基于 LC 谐振的远距离恒流充电技术研究

刘从聪 王植

广东电网有限责任公司东莞供电局 广东东莞 523009

摘要：脉冲功率技术在油井解堵、管道清洗等领域有良好的应用前景，储能电容器的远距离充电是其中的关键技术之一。本文研究了基于LC谐振变换器的远距离恒流充电技术，首先应用交流小信号分析法对基于LC谐振变换器的恒流充电电源基本工作原理进行了说明。最后通过对50 μF电容器的充电实验，证明了基于LC谐振变换器的充电电路具有具有恒流、结构简单、控制方便等特性，适用于脉冲功率装置储能电容的长距离快速、高效充电。

关键词：脉冲功率，LC谐振变换；远距离；储能电容器；恒流充电

1 引言

随着科技的快速发展，电容储能型脉冲功率装置的应用领域越来越广泛，储能电容器的精确快速充电是装置可靠运行需要解决的关键技术之一，在电脉冲油水井解堵^[1]、管道清洗^[2]等领域，通常工作环境恶劣、空间狭小，并且远离供电电源，因此要求电容器充电电源具有长距离充电特性好、结构简单的特点。

目前在电容器充电回路中一般采用两种方法，即恒流充电和恒压充电。由于恒压充电具有结构简单、技术可靠的特点，在电脉冲油井解堵装置中普遍采用恒压充电方式^[3-6]。然而恒压充电具有充电速度慢、效率低、限流电阻产热量大等缺点，因此需要采用一种既能实现恒流充电，又具有结构简便、控制电路简单等特点充电方案。

基于LC谐振的电容器充电技术存在固有的恒流充电特性、抗负载短路能力、恒定频率的简单控制电路等特点，基于LC谐振的长距离充电结构具有较好的恒流充电特性。

2 充电主回路分析

2.1 基本工作原理

基于LC谐振的长距离电容器充电电源主要包括：变频部分、LC谐振变换部分、电缆、升压变压器及输出整流部分，其等效电路如图1所示。

图1 谐振变换部分等效电路

在不考虑谐振电感的电阻情况下，即电感品质因数Q_L= ∞，当 _n=1时，电流增益为

(1)

2.2 实际输出特性

在实际情况下，谐振电感不可避免地具有绕组欧姆电阻，因此谐振电感的品质因数是一个有限值。当谐振电感的品质因数分别为Q_L= 10和Q_L= 20时的电流增益曲线如下图所示。

(a) Q_L= 10

(b) Q_L= 20

图2 考虑电感电阻时电流增益曲线(  =1 )

对比图2(a)、图4(b)可以发现，在相同Q值的变化范围内，谐振电感品质因数Q_L越大，电流增益变化越小，变换器的恒流特性越好。因此为了得到更好的恒流特性，还应该尽量增大谐振电感的品质因数。

另外，在相同条件下，当  =1时存在一个最大的电流增益。即当电缆等效电感L_c与谐振电感相等时，变换器可获得最大的电流增益，而当 越偏离1，变换器的电流增益越小。因此电缆电感对变换器的输出电流有一定的影响，当电缆等效电感与谐振电感相差越大时，将会使变换器的输出电流越小，并且谐振电感的品质因数Q_L越小，电流减小的幅度越大。电缆等效电阻的存在将充电期间的品质因数Q，并且R_c越大，对品质因数Q的减小幅度也越大，变换器的恒流特性越差。因此电缆电阻将影响变换器的输出电流，电缆电阻越大，变换器在充电期间的恒流特性越差。

3 实验验证结果

根据以上理论分析，对基于LC谐振变换的长距离电容器恒流充电系统进行了实验验证。变频器输出电压U=220V，频率f=1000Hz；谐振电感采用的是空心电感，电感量L=12.7mH，品质因数Q_L=7；谐振电容采用耐压为2000V的STD-2000系列电容，电容量C=2μF；将3km的电缆等效为集中参数的电阻和电感，电缆等效电阻R_c=106Ω，等效电感L_c=2.67mH；变压器变比n=20；负载电容为50μF。

(a) 充电电压为2.3kV

(b)充电电压为6.3kV

图3 实验波形

图3(a)是充电电压为2.3kV时的波形，可见具有很好的线性度，表明在0~2.3kV的充电期间，变换器具有良好的恒流特性。图7(b)是充电电压为6.3kV时的波形，可见波形整体近似呈线性，但在充电末期线性度有所下降。这是因为充电电压越高，品质因数Q越小，变换器输出电流减小的幅度越大，因此恒流特性越差。实验证明，基于LC谐振变换结构的电容器充电技术具有一定的恒流特性，并且结构简单、控制方便，可以应用到长距离电容器充电电源中。

4 结论

本文将基于LC谐振变换结构的电容器恒流充电技术应用到长距离电容器充电电源中，实现了储能电容器的快速充电，并且具有结构简单、控制方便的特点。介绍了LC谐振变换结构的基本工作原理，同时对变换器的实际输出特性进行了分析，说明了电缆参数对恒流充电特性的影响。通过仿真和实验，证明了基于LC谐振变换的充电电路具有恒流、结构简单、控制方便等特性，适用于脉冲功率装置储能电容的长距离快速、高效充电。

参考文献

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6. 马皓，俞宏霞，严颖怡．电流源型LCL谐振式变换器的研究[J]．中国电机工程学报，2009(9)：28-34．

作者简介：

刘从聪(1992-)，男。工程师，硕士，主要从事高电压与绝缘技术方面的研究工作，1534049210@qq.com。

王 植(1987-)，男。高级工程师，学士，主要研究方向为输变电设备检测技术，wangzhigd@126.com。