雙向SPWM逆變整流蓄電池充放電維護裝置

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(mén)等。蓄電池作為備用的應急能源，是保證系統正常工作的必不可少的部件之一。

作為備用電源應用時(shí)，正常情況下，蓄電池工作于浮充狀態(tài)，隨著(zhù)浮充時(shí)間的積累，蓄電池極板會(huì )產(chǎn)生鈍化現象，嚴重時(shí)會(huì )損壞蓄電池，因此，對蓄電池工作狀態(tài)進(jìn)行監控并定期進(jìn)行均衡充放電維護，是延長(cháng)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(chǎng)商來(lái)說(shuō)，每個(gè)蓄電池在生產(chǎn)過(guò)程中都需要進(jìn)行三充兩放的老化和性能測試工作，因此，蓄電池的充放電設備必不可少。

目前，大容量蓄電池的放電維護通常采用兩種方法進(jìn)行：一是串接負載電阻放電，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)行一次維護工作須消耗大量的電能，并且要及時(shí)監視蓄電池電壓的變化，以防過(guò)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，該方式將電能饋送電網(wǎng)，以達節能降耗目的，該方式雖然可將能量返回給電網(wǎng)起到節能作用，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，且運行時(shí)電磁噪聲較大，并網(wǎng)功率因數也較低，會(huì )損失大量的無(wú)功電能。

隨著(zhù)電力電子技術(shù)與計算機技術(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(huì )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，且功率因數可控制為1，不僅如此，其運行時(shí)噪聲低，且體積小、效率高。由于其采用先進(jìn)的計算機控制和管理，可以方便各類(lèi)用戶(hù)需求，并具有蓄電池充放電曲線(xiàn)的優(yōu)化設定控制，有助于延長(cháng)蓄電池使用壽命，也方便蓄電池的生產(chǎn)和管理。在節能降耗方面可以得到大大提高。

1 系統的主電路結構

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(kāi)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)其主電路結構類(lèi)似，但充放電電流脈動(dòng)較大。其BP端與BN端分別接蓄電池的正極和負極，電阻R_s為軟啟動(dòng)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(dòng)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(xiàn)電壓有關(guān)，若電容量選擇過(guò)小，逆變器直流母線(xiàn)電壓的波動(dòng)幅度將較大，同時(shí)也會(huì )引起大的蓄電池直流充放電電流脈動(dòng)。

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

系統中濾波電抗的設計選擇是至關(guān)重要的，它涉及到并網(wǎng)電流波形的脈動(dòng)幅度和跟蹤正弦電流幅值的范圍，若電抗器L值選擇過(guò)大，則在同樣開(kāi)關(guān)頻率下，輸出電流紋波會(huì )較小，但蓄電池放電并網(wǎng)功率會(huì )受到限制；L值選擇過(guò)小，輸出電流紋波會(huì )較大，產(chǎn)生較大的電磁噪聲和干擾。所以，電感值的設計選擇應以滿(mǎn)足并網(wǎng)功率為前提條件，以電流脈動(dòng)紋波幅度為設計條件，以得到滿(mǎn)足設計指標的低失真、低諧波、高品質(zhì)的正弦輸出電流波形。濾波電抗器的設計和加工要保證在額定電流范圍內穩定不變，即工作在線(xiàn)性區域內，同時(shí)還要防止在運行過(guò)程由于氣隙松動(dòng)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(kāi)關(guān)的影響，使電流波形中含有開(kāi)關(guān)頻率的高次諧波，將會(huì )產(chǎn)生傳導干擾和空間電磁輻射。為了使系統滿(mǎn)足電磁兼容及電磁干擾國家標準，系統必須配置專(zhuān)用的高頻濾波器，并在主電路的工藝結構和機箱設計上采取預防措施。

2 系統的控制結構

蓄電池的充放電系統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，該系統的控制結構應包含有三閉環(huán)控制，其結構如圖2所示。

圖2 系統控制結構