或儲能模塊向負載供電。由此可見，農業納網能夠使農業負載用戶在大電網正常或故障狀態時均可持續用電，并能夠通過并網模塊向大電網饋電獲得國家補貼，增加農民收入。

作為第1優先級供電的光伏發電模塊，單向DC-DC變換器作為連接直流母線及的橋梁，其性能及對農村大波動負載適應能力的強弱直接關系到農業納網能否在并網、孤網2種模式下實現能量的高效傳輸。

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變換器拓撲結構如圖2所示，變換器工作時給開關管S1～S4加入占空比為50%互補導通的方波驅動信號，實現逆變功能。諧振電感Lr、諧振電容Cr與變壓器勵磁電感Lm構成諧振網絡，逆變后電壓經諧振網絡傳遞到副邊，再經過二極管D1～D4不控整流向負責輸出直流電壓。

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

各階段工作電路工作狀態如圖4所示。具體工作原理如下：

工作階段1[t0，t1]：t0時刻寄生電容Coss1、Coss4端電壓為0，即開關管S1、S4端電壓為0，t1時刻諧振網絡電流iCr回升為0，且之前S1、S4已獲得開通信號（即Gs1、Gs4為高電平），因而實現零電壓開通（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關斷。

工作階段2[t1，t2]：此階段S1、S4正向導通，諧振網絡電流iCr變為正向，勵磁電感Lm支路電流iLm線性上升，從t2時刻開始iCr=iLm，D1、D4自然關斷。

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]：開關管S1、S4關斷，Coss1、Coss4進行充電，Coss2、Coss3放電，到t4時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LLC諧振變換器的諧振網絡結構，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，電壓增益是評判變換器能量傳輸效率的重要指標，在PSPICE仿真環境下搭建模型，對比得到傳統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為負載率（即實際負載與額定負載之比）。在變換器設計時，應使其工作在兩諧振頻率范圍（fr1≤fs≤fr2）時，在負載范圍內（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LLC諧振變換器能在β≤1的范圍內，實現電壓增益M>1，而超出額定負載范圍時，變換器無法實現能量的高效傳輸。由圖6（b）可知，本研究所提出的變換器結構，能夠使變換器在負載率β=1.5的重載情況下依然實現M>1，證明本研究所提出的變換器更能適應農業納網負載變化情況復雜、波動較大等特點。

3試驗分析

為了驗證本研究所提出的新型農業納網DC-DC變換器的有效性，特設計了一臺輸入電壓65～70 V、輸出電壓 250 V、電流20 A、5 kW功率等級的DC-DC變換器，其設計參數如表1所示，樣機如圖7所示。

在不同負載率條件下對變換器進行測試，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。對比圖8與圖3可知，在超過變換器額定負載，即負載率β>1時，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載范圍內正常工作，能夠適應農業納網負載多變、私接負載過負荷等方面的特點。

通過功率分析儀測得不同負載率下變換器樣機效率如圖9所示，可知本研究所研制的試驗樣機能夠在較大負載范圍內保持較高能量傳輸效率，從而提高了農業納網用電效率。

4結論

農村電網具有負載種類復雜多變、使用無規律等特點，因而使其對電網要求較高。農村電網作為電力系統組成部分，與大電網具有較強的動態緊密性，當大電網出現波動或故障時，農村電網也會受到較大影響。針對此問題，本研究提出了農業納網的概念，將發電、儲能、控制系統及負載結合成整體，看作大電網的一個負載，使其可以與大電網并網運行，也可以在大電網出現故障時主動與電網斷開孤網運行，從而保證對農村用戶的持續可靠供電。

單向DC-DC變換器是向納網注入能量，給負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，能夠在較寬的負載范圍內實現能量的高效傳輸，從而適應農業納網負載多變、私接負載過負荷等方面的特點，高效可靠地保證農村生產生活用電，最后研制了一臺5 kW功率等級的DC-DC變換器，通過試驗驗證了本研究所提變換器的有效性。

參考文獻：

[1]劉鑫. 考慮城鎮化發展農網多類負荷的協整分析及預測[D]. 長沙：長沙理工大學，2014.

[2]邊靜濤. 農村電網電壓質量及無功補償應用研究[D]. 保定：華北電力大學，2013.

[3]吳衛民，何遠彬，耿攀，等. 直流微網研究中的關鍵技術[J]. 電工技術學報，2012，27（1）：98-107.

[4]江道灼，鄭 歡. 直流配電網研究現狀與展望[J]. 電力系統自動化，2012，36（8）：98-104.

[5]Lasseter R H. Smart distribution：coupled microgrids[J]. Proceedings of the IEEE，2011，99（6）：1074-1082.

[6]Alex H，Mariesa L C，Gerald T H，et al. The future renewable electric energy delivery and management system：the energy internet[J]. Proceedings of the IEEE，2011，99（1）：133-148.

[7]Bryan J，Duke R，Round S .Decentralized generator scheduling in a nano grid using DC bus signaling[C]//Institute of Electrical and Electronics Engineers （IEEE）. 2004 IEEE power Engineering Society General Meeting. Piscataway：IEEE Power and Energy Society，2004（1）：977-982.

[8]Bryan J，Duke R，Round S. Decentralized control of a nano grid[C]//Australasian Universities Power Engineering Conference. Christchurch，2003.

[9]曹乘棟. 淺談國內外太陽能發電技術發展狀況及展望[J]. 通信電源技術，2011，28（1）：35-37.

[10]肖朝霞，劉東，趙倩宇. 多功能光伏發電系統仿真設計[J]. 電力科學與技術學報，2012，27（4）：12-16.

[11]Hayashi Y. Power density design of SiC and GaN DC-DC converters for 380V DC distribution system based on series-parallel circuit topology[C]//IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. Long Beach：IEEE，2013：1601-1606.

[12]Beiranvand R，Rashidian B，Zolghadri，M.R. Optimizing the normalized dead-time and maximum switching frequency of a wide-adjus table-range LLC resonant converterf[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26（2）：462-472.

[13]Jung J H，Kim H S，Ryu M H，et al.Design methodology of bidirectional CLLC resonant converter for high-frequency isolation of DC distribution systems[J]. IEEE Trans on Power Electronics，2013，28（4）：1741-1755.

[14]辛玉寶，辛玉才，張方華，等. 基于全橋LLC諧振的雙向直流變壓器[J]. 電力電子技術，2013，47（4）：3-5.

[15]Yang B，Lee F C，Concannon M，et al. Over current protection methods for LLC resonant converter[C]. Proceeding of IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，2003，2：605-609.劉付勇，高賢強，鄔歡歡. 基于Web的南疆紅棗信息系統設計與實現[J]. 江蘇農業科學，2017，45（6）：216-218.

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.06.056