雙向SPWM逆變整流蓄電池充放電維護(hù)裝置

0    引言

    鉛酸蓄電池是使用最為廣泛的儲能元件之一，如在郵電、通信、電力部門等。蓄電池作為備用的應(yīng)急能源，是保證系統(tǒng)正常工作的必不可少的部件之一。

    作為備用電源應(yīng)用時(shí)，正常情況下，蓄電池工作于浮充狀態(tài)，隨著浮充時(shí)間的積累，蓄電池極板會產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會損壞蓄電池，因此，對蓄電池工作狀態(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及保證蓄電池正常工作的必不可少的手段之一。

    對于蓄電池生產(chǎn)廠商來說，每個(gè)蓄電池在生產(chǎn)過程中都需要進(jìn)行三充兩放的老化和性能測試工作，因此，蓄電池的充放電設(shè)備必不可少。

    目前，大容量蓄電池的放電維護(hù)通常采用兩種方法進(jìn)行：一是串接負(fù)載電阻放電，把蓄電池存儲的電能耗散在大功率電阻的發(fā)熱中，因此，每進(jìn)行一次維護(hù)工作須消耗大量的電能，并且要及時(shí)監(jiān)視蓄電池電壓的變化，以防過放的發(fā)生，其放電電流控制也不方便；另一種是采用晶閘管有源逆變方式進(jìn)行放電維護(hù)，該方式將電能饋送電網(wǎng)，以達(dá)節(jié)能降耗目的，該方式雖然可將能量返回給電網(wǎng)起到節(jié)能作用，但由于其反饋給電網(wǎng)的電流波形為方波，含有大量的高次諧波成分，對電網(wǎng)造成諧波污染，且運(yùn)行時(shí)電磁噪聲較大，并網(wǎng)功率因數(shù)也較低，會損失大量的無功電能。

    隨著電力電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用先進(jìn)的SPWM雙向整流逆變技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)蓄電池組的充放電控制，采用該技術(shù)的裝置在充放電時(shí)不會對電網(wǎng)產(chǎn)生任何諧波污染，并網(wǎng)電流波形是完美的正弦波，且功率因數(shù)可控制為1，不僅如此，其運(yùn)行時(shí)噪聲低，且體積小、效率高。由于其采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制和管理，可以方便各類用戶需求，并具有蓄電池充放電曲線的優(yōu)化設(shè)定控制，有助于延長蓄電池使用壽命，也方便蓄電池的生產(chǎn)和管理。在節(jié)能降耗方面可以得到大大提高。

1    系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)

    雙向SPWM逆變整流裝置一般采用電壓型逆變主電路，其功率開關(guān)器件為絕緣柵型雙極晶體管（IGBT），采用電流控制方式，該逆變主電路如圖1所示。

圖1    系統(tǒng)主電路

    該主電路適用于三相電網(wǎng)，而對于單相電網(wǎng)其主電路結(jié)構(gòu)類似，但充放電電流脈動較大。其BP端與BN端分別接蓄電池的正極和負(fù)極，電阻R_s為軟啟動電阻，以防止在合閘瞬間由于濾波電容的初始零電壓，產(chǎn)生大的短路沖擊電流，在軟啟動完畢后，接觸器KM₁閉合，短路R_s。其電容的選擇與逆變器輸出額定功率、母線電壓有關(guān)，若電容量選擇過小，逆變器直流母線電壓的波動幅度將較大，同時(shí)也會引起大的蓄電池直流充放電電流脈動。

    系統(tǒng)中的主變壓器一方面起安全隔離作用，保證蓄電池的正負(fù)極與電網(wǎng)隔離，另一方面，也是為了充放電蓄電池的電壓匹配。若無隔離變壓器，直流母線的電壓幅值應(yīng)大于交流電網(wǎng)電壓，否則，難以實(shí)現(xiàn)雙向電流充放電，但如果蓄電池的直流母線電壓匹配過高則會影響系統(tǒng)的效率。

    系統(tǒng)中濾波電抗的設(shè)計(jì)選擇是至關(guān)重要的，它涉及到并網(wǎng)電流波形的脈動幅度和跟蹤正弦電流幅值的范圍，若電抗器L值選擇過大，則在同樣開關(guān)頻率下，輸出電流紋波會較小，但蓄電池放電并網(wǎng)功率會受到限制；L值選擇過小，輸出電流紋波會較大，產(chǎn)生較大的電磁噪聲和干擾。所以，電感值的設(shè)計(jì)選擇應(yīng)以滿足并網(wǎng)功率為前提條件，以電流脈動紋波幅度為設(shè)計(jì)條件，以得到滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的低失真、低諧波、高品質(zhì)的正弦輸出電流波形。濾波電抗器的設(shè)計(jì)和加工要保證在額定電流范圍內(nèi)穩(wěn)定不變，即工作在線性區(qū)域內(nèi)，同時(shí)還要防止在運(yùn)行過程由于氣隙松動產(chǎn)生的電磁力噪聲。

    雖然電流波形被控制為良好的正弦波形，但高頻開關(guān)的影響，使電流波形中含有開關(guān)頻率的高次諧波，將會產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和空間電磁輻射。為了使系統(tǒng)滿足電磁兼容及電磁干擾國家標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)必須配置專用的高頻濾波器，并在主電路的工藝結(jié)構(gòu)和機(jī)箱設(shè)計(jì)上采取預(yù)防措施。

2    系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

    蓄電池的充放電系統(tǒng)需要控制直流電流和直流電壓，而交流并網(wǎng)電流也是需要控制的，因此，該系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)應(yīng)包含有三閉環(huán)控制，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2    系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)  [!--empirenews.page--]

    V_B^＊為蓄電池充放電電壓指令值，V_B為蓄電池實(shí)際反饋電壓，V_T為電壓調(diào)節(jié)器，其輸出為充放電電流指令值I_B^＊，I_B為實(shí)際充放電直流電流，LT₁為直流電流調(diào)節(jié)器，LT₁的輸出I_M^＊作為并網(wǎng)電流的幅值給定，其正負(fù)就決定了是放電還是充電，即其逆變器并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓是同相還是反相。TB為同步電壓變換器，I_M^＊與同步變換器輸出U_AK^＊的乘積為I_a^＊，I_a^＊再作為并網(wǎng)交流電流的給定，經(jīng)LT₂電流調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流Ia的跟蹤控制，也即指令電流I_a^＊與電網(wǎng)的對應(yīng)相位是相同還是相反。做為另外兩相電流給定值I_b^＊及I_c^＊的控制與I_a^＊的控制方式相同，直流電壓調(diào)節(jié)器VT和直流電流調(diào)節(jié)器LT₁不變。

    由于系統(tǒng)存在三閉環(huán)控制，各調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)設(shè)定對系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性有較大影響，各調(diào)節(jié)器參數(shù)應(yīng)合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)的充放電電壓和電流的穩(wěn)定。

    為了實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電曲線的控制，在充放電過程中，可以設(shè)定V_B^＊和VT調(diào)節(jié)器的輸出限幅I_Bmax^＊，在不同的充放電電壓區(qū)域，由于VT調(diào)節(jié)器開始時(shí)一般是處于飽和狀態(tài)，其輸出處于限幅值，所以充放電電流跟蹤I_Bmax^＊，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到某點(diǎn)設(shè)定電壓值時(shí)，再次修改VT調(diào)節(jié)器輸出限幅即可。在充放電的最后階段，VT調(diào)節(jié)器會自動進(jìn)入退飽和調(diào)節(jié)，并控制蓄電池充放電電壓滿足設(shè)定要求。

3    交流電流的內(nèi)環(huán)跟蹤控制

    雙向SPWM整流逆變控制技術(shù)的關(guān)鍵在于交流電流內(nèi)環(huán)的電流跟蹤控制，電流跟蹤控制的方式有多種，如電流滯環(huán)比較控制、SPWM異步閉環(huán)電流控制、電流數(shù)字預(yù)估控制、電壓矢量運(yùn)算控制等。

3.1    電流滯環(huán)比較控制

    滯環(huán)PWM電流控制是一種較為傳統(tǒng)的控制方法，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，DP為上下橋臂驅(qū)動電路，KH為滯環(huán)比較器。滯環(huán)比較方式的特點(diǎn)是采用硬件電路比較，電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，電流控制的響應(yīng)很快，誤差可控，但輸出電流的諧波較多，電磁噪聲較大。

圖3    滯環(huán)PWM電流控制

3.2    SPWM異步閉環(huán)電流控制

    SPWM異步電流閉環(huán)跟蹤控制是一種控制簡單且穩(wěn)定性能較好的方式，由于它具有固定的開關(guān)頻率，因此有利于濾波電路的設(shè)計(jì)，也有利于限制電路的開關(guān)損耗，同時(shí)有利于降低噪聲。該種電流控制方式具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、噪聲小、諧波低等特點(diǎn)。本文采用的方式如圖4所示，電流偏差通過PI比例積分調(diào)節(jié)后與三角載波比較，由于電流給定I_a^＊為正弦波，當(dāng)控制內(nèi)環(huán)穩(wěn)定時(shí)，其PI調(diào)節(jié)器輸出也會為正弦波，其比較輸出為等效的SPWM脈沖序列,該脈沖序列經(jīng)DP驅(qū)動電路分別驅(qū)動上下橋臂IGBT模塊，使電流形成負(fù)反饋控制。圖5為采用該電流控制方式的并網(wǎng)電流跟蹤實(shí)驗(yàn)波形，由圖5中電網(wǎng)同步電壓與電流波形可知，實(shí)際電流跟蹤效果良好，由于正弦電流控制采用的是PI調(diào)節(jié)，因此，實(shí)際并網(wǎng)正弦電流的跟蹤與指令電流存在相位和幅值的誤差，為此在軟件上須進(jìn)行誤差補(bǔ)償，以消除實(shí)際電流與電網(wǎng)電壓的相位誤差，提高并網(wǎng)功率因數(shù)。

圖4    SPWM異步閉環(huán)電流控制

圖5    放電時(shí)電網(wǎng)同步電壓與并網(wǎng)電流波形 [!--empirenews.page--]

4    系統(tǒng)的控制功能設(shè)計(jì)

    蓄電池充放電維護(hù)裝置的控制功能設(shè)計(jì)要考慮用戶的使用場合和操作靈活性，本系統(tǒng)控制器的核心芯片采用TI公司的DSP（TMS320LF2407A），由于其專有的SPWM控制功能和高速數(shù)據(jù)處理能力，使系統(tǒng)能以全數(shù)字軟件方式實(shí)現(xiàn)正弦波并網(wǎng)電流的雙向控制，并在實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)正弦電流波形及減小噪聲等方面效果良好。在此基礎(chǔ)上，針對蓄電池的充放電控制要求及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了較為全面的充放電控制和管理模式。其主要功能設(shè)計(jì)如下。

    1）充放電曲線設(shè)定可以由用戶在本機(jī)液晶顯示操作面板上設(shè)定合適的電壓電流充放電數(shù)值，以有限數(shù)組實(shí)現(xiàn)曲線的擬合，控制充放電電流跟蹤設(shè)定曲線，并最終穩(wěn)定在蓄電池充放電的上下限電壓值上。

    2）充放電模式設(shè)定設(shè)置了放電模式、充電模式和循環(huán)自動充放電模式。在充放電模式下，如果系統(tǒng)完成了充放電過程，則自動停機(jī)等待并聲音提示。在循環(huán)自動充放電模式，會根據(jù)用戶設(shè)定的循環(huán)充放電次數(shù)，自動完成充放電控制，并停機(jī)聲音提示。

    3）上位機(jī)的通信控制及管理本機(jī)系統(tǒng)設(shè)有RS485通信接口，可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信。本機(jī)可以通過現(xiàn)場總線將運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，如蓄電池電壓、蓄電池電流等；上位機(jī)也可以發(fā)送控制指令給下位機(jī)，如充電電壓電流指令、放電電壓電流指令等，并可以同時(shí)監(jiān)控和管理多臺蓄電池充放電設(shè)備，圖形顯示當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)和歷史運(yùn)行曲線等。

5    系統(tǒng)的故障保護(hù)

    對于該型的蓄電池充放電維護(hù)裝置，除了要具備一般的逆變電源保護(hù)功能，如交流過流、直流過流、短路、蓄電池過充過放、散熱器超溫等，特別還應(yīng)有孤島效應(yīng)的防止與保護(hù)功能。孤島效應(yīng)是指并網(wǎng)型逆變電源在電網(wǎng)斷電時(shí)，逆變器仍然保持對失壓電網(wǎng)中的某一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)，這樣電力孤島效應(yīng)區(qū)域會發(fā)生電壓和頻率不穩(wěn)定現(xiàn)象，有可能對外部設(shè)備造成損壞或發(fā)生觸電安全事故。圖7為孤島效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理，正常供電時(shí)，開關(guān)A閉合，蓄電池逆變電源和電網(wǎng)同時(shí)給負(fù)載供電。當(dāng)電網(wǎng)突然停電，即從A處斷開，若這時(shí)負(fù)載阻抗正好與輸出電流相匹配，則在電網(wǎng)斷開時(shí)，負(fù)載電壓不會有任何變化，采用常規(guī)檢測電壓方法，系統(tǒng)無法判斷電網(wǎng)停電，仍然繼續(xù)向負(fù)載供電，即產(chǎn)生了孤島效應(yīng)。

圖6    充電時(shí)電網(wǎng)同步電壓與并網(wǎng)電流波形

圖7    孤島效應(yīng)發(fā)生機(jī)理

    對孤島效應(yīng)的識別有多種方式，可以分為主動式和被動式兩類。一般規(guī)定并網(wǎng)逆變電源本機(jī)應(yīng)同時(shí)具有主動和被動識別能力，以提高孤島效應(yīng)識別的可靠性，并且要求識別響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于1s。主動式孤島效應(yīng)的識別方式有主動頻率偏移、有功功率變動、無功功率變動等。被動式方式有電壓相位跳動、三次電壓諧波變動、頻率變化等。

6    結(jié)語

    采用雙向SPWM逆變整流技術(shù)的蓄電池充放電維護(hù)裝置，由于其可以方便地實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)充放電電流的正弦波形和高功率因數(shù)控制，對電網(wǎng)無污染，因此是高效節(jié)能的綠色電源。系統(tǒng)功率開關(guān)器件選用IGBT，其開關(guān)工作頻率可以達(dá)到20kHz以上，采用專用的DSP數(shù)據(jù)處理器控制，正弦波形的畸變率很小、噪音很低，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具有蓄電池聯(lián)網(wǎng)群控智能化充放電的管理功能，可以適應(yīng)不同電壓等級和類型的蓄電池生產(chǎn)和維護(hù)。由于該裝置具有良好的控制性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，其推廣應(yīng)用前景良好。