蓄電池充放電裝置中雙向AC/DC變流器的研究

0 引言
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，蓄電池在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如郵電、通訊、電力系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)、逆變及特種電源系統(tǒng)等，因此，蓄電池的維護(hù)顯得越來越重要。對蓄電池運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控并定期進(jìn)行均衡充放電維護(hù)是延長蓄電池使用壽命，保證蓄電池正常工作的必不可少的手段之一。
目前，常規(guī)的蓄電池維護(hù)大都采用充電器和放電器，充電器一般采用晶閘管控制。因而具有諧波嚴(yán)重、功率因數(shù)低等缺點。而蓄電池放電時主要利用電阻放電，消耗了大量的電能。雖然也有少數(shù)采用晶閘管有源逆變向電網(wǎng)饋能，但仍不可避免地因為諧波和低功率因數(shù)而污染電網(wǎng)。隨著電力電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用SPWM雙向整流逆變技術(shù)可以實現(xiàn)蓄電池的充放電控制。它實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流正弦化及單位功率因素，大大降低了裝置對電網(wǎng)的諧波污染；采用逆變放電將蓄電池電能回饋至電網(wǎng)，大大節(jié)省了電能；并且具有恒壓、恒流或按照蓄電池充放電曲線進(jìn)行控制，方便蓄電池的管理，有助于延長蓄電池使用壽命。

1 系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。主電路采用單相PWM的AC／DC的電壓型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，L2是交流側(cè)電感，實現(xiàn)PWM電流控制，合理地選擇電感L2對系統(tǒng)至關(guān)重要，L2選擇過小會使輸出電流的波紋較大，產(chǎn)生大的電磁噪聲和干擾；L2選擇過大會增加電壓降，使電流跟蹤能力差，需要相應(yīng)增加母線電壓。L1，C1及C2組成濾波器，使蓄電池獲得平滑的電流、電壓波形；變壓器可以使直流側(cè)電壓和電網(wǎng)電壓適配，井將蓄電池組和電網(wǎng)隔離。

2系統(tǒng)的控制
2.1 系統(tǒng)控制框圖
系統(tǒng)的控制目標(biāo)是使系統(tǒng)能雙向運行，并且蓄電池的充、放電過程能按照規(guī)定的曲線進(jìn)行。系統(tǒng)在充電時處于整流模式，電網(wǎng)側(cè)電流為正弦波且功率因數(shù)為1，電能從電網(wǎng)流向蓄電池；系統(tǒng)在放電時處于有源逆變模式，電網(wǎng)側(cè)電流為正弦波且功率因數(shù)為“-1”，此時電能從蓄電池流向電網(wǎng)。兩種工作模式下電壓、電流矢量圖如圖2所示。

圖2(a)顯示電網(wǎng)側(cè)的電流和電壓同相位；圖2(b)顯示電網(wǎng)側(cè)電流和電壓相位相反。圖中的Un是逆變器的輸出電壓矢量。
根據(jù)系統(tǒng)的拄制要求，需要按照充放電曲線實時地控制蓄電池的電流和電壓，這樣系統(tǒng)需要控制的量有3個：蓄電池電流，蓄電池電壓、電網(wǎng)側(cè)電流。系統(tǒng)的控制框圖如圖3所示。

圖中：Ubat*是蓄電池充放電的電壓指令值，Ubat是蓄電池電壓反饋值；Ibat*是蓄電池充放電的電流指令值，Ibat是實際的蓄電池充放電電流；I*是交流側(cè)電流的指令值，I是實際的交流電流；G1(s)是蓄電池電壓調(diào)節(jié)器，通常為PI環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過限幅后作為電網(wǎng)側(cè)電流指令的幅值Im；G2(s)是蓄電池電流的調(diào)節(jié)器，它控制實際的蓄電池工作電流，調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過限幅后也作為電網(wǎng)側(cè)電流指令的幅值Im；電壓環(huán)和電流環(huán)之間的切換根據(jù)蓄電池充放電曲線進(jìn)行；調(diào)節(jié)器輸出的正負(fù)決定了系統(tǒng)工作在充電還是放電狀態(tài)；Im和電網(wǎng)電壓同頻同相的單位正弦信號一起構(gòu)成了交流側(cè)電流的指令值I*；G3(s)是電流調(diào)節(jié)環(huán)．
K是功率放大環(huán)節(jié)，G4(s)是交流濾波環(huán)節(jié)，Uc是電網(wǎng)電壓。
2.2系統(tǒng)控制的實現(xiàn)
為了實現(xiàn)對蓄電池充放電曲線的控制，在系統(tǒng)工作過程中，可以根據(jù)要求的曲線實時地改變電壓指令值，這樣就可以使蓄電池滿足電壓曲線。系統(tǒng)在工作過程中時，調(diào)節(jié)器G1(s)一般處于飽和狀態(tài)，可以根據(jù)曲線實時地改變它的限幅值，這樣就能控制電網(wǎng)側(cè)電流的大小，從而控制蓄電池充放電的電流，滿足曲線需要。在蓄電池充放電的后期，調(diào)節(jié)器會自動地退出飽和狀態(tài)，蓄電池工作在小電流的充放電狀態(tài)。
SPWM電流跟蹤控制采用簡單的比例控制，它具有控制簡單并且穩(wěn)定性好等特點，由于它具有固定的開關(guān)頻率，因此它有利于濾波環(huán)節(jié)的設(shè)計，也有利于限制系統(tǒng)的開關(guān)損耗。
系統(tǒng)的控制過程如圖1和圖3所示，電網(wǎng)側(cè)電流給定和實際電流的偏差經(jīng)過G3(s)調(diào)節(jié)后和三角載波比較，輸出按照正弦規(guī)律變化的脈沖序列，該脈沖經(jīng)過驅(qū)動電路后形成互補的且具有死區(qū)時間的脈沖對，分別驅(qū)動一個橋臂的上下兩個功率器件，另一個橋臂的驅(qū)動脈沖滯后180°，這樣就能保證交流側(cè)的電流為正弦波。

3 實驗結(jié)果
依據(jù)上述研究，設(shè)計了一臺5kW的蓄電池充、放電樣機(jī)，其主要參數(shù)如下：

P=5kW，變壓器為220V／130V(Ue=130V Ubat=220V)，L2=3mH．C1=C2=3300μF，L1=5mH，f=10kHz。
圖4為蓄電池在充、放電時的電網(wǎng)側(cè)電流波形，其中①為電網(wǎng)電壓波形，有效值220V；②為電網(wǎng)側(cè)電流波形，有效值為22.4A。圖4(a)顯示電流和電壓同相，即功率因數(shù)為1，電流為正弦電流，電流由電網(wǎng)流入蓄電池；圖4(b)顯示電流和電壓反相，即功率因數(shù)為“-1”，電流為正弦波，電能由蓄電池流向電網(wǎng)，即實現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電。

4 結(jié)語
采用雙向AC／DC變流器設(shè)計的充放電裝置在滿足能充電放電的同時，實現(xiàn)了電網(wǎng)側(cè)電流的正弦化和單位功率因數(shù)，大大減少了裝置運行時時電網(wǎng)的污染，并網(wǎng)發(fā)電實現(xiàn)了節(jié)能。系統(tǒng)能按照設(shè)定的蓄電池充放電曲線工作，管理方便，有效地延長了蓄電池的使用壽命。