蓄電池充放電裝置中雙向AC/DC變流器的研究
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，蓄電池在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用，如郵電、通訊、電力系統、UPS系統、逆變及特種電源系統等，因此，蓄電池的維護顯得越來(lái)越重要。對蓄電池運行狀態(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，保證蓄電池正常工作的必不可少的手段之一。
目前，常規的蓄電池維護大都采用充電器和放電器，充電器一般采用晶閘管控制。因而具有諧波嚴重、功率因數低等缺點(diǎn)。而蓄電池放電時(shí)主要利用電阻放電，消耗了大量的電能。雖然也有少數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而污染電網(wǎng)。隨著(zhù)電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，采用SPWM雙向整流逆變技術(shù)可以實(shí)現蓄電池的充放電控制。它實(shí)現了網(wǎng)側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)，大大節省了電能；并且具有恒壓、恒流或按照蓄電池充放電曲線(xiàn)進(jìn)行控制，方便蓄電池的管理，有助于延長(cháng)蓄電池使用壽命。
1 系統的主電路結構
系統主電路結構如圖1所示。主電路采用單相PWM的AC／DC的電壓型的拓撲結構，L2是交流側電感，實(shí)現PWM電流控制，合理地選擇電感L2對系統至關(guān)重要，L2選擇過(guò)小會(huì )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(guò)大會(huì )增加電壓降，使電流跟蹤能力差，需要相應增加母線(xiàn)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系統的控制
2.1 系統控制框圖
系統的控制目標是使系統能雙向運行，并且蓄電池的充、放電過(guò)程能按照規定的曲線(xiàn)進(jìn)行。系統在充電時(shí)處于整流模式，電網(wǎng)側電流為正弦波且功率因數為1，電能從電網(wǎng)流向蓄電池；系統在放電時(shí)處于有源逆變模式，電網(wǎng)側電流為正弦波且功率因數為“-1”，此時(shí)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)側的電流和電壓同相位；圖2(b)顯示電網(wǎng)側電流和電壓相位相反。圖中的Un是逆變器的輸出電壓矢量。
根據系統的拄制要求，需要按照充放電曲線(xiàn)實(shí)時(shí)地控制蓄電池的電流和電壓，這樣系統需要控制的量有3個(gè)：蓄電池電流，蓄電池電壓、電網(wǎng)側電流。系統的控制框圖如圖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(shí)際的蓄電池充放電電流；I*是交流側電流的指令值，I是實(shí)際的交流電流；G1(s)是蓄電池電壓調節器，通常為PI環(huán)節，調節器的輸出經(jīng)過(guò)限幅后作為電網(wǎng)側電流指令的幅值Im；G2(s)是蓄電池電流的調節器，它控制實(shí)際的蓄電池工作電流，調節器的輸出經(jīng)過(guò)限幅后也作為電網(wǎng)側電流指令的幅值Im；電壓環(huán)和電流環(huán)之間的切換根據蓄電池充放電曲線(xiàn)進(jìn)行；調節器輸出的正負決定了系統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成了交流側電流的指令值I*；G3(s)是電流調節環(huán)．
K是功率放大環(huán)節，G4(s)是交流濾波環(huán)節，Uc是電網(wǎng)電壓。
2.2系統控制的實(shí)現
為了實(shí)現對蓄電池充放電曲線(xiàn)的控制，在系統工作過(guò)程中，可以根據要求的曲線(xiàn)實(shí)時(shí)地改變電壓指令值，這樣就可以使蓄電池滿(mǎn)足電壓曲線(xiàn)。系統在工作過(guò)程中時(shí)，調節器G1(s)一般處于飽和狀態(tài)，可以根據曲線(xiàn)實(shí)時(shí)地改變它的限幅值，這樣就能控制電網(wǎng)側電流的大小，從而控制蓄電池充放電的電流，滿(mǎn)足曲線(xiàn)需要。在蓄電池充放電的后期，調節器會(huì )自動(dòng)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(jiǎn)單的比例控制，它具有控制簡(jiǎn)單并且穩定性好等特點(diǎn)，由于它具有固定的開(kāi)關(guān)頻率，因此它有利于濾波環(huán)節的設計，也有利于限制系統的開(kāi)關(guān)損耗。
系統的控制過(guò)程如圖1和圖3所示，電網(wǎng)側電流給定和實(shí)際電流的偏差經(jīng)過(guò)G3(s)調節后和三角載波比較，輸出按照正弦規律變化的脈沖序列，該脈沖經(jīng)過(guò)驅動(dòng)電路后形成互補的且具有死區時(shí)間的脈沖對，分別驅動(dòng)一個(gè)橋臂的上下兩個(gè)功率器件，另一個(gè)橋臂的驅動(dòng)脈沖滯后180，這樣就能保證交流側的電流為正弦波。
3 實(shí)驗結果
依據上述研究，設計了一臺5kW的蓄電池充、放電樣機，其主要參數如下：
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(shí)的電網(wǎng)側電流波形，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，即功率因數為“-1”，電流為正弦波，電能由蓄電池流向電網(wǎng)，即實(shí)現了并網(wǎng)發(fā)電。
4 結語(yǔ)
采用雙向AC／DC變流器設計的充放電裝置在滿(mǎn)足能充電放電的同時(shí)，實(shí)現了電網(wǎng)側電流的正弦化和單位功率因數，大大減少了裝置運行時(shí)時(shí)電網(wǎng)的污染，并網(wǎng)發(fā)電實(shí)現了節能。系統能按照設定的蓄電池充放電曲線(xiàn)工作，管理方便，有效地延長(cháng)了蓄電池的使用壽命。
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