Обоснование параметров преобразователя постоянного тока для источника автономного электроснабжения

Для повышения энергоэффективности функционирования предприятий минерально-сырьевого комплекса большое значение имеет создание системы электроснабжения, способной обеспечить выполнение технологического процесса. При этом необходимо учитывать ряд особенностей, присущих данным предприятиям: возможная удаленность от централизованных энергосистем, территориальная рассредоточенность объектов, например, предназначенных для геологоразведочных, геодезических и других видов работ, которые производятся с целью поиска, обнаружения и подготовки месторождений полезных ископаемых.

Более того, с интеграцией возобновляемых источников энергии и широким распространением концепции распределенной генерации стало обычным делом вводить источники энергии разных типов в одну систему. Например, в рамках программы Smart Grids and Energy Markets Технологического университета Лаппеенранты, разрабатывается проект системы электроснабжения загородных поселков. В проекте обосновывается целесообразность замены воздушных линий переменного тока среднего (1 кВ) и низкого (0,4 кВ) напряжения кабельными подземными сетями постоянного тока LVDC (±0,75 кВ) [1]. На рис. 1

показана структурная схема автономной системы электроснабжения LVDC с разнотипными источниками и накопителями электроэнергии. Одним из основных элементов, входящих в состав автономного источника питания, являются накопители электроэнергии (аккумуляторные батареи, модули суперконденсаторов) и DC/DC-преобразова-тели. При параллельной работе разнотипных источников электроэнергии на одну систему шин постоянного тока необходимо учитывать наличие уравнительных токов между источниками из-за пульсаций в выпрямленном напряжении со стороны источников переменного тока, например, гидро- или ветрогенератора и учитывать изменение уровня входного напряжения, а также необходимость регулирования и стабилизации выходного напряжения DC-преобразователя. Поэтому обоснованный выбор DC/DC-преобразователя автономного источника электроснабжения и определение параметров, входящих в его состав элементов, является актуальной задачей.

Разработку преобразователя постоянного тока для источника автономного электроснабжения выполним для следующих условий:

– напряжения сети 500 В;

– в режиме стабилизации выходного напряжения напряжение на входе изменяется не менее ± 40 %.

Рис. 1. Структурная схема автономной системы электроснабжения LVDC

Обоснование выбора типа

DC/DC-преобразователя

Режим управления DC/DC- системы преобр а зования мощности может быть реализован разли ч ными схемными топологиями [2]. Среди них баз овые и наиболее часто используемые преобразов а тели: понижающий, повышающий, преобразоват ели типа CUK, ZETA и SEPIC.

В [3– 23] рассмотрены различные типы бе з- мостовых топологий преобразователей, больши н ство из которых основаны на конфигурациях п овышающего преобразо вателя. Основное их пр еимущество – это низкая стоимость. Тем не менее они обладают следующими недостатками [24]:

– отсутствие изоляции входа – выхода;

– высокие пульсации тока.

Главной особенностью преобразователей типа CUK, ZETA и SEPIC является то, что они могут работать как в повышающем режиме, так и в понижающем. В [25] приведены результаты сравнения указанных преобразователей. Показано, что преобразователь CUK имеет более высокий уровень импульсных помех и длительность переходного процесса. Характеристики SEPIC и ZETA показаны идентичными. Однако необходимо отметить, что конденсаторный фильтр, используемый для преобразователя SEPIC, составлял 80 мкФ, тогда как конденсатор, используемый в преобразователе ZETA, – 120 мкФ. Это позволяет утверждать, что применение конденсатора большей емкости может улучшить качество выходного напряжения в случае его использования с преобразователем SEPIC. При этом в преобразователе SEPIC не изменяется полярность выходного напряжения, что является преимуществом перед аналогами и благоприятно сказывается, при использовании микропроцессорного управления преобразователем. В [24, 26] и [27–33] рассмотрены преобразователи на основе различных топологий SEPIC, также была показана их способность преодолевать вышеуказанные проблемы повышающего преобразователя. Проведенный анализ и сравнение работы различных преобразователей постоянного тока в широком диапазоне мощностей [25] показал, что с помощью преобразователя типа SEPIC могут быть получены более низкие значения пульсаций напряжения и величины перерегулирования. Также преимуществом SEPIC является возможность обеспечения изоляции входа/выхода [34].

Топология модели преобразователя SEPIC

Первичный индуктивный преобразователь с одним переключателем (SEPIC), показанный на рис. 2, построен с использованием топологии повышающего преобразователя путем вставки конденсатора С ₁ между индуктивностью L ₁ и диодом D ₁. Этот конденсатор позволяет обеспечить изоляцию между входом и выходом. При этом анод диода D ₁ также подключен к индуктивности L ₂ [35].

Количество обмениваемой энергии контролируется с помощью переключателя Q ₁, который обычно является транзистором, таким как MOSFET или IGBT. Две разные конфигурации схемы в зависимости от состояния переключателя Q ₁ для случая режима непрерывной проводимости показаны на рис. 3.

Преобразовательная техника

Рис. 2. Схема преобразователя SEPIC

а)

б)

Рис. 3. Анализ SEPIC: а – 1-й подинтервал; б – 2-й подинтервал

В течение первого интервала времени (0 ≤ t ≤ DT , где T – период следования импульсов, D – коэффициент заполнения), Q 1 включен, а диод D 1 выключен, как показано на рис. 3а, напряжение на индуктивности L 1 равно входному напряжению U g . Что касается напряжения на индуктивности L 2 , оно равно U C 1 . Энергия накапливается в индуктивности L ₁ от источника. В то же время конденсатор C ₁ питает индуктивность L ₂. Таким образом, энергия внутри индуктивностей увеличивается в этот период [34, 36].

Во время второго интервала времени Q ₁ выключен, а диод D ₁ включен, согласно рис. 3б, напряжение на индуктивности L 2 является обратным по отношению к выходному напряжению. В течение этого периода конденсаторы заряжаются и накапливают энергию.

Применяя методы «приближения малых отклонений», «баланс вольт-секунд» и «баланс заряда конденсатора» [37], получим зависимость между входным и выходным напряжениями относительно коэффициента заполнения D :

и = — U. (1)

1-D ⁹

Определение параметровпреобразователя SEPIC

Изучив кривые напряжений и токов на индуктивностях L ₁ и L ₂ на конденсаторах С ₁ и С ₂, можно определить диапазон пульсаций тока на индуктивности и диапазон пульсаций напряжения на конденсаторах.

Д =u<;(2)

Д

Ди^ = С-№(4)

Ди = ДиС2 = Г—)2 -^^^.(5)

^C2 1-D 2RC₂

В [36] и в [38] упоминается, что допустимые пульсации тока индуктора соствляют 40 % (пик до пик) и пульсации напряжения конденсатора – 2 %. В [39] отмечается, что в импульсных источниках питания постоянного тока процентная пульсация выходного напряжения обычно составляет около 1 %.

Определение допустимой пульсации тока и напряжения необходимо при выборе структуры и параметров окончательной конструкции преобразователя и в основном зависит от условий применения. Например, в автомобильной промышленности конструкция преобразователя мощности должна быть надежной, иметь малый вес и иметь относительно небольшой объем, но при этом сохранять высокий КПД, а также быть устойчивым к электромагнитным помехам и низким колебаниям тока / напряжения. Это также может отразиться на топологии преобразователя [40].

Задавшись количеством приемлемых пульсаций тока на индуктивности и напряжения на конденсаторах в преобразователе SEPIC, исходя из необходимого выходного напряжения, можно определить параметры элементов преобразователя:

L i	= и дРТ. 2ДЧ?	(6)
	UnDT
L2	2Д1Е2 ;	(7)
C i	= f-D_V_UgL- ; V i-D 2КДдС1	(8)
C 2	= r_L.) 2_U1L . i-D    2RAuC2	(9)

Моделирование преобразователя SEPIC

Для проверки полученных уравнений реализована блок-схема типовой топологии преобразователя SEPIC в MATLAB/Simulink (рис. 4). Анализируя уравнение (1), мы видим, что значение рабочего цикла D определяет режим работы пре-

Рис. 4. Болк-схема преобразователя SEPIC в MATLAB

Таблица 1

Расчетные параметры SEPIC в режиме повышенной работы

Расчетные параметры
Switching Frequency	200 кГц
Input Voltage	500 В
Output Voltage	800 В
Resistance Load	5,333 Ом (120 кВт)
Steady-State duty cycle D	0,6154
Δ i L 1	15 % от IL 1
Δ iL 2	15 % от IL 2
L 1	21,368 мкГн
L 2	34,188 мкГн
Δ u C 1	1 % от UC 1
Δ u C 2	1 % от UC 2
C 1	46,154 мкФ
C 2	28,846 мкФ

Рис. 5. Результат моделирования SEPIC в режиме повышающего преобразователя

Преобразовательная техника образователя в качестве понижающего или повышающего. Когда D меньше 0,5, преобразователь действует как понижающий, а когда D больше 0,5, преобразователь повышает входное напряжение.

Рассмотрим случай, когда преобразователь SEPIC работает в повышающем режиме. Предполагается, что нагрузка является активной – 120 кВт. Параметры схемы преобразователя рассчитаны в соответствии с ранее полученными уравнениями и ограничениями пульсаций токов индуктивности и напряжений конденсаторов. Параметры приведены в табл. 1, а результаты – на рис. 5.

Далее рассматривается случай, когда преобразователь SEPIC работает в понижающем режиме. Нагрузка является также активной и имеет значение 120 кВт. Параметры схемы преобразователя рассчитаны в соответствии с ранее полученными уравнениями и ограничениями пульсаций токов индуктивности и напряжений конденсаторов. Все данные приведены в табл. 2, а результаты – на рис. 6.

Система состоит в основном из источника постоянного напряжения 500 В, и роль преобразователя SEPIC заключается в понижении подаваемого напряжения до 400 В при частоте переключения 200 кГц.

Результаты обоих режимов работы показывают реакцию преобразователя в соответствии с рассчитанными значениями элементов. Погрешность составила около 0,5 %.

Выполним моделирование режима стабилизации выходного напряжения на уровне 500 В при изменении напряжения в диапазоне ±40 %. Нагрузка преобразователя также будет иметь активный характер, величина 120 кВт. Все данные приведены в табл. 3, а результаты – на рис. 7 и 8.

Как показано на рис. 7 и 8, выходное напряжение зафиксировано на уровне 500 В. Однако стоит отметить, что, когда входное напряжение падает слишком сильно, в сигнале будет присутствовать влияние гармоник (без учета переходной реакций системы на контроллер).

На рис. 9 показана, коррекция коэффициента заполнения при изменении входного напряжения. Когда напряжение, подаваемое в преобразователь, ниже 500 В, SEPIC действует как повышающий преобразователь, и, следовательно, коэффициент заполнения будет выше 0,5. Однако когда входное напряжение выше 500 В, коэффициент заполнения будет меньше 0,5. Это значение автоматически контролируется на уровне контроллера.

Таблица 2

Расчетные параметры SEPIC в режиме понижающей работы

Расчетные параметры
Switching Frequency	200 кГц
Input Voltage	500 В
Output Voltage	400 В
Resistance Load	1,333 Ом (120 кВт)
Steady-State duty cycle D	0,4444
Δ i L 1	15 % от I L 1
Δ i L 2	15 % от I L 2
L 1	15,432 мкГн
L 2	12,346 мкГн
Δ u C 1	1 % от U C 1
Δ u C 2	1 % от U C 2
C 1	66,667 мкФ
C 2	83,333 мкФ

Buck Mode Operation

Рис. 6. Результат моделирования выхода SEPIC в режиме понижающего преобразователя

Таблица 3

Расчетные параметры SEPIC в режиме повышенной работы с изменчивым входным напряжением DC

Расчетные параметры
Sw it ch i ng Fre qu en c y	200 кГц
D e si gn In p u t V olt ag e	400 В
O u tpu t V olt a g e	500 В
R es i s t a n ce Loa d	2,0833 Ом (120 кВт)
D e si gn du ty cy c l e D	0,5556
Δ i L 1	15 % от I L 1
Δ i L 2	15 % от I L 2
L 1	12,346 мкГн
L 2	15,432 мкГн
Δ u C 1	1 % от U C 1
Δ u C 2	1 % от U C 2
C 1	83,333 мкФ
C 2	66,667 мкФ

Рис. 7. Выходное напряжение SEPIC в режиме стабилизации напряжения

Рис. 8. Пульсация выходного напряжения

Преобразовательная техника

Рис. 9. Автоматическая коррекция коэффициента заполнения D

Выводы

Выполнен анализ DC/DC-преобразователей. Обосновано, что для систем автономного электроснабжения, имеющих в своем составе накопители электроэнергии (аккумуляторные батареи, модули суперконденсаторов), целесообразно применение преобразователя типа SEPIC.

Обоснован выбор параметров DC/DC-пре-образователя автономного источника электроснабжения. Проведено моделирование работы преобразователя в режимах повышения, понижения и стабилизации выходного напряжения в пакете MATLAB / Simulink. Результаты моделирования режимов работы показывают реакцию преобразователя в соответствии с рассчитанны- ми значениями элементов. Полученные результаты моделирования показывают эффективность предлагаемого решения для источника автономного электроснабжения. Погрешность составила около 0,5 %.

Преобразователи SEPIC могут быть использованы не только в системах автономного питания с накопителями энергии (аккумуляторными батареями и суперконденсаторными модулями), но также в системах коррекции коэффициента мощности, особенно в связи с развитием конденсаторов с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (low-ESR, equivalent series resistance) [41], а также для фотоэлектрических станций и ветровых турбин.