Вольтодобовочный резонансный LCL-T преобразователь для автономных систем электропитания на возобновляемых источниках энергии

Abstract

Актуальность. Проблеме автономного электропитания нефтегазового оборудования на возобновляемых источниках энергии оказывается все большее внимание ввиду экологической чистоты этого вида энергии. Требования, предъявляемые системой электропитания к преобразователю энергии солнечной батареи, заключаются в первую очередь в высоком КПД и широком диапазоне изменения нагрузки, меняющейся вплоть до холостого хода. Последнее требование является серьезной проблемой, учитывая, что солнечная батарея по своей природе является источником постоянного тока. При применении непосредственных преобразователей изменение нагрузки вызывает существенные затруднения и приводит к глубокому регулированию, необходимости формирования быстродействующих контуров обратной связи. В работе рассмотрены топологии резонансного преобразователя энергии солнечной батареи на основе LCL-T контура, обеспечивающего не только мягкое переключение транзисторов, но и параметрическую стабилизацию выходного напряжения в полном диапазоне изменения нагрузки за счет преобразования импеданса нагрузки. Цель работы: анализ энергетических характеристик вольтодобавочного резонансного LCL-T преобразователя энергии солнечной батареи и оценка его КПД. Методы исследования основаны на общих положениях теории электрических цепей, теории алгебраических уравнений, вычислительных методах и использовании современных инструментальных систем и методов математического моделирования. Результаты. Показано, что при питании от источника тока для реализации параметрической стабилизации выходного напряжения резонансным LCL-T преобразователем необходим активный выпрямитель, обеспечивающий рекуперацию энергии выходного фильтра в резонансный контур. При этом статические потери в преобразователе существенны, так как ток инвертора определяется током солнечной батареи. Построение резонансного преобразователя по вольтодобавочной топологии позволяет разделить ток солнечной батареи между мостовыми преобразователями и существенно уменьшить статические потери, что, учитывая одновременную реализацию мягкого переключения транзисторов, позволяет получить высокий КПД преобразования, свыше 98 % в номинальном режиме. Исследованы характеристики вольтодобавочного резонансного LCL-T преобразователя при широтно-импульсном регулировании. Во всем диапазоне регулирования параметры схемы не превышают номинальных значений, так как их увеличение за счет фазового сдвига тока относительно напряжения, неизбежного в процессе регулирования, компенсируется уменьшением тока солнечной батареи. Преобразователь с LCL-T контуром обеспечивает мягкую коммутацию транзисторов без частотной подстройки, необходимой в классическом последовательном преобразователе. Проведена экспериментальная проверка полученных результатов, сделаны выводы.

Relevance. Autonomous electrical supply from renewable sources in oil-gas equipment is considered more and more due to ecology concerns. The requirements set by the power supply system to the converter include high efficiency and wide load range including idle. The latter is quite serious taking into account intrinsic property as a current source of photovoltaic. Direct conversion is impeded and required high loop gain as well as high speed in a control circuit. Current work examines resonant converter topologies for solar sources assuring soft commutation as well as parametric stabilization of the output voltage in full load range due to load impedance transformation. The aim of the research is the analysis of electrical properties of boost resonant LCL-T converter for photovoltaics along with efficiency of the one. Methods: basic electric circuit theory, algebraic equations, computational solving as well as modern instrumental systems and numerical simulation. Results. It is shown that current fed resonant LCL-T converter needs active rectifier to achieve parametric output voltage stabilization by recuperation energy out of output filter into resonant tank. That solution has high static losses because they are determined by the photovoltaic's current. Use of boost topology allowed divert source's current between bridge converters thus less static losses to achieve 98 % efficiency at nominal load. The authors have examined the properties of boost type resonant LCL-T converter controlled by PWM. Current and voltage values within the full control range do not exceed nominal ones due to mitigation of gain rise by declining source (solar battery) current. The gain increase is caused by the phase shift between current and voltage. LCL-T converter assures soft commutation of the transistors without frequency adjustment needed in typical series resonant converter. Validation of the result obtained is provided, conclusions are given.