蓄電池充放電裝置中雙向AC/DC變流器的研究
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隨著電力電子技術的發(fā)展，蓄電池在工業(yè)領域得到了廣泛的應用，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，蓄電池的維護顯得越來越重要。對蓄電池運行狀態(tài)進行監(jiān)控并定期進行均衡充放電維護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。而蓄電池放電時主要利用電阻放電，消耗了大量的電能。雖然也有少數采用晶閘管有源逆變向電網饋能，但仍不可避免地因為諧波和低功率因數而污染電網。隨著電力電子技術和計算機技術的發(fā)展，采用SPWM雙向整流逆變技術可以實現蓄電池的充放電控制。它實現了網側電流正弦化及單位功率因素，大大降低了裝置對電網的諧波污染；采用逆變放電將蓄電池電能回饋至電網，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)的主電路結構
系統(tǒng)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，實現PWM電流控制，合理地選擇電感L2對系統(tǒng)至關重要，L2選擇過小會使輸出電流的波紋較大，產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電壓和電網電壓適配，井將蓄電池組和電網隔離。
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)定的曲線進行。系統(tǒng)在充電時處于整流模式，電網側電流為正弦波且功率因數為1，電能從電網流向蓄電池；系統(tǒng)在放電時處于有源逆變模式，電網側電流為正弦波且功率因數為“-1”，此時電能從蓄電池流向電網。兩種工作模式下電壓、電流矢量圖如圖2所示。
圖2(a)顯示電網側的電流和電壓同相位；圖2(b)顯示電網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(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、電網側電流。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*是交流側電流的指令值，I是實際的交流電流；G1(s)是蓄電池電壓調節(jié)器，通常為PI環(huán)節(jié)，調節(jié)器的輸出經過限幅后作為電網側電流指令的幅值Im；G2(s)是蓄電池電流的調節(jié)器，它控制實際的蓄電池工作電流，調節(jié)器的輸出經過限幅后也作為電網側電流指令的幅值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進行；調節(jié)器輸出的正負決定了系統(tǒng)工作在充電還是放電狀態(tài)；Im和電網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(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是電網電壓。
2.2系統(tǒng)控制的實現
為了實現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，調節(jié)器G1(s)一般處于飽和狀態(tài)，可以根據曲線實時地改變它的限幅值，這樣就能控制電網側電流的大小，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頻率，因此它有利于濾波環(huán)節(jié)的設計，也有利于限制系統(tǒng)的開關損耗。
系統(tǒng)的控制過程如圖1和圖3所示，電網側電流給定和實際電流的偏差經過G3(s)調節(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，該脈沖經過驅動電路后形成互補的且具有死區(qū)時間的脈沖對，分別驅動一個橋臂的上下兩個功率器件，另一個橋臂的驅動脈沖滯后180，這樣就能保證交流側的電流為正弦波。
3 實驗結果
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、放電時的電網側電流波形，其中①為電網電壓波形，有效值220V；②為電網側電流波形，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，即實現了并網發(fā)電。
4 結語
采用雙向AC／DC變流器設計的充放電裝置在滿足能充電放電的同時，實現了電網側電流的正弦化和單位功率因數，大大減少了裝置運行時時電網的污染，并網發(fā)電實現了節(jié)能。系統(tǒng)能按照設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。
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