蓄电池充放电装置中双向AC/DC变流器的研究

    本文要害字:电池UPS　

    0引言

    随着电力电子技术的发展，蓄电池在工业领域得到了广泛的应用，如邮电、通讯、电力系统、UPS系统、逆变及特种电源系统等，因此，蓄电池的维护显得越来越重要。

    对蓄电池运行状态进行监控并定期进行均衡充放电维护是延长蓄电池使用寿命，保证蓄电池正常工作的必不可少的手段之一。

    目前，常规的蓄电池维护大都采用充电器和放电器，充电器一般采用晶闸管控制。因而具有谐波严重、功率因数低等缺点。而蓄电池放电时主要利用电阻放电，消耗了大量的电能。虽然也有少数采用晶闸管有源逆变向电网馈能，但仍不可避免地因为谐波和低功率因数而污染电网。随着电力电子技术和计算机技术的发展，采用SPWM双向整流逆变技术可以实现蓄电池的充放电控制。它实现了网侧电流正弦化及单位功率因素，大大降低了装置对电网的谐波污染；采用逆变放电将蓄电池电能回馈至电网，大大节省了电能；并且具有恒压、恒流或按照蓄电池充放电曲线进行控制，方便蓄电池的治理，有助于延长蓄电池使用寿命。

    1系统的主电路结构

    系统主电路结构如图1所示。主电路采用单相PWM的AC／DC的电压型的拓扑结构，L2是交流侧电感，实现PWM电流控制，合理地选择电感L2对系统至关重要，L2选择过小会使输出电流的波纹较大，产生大的电磁噪声和干扰；L2选择过大会增加电压降，使电流跟踪能力差，需要相应增加母线电压。L1，C1及C2组成滤波器，使蓄电池获得平滑的电流、电压波形；变压器可以使直流侧电压和电网电压适配，井将蓄电池组和电网隔离。

    2系统的控制

    2.1系统控制框图

    系统的控制目标是使系统能双向运行，并且蓄电池的充、放电过程能按照规定的曲线进行。系统在充电时处于整流模式，电网侧电流为正弦波且功率因数为1，电能从电网流向蓄电池；系统在放电时处于有源逆变模式，电网侧电流为正弦波且功率因数为“-1”，此时电能从蓄电池流向电网。两种工作模式下电压、电流矢量图如图2所示。

    图2(a)显示电网侧的电流和电压同相位；图2(b)显示电网侧电流和电压相位相反。图中的Un是逆变器的输出电压矢量。

    根据系统的拄制要求，需要按照充放电曲线实时地控制蓄电池的电流和电压，这样系统需要控制的量有3个：蓄电池电流，蓄电池电压、电网侧电流。系统的控制框图如图3所示。

    图中：Ubat*是蓄电池充放电的电压指令值，Ubat是蓄电池电压反馈值；Ibat*是蓄电池充放电的电流指令值，Ibat是实际的蓄电池充放电电流；I*是交流侧电流的指令值，I是实际的交流电流；G1(s)是蓄电池电压调节器，通常为PI环节，调节器的输出经过限幅后作为电网侧电流指令的幅值Im；G2(s)是蓄电池电流的调节器，它控制实际的蓄电池工作电流，调节器的输出经过限幅后也作为电网侧电流指令的幅值Im；电压环和电流环之间的切换根据蓄电池充放电曲线进行；调节器输出的正负决定了系统工作在充电还是放电状态；Im和电网电压同频同相的单位正弦信号一起构成了交流侧电流的指令值I*；G3(s)是电流调节环．

    K是功率放大环节，G4(s)是交流滤波环节，UC是电网电压。

    2.2系统控制的实现

    为了实现对蓄电池充放电曲线的控制，在系统工作过程中，可以根据要求的曲线实时地改变电压指令值，这样就可以使蓄电池满足电压曲线。系统在工作过程中时，调节器G1(s)一般处于饱和状态，可以根据曲线实时地改变它的限幅值，这样就能控制电网侧电流的大小，从而控制蓄电池充放电的电流，满足曲线需要。在蓄电池充放电的后期，调节器会自动地退出饱和状态，蓄电池工作在小电流的充放电状态。

    SPWM电流跟踪控制采用简单的比例控制，它具有控制简单并且稳定性好等特点，由于它具有固定的开关频率，因此它有利于滤波环节的设计，也有利于限制系统的开关损耗。

    系统的控制过程如图1和图3所示，电网侧电流给定和实际电流的偏差经过G3(s)调节后和三角载波比较，输出按照正弦规律变化的脉冲序列，该脉冲经过驱动电路后形成互补的且具有死区时间的脉冲对，分别驱动一个桥臂的上下两个功率器件，另一个桥臂的驱动脉冲滞后180°，这样就能保证交流侧的电流为正弦波。

    3实验结果

    依据上述研究，设计了一台5kW的蓄电池充、放电样机，其主要参数如下：

    P=5kW，变压器为220V／130V(Ue=130VUbat=220V)，L2=3mH．C1=C2=3300μF，L1=5mH，f=10kHz。

    图4为蓄电池在充、放电时的电网侧电流波形，其中①为电网电压波形，有效值220V；②为电网侧电流波形，有效值为22.4A。图4(a)显示电流和电压同相，即功率因数为1，电流为正弦电流，电流由电网流入蓄电池；图4(b)显示电流和电压反相，即功率因数为“-1”，电流为正弦波，电能由蓄电池流向电网，即实现了并网发电。

    4结语

    采用双向AC／DC变流器设计的充放电装置在满足能充电放电的同时，实现了电网侧电流的正弦化和单位功率因数，大大减少了装置运行时时电网的污染，并网发电实现了节能。系统能按照设定的蓄电池充放电曲线工作，治理方便，有效地延长了蓄电池的使用寿命。

    作者：王飞，余世杰，沈玉樑