论文部分内容阅读
摘要：介绍了双极性控制的全桥SPWM双向变流器的系统构成及原理，并在此基础上研制出一种新型的基于双向逆变整流的蓄电池充放电设备，它实现了能量双向流动，与传统的晶闸管充放电设备相比，具有重量轻、体积小、效率高、噪音低和对电网污染小等优点。对绿色节能事业的发展具有重要意义。
关键词：变流器；蓄电池；脉宽调制/充放电
1 引言
蓄电池是使用最广泛的储能元件，它在生产过程中需要进行充放电测试。传统放电设备所采用的方法有两种：一是串接负载电阻放电，蓄电池能量直接损耗在大功率电阻的发热上；二是采用晶闸管有源逆变方式，将能量返回电网，但由于其反馈电压波形为方波，电流含有大量的高次谐波成分，对电网造成严重谐波污染，而且运行时电磁噪声大，并网功率因数低，因此会损失大量的无功电能。随着电力电子技术与计算机技术的发展，采用先进的SPWM双向
变流技术可以实现蓄电池的充放电控制。采用该技术充放电时，并网电压波形为正弦波，电流波形接近正弦波，对电网的谐波污染较小，且运行噪声低，体积小，解决了传统充放电方法的诸多缺点，大大提高了效率，降低了能耗。
2 系统的工作原理
系统原理如图1 所示，主要由恒流充放电及变流两大部分组成，恒流充/放电部分控制电池的充放电电流并实现恒流充放电，变流部分在放电时作为蓄电池放电的可变负载，并把放电能量逆变回馈电网，同时根据放电电流大小改变负载的大小，而在充电时，电网的正弦交流电经SPWM整流滤波后，对蓄电池充电，同时根据充电电流大小调节SPWM控制的占空比，图2 示出其电路拓扑结构。
2.1 充电模式
图2 电路采用单相全桥电压型PWM整流器（VSR）结构[1]，因在单相VSR 交流侧到直流侧的变化呈现Boost 变换器特性，所以双极性控制下的单相VSR 直流回路方程为[3]：
式中：C1 为直流侧电容；RL 为直流负载电阻；idc（t）为直流侧电流；udc（t）为直流侧电压。
显然VSR 的idc（t）到udc（t）的传递环节为一阶惯性环节。采用坐标平移，并考虑到稳态条件下各种方程的初始条件，容易求得第k 个开关周期直流侧电压脉动峰峰值 为：
式中：Im 为网侧电流基波峰值；Ts 为开关周期；Dk 为占空比。为了提高蓄电池的充电转化效率，参数C1，Ts和Dk 需选择合适的值。
2.2 放电模式
图3 示出Buck 变换器电路拓扑结构[2]。
在开关导通状态终止时，即t=ton 时，滤波电感L2 中的电流达到最大值[2]，即： 由此可得：
式中： 为变换器输出电流的最小值。
所以，滤波电感按L2≥（Ui- Uo）ton/（2Iomin）计算，滤波电容按C2=Uo（1- Uo/Ui）/（8L2 f2△Uo计算。不过，根据该式选择LC 数值时，L2 不能过小。若L2 过小，其电流脉动将会急剧增大，流过开关管的最大电流增加，从而使其工作状况恶化。因此，在具体电路中，结构和参数的设置不仅要考虑两种不同的模式，还要考虑开关管寄生电容和变压器次级漏感等。
3 系统设计
3.1 系统的软件设计
变流装置的驱动控制器核心芯片采用PIC16F73型单片机，软件设计流程如图4 所示。PWM输出的是方波，经积分后变成三角波，同步中断的目的是使查表输出的正弦波与电网同步，输出的正弦波与三角波相比较产生所需的SPWM信号输出。
3.2 系统的主电路结构
系统的主电路结构如图5 所示，主要包括直流侧电感、电容、交流侧电感、抽头变压器、IGBT 模块和4 个全桥整流二极管组成的变流电路。
该主电路适用于单相电网，但对于三相电网其结构类似。直流侧滤波电感L3 滤除谐波，装置开始工作前，先对电容C3 预充电，其中要注意，在传统的逆变电路结构中，C3 是滤波电容，它的选择与逆变器母线电压和充放电电流有关。而在图5 电路中，C3与L3 主要起储能作用，使电能达到平稳传输；预充电需加一个保护电阻，以防止在电源开关合上瞬间因C3 的初始电压为零而产生较大的短路冲击电流。放电模式下，交流侧变为包络线为正弦变化的电压波形，其中滤波电感L4 应选择不易饱和的磁芯，升压后回馈电网。另外，变压器也起到安全隔离作用，保证蓄电池的正负极与电网隔离，并实现充放电蓄电池的电压匹配，还需注意的是，Buck 变换器为降压型，而Boost 变换器为升压型，因此在放电、充电模式下，变压器的变比也不一样，线圈有两组抽头，用开关切换到对应的工作模式。
4 实验结果及故障保护
根据所提供的双向变流技术控制方法，研制出1 kW样机，恒流精度达±0.3 % 。实验波形如图6 所示，样机回馈电网电压Uo 波形为50Hz 正弦波，放电电流交流纹波△i 较小，蓄电池放电电流Io=20A时，△i<180 mA。表1 示出蓄电池电压分别为60V，48V，蓄电池电流设定值分别在10A，15A，20A 状态下的电流实际测量值，经过计算，恒流精度均在±0.3 % 以内。
这种蓄电池充放电装置除了应具备一般的电源保护功能，如过流、短路、蓄电池过充过放、散热器超温等，特别还应具有过载的防止和保护功能。在放电模式下，变流器在电网断电时仍能保持对失压电网中的一部分线路继续供电的状态，这样有可能使变流器过载，并对外部设备造成损坏或发生触电安全事故，因此必须在变流器并网前接入接触器，以确保过载时变流器与电网及时断开。
5 结论
蓄电池充放电装置采用双向SPWM变流技术后可以方便地实现并网充放电电流的正弦波形和恒流充放电，对电网污染较小，因此是高效节能的绿色电源。系统功率开关器件选用IGBT，通过独特的控制电路设计，其开关工作频率可以达到40 kHz，回馈电网的正弦波形的畸变率很小，噪声很低。控制电路采用通用的PIC 单片机控制，成本较低。系统设计可以适应不同电压等级和类型的蓄电池生产和维护，尤其适用于二次电池检测对充放电电流精度要求较高的场合。由于该装置具有良好的控制性能和经济指标，其推广应用前景良好，实用价值较高。
参考文献
[1] Ching-Tsai Pan，Jenn-Jong Shieh.NewSpace-Vector ControlStrategies for Three-phase Step UP/Down AC/DC converter[J].IEEE Trans. on Ind Electronics，2000，47（1）：25- 35.
[2] 叶慧贞，杨兴洲.新颖开关稳压电源[M].北京：国防工业出版设，1999.
[3] 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003.
作者简介：罗民伟（1973.2-），男，湖南长沙人，长沙理工大学继续教育学院电气工程及自动化专业本科毕业，电气工程助理工程师，单位：先进储能材料国家工程研究中心。
关键词：变流器；蓄电池；脉宽调制/充放电
1 引言
蓄电池是使用最广泛的储能元件，它在生产过程中需要进行充放电测试。传统放电设备所采用的方法有两种：一是串接负载电阻放电，蓄电池能量直接损耗在大功率电阻的发热上；二是采用晶闸管有源逆变方式，将能量返回电网，但由于其反馈电压波形为方波，电流含有大量的高次谐波成分，对电网造成严重谐波污染，而且运行时电磁噪声大，并网功率因数低，因此会损失大量的无功电能。随着电力电子技术与计算机技术的发展，采用先进的SPWM双向
变流技术可以实现蓄电池的充放电控制。采用该技术充放电时，并网电压波形为正弦波，电流波形接近正弦波，对电网的谐波污染较小，且运行噪声低，体积小，解决了传统充放电方法的诸多缺点，大大提高了效率，降低了能耗。
2 系统的工作原理
系统原理如图1 所示，主要由恒流充放电及变流两大部分组成，恒流充/放电部分控制电池的充放电电流并实现恒流充放电，变流部分在放电时作为蓄电池放电的可变负载，并把放电能量逆变回馈电网，同时根据放电电流大小改变负载的大小，而在充电时，电网的正弦交流电经SPWM整流滤波后，对蓄电池充电，同时根据充电电流大小调节SPWM控制的占空比，图2 示出其电路拓扑结构。
2.1 充电模式
图2 电路采用单相全桥电压型PWM整流器（VSR）结构[1]，因在单相VSR 交流侧到直流侧的变化呈现Boost 变换器特性，所以双极性控制下的单相VSR 直流回路方程为[3]：
式中：C1 为直流侧电容；RL 为直流负载电阻；idc（t）为直流侧电流；udc（t）为直流侧电压。
显然VSR 的idc（t）到udc（t）的传递环节为一阶惯性环节。采用坐标平移，并考虑到稳态条件下各种方程的初始条件，容易求得第k 个开关周期直流侧电压脉动峰峰值 为：
式中：Im 为网侧电流基波峰值；Ts 为开关周期；Dk 为占空比。为了提高蓄电池的充电转化效率，参数C1，Ts和Dk 需选择合适的值。
2.2 放电模式
图3 示出Buck 变换器电路拓扑结构[2]。
在开关导通状态终止时，即t=ton 时，滤波电感L2 中的电流达到最大值[2]，即： 由此可得：
式中： 为变换器输出电流的最小值。
所以，滤波电感按L2≥（Ui- Uo）ton/（2Iomin）计算，滤波电容按C2=Uo（1- Uo/Ui）/（8L2 f2△Uo计算。不过，根据该式选择LC 数值时，L2 不能过小。若L2 过小，其电流脉动将会急剧增大，流过开关管的最大电流增加，从而使其工作状况恶化。因此，在具体电路中，结构和参数的设置不仅要考虑两种不同的模式，还要考虑开关管寄生电容和变压器次级漏感等。
3 系统设计
3.1 系统的软件设计
变流装置的驱动控制器核心芯片采用PIC16F73型单片机，软件设计流程如图4 所示。PWM输出的是方波，经积分后变成三角波，同步中断的目的是使查表输出的正弦波与电网同步，输出的正弦波与三角波相比较产生所需的SPWM信号输出。
3.2 系统的主电路结构
系统的主电路结构如图5 所示，主要包括直流侧电感、电容、交流侧电感、抽头变压器、IGBT 模块和4 个全桥整流二极管组成的变流电路。
该主电路适用于单相电网，但对于三相电网其结构类似。直流侧滤波电感L3 滤除谐波，装置开始工作前，先对电容C3 预充电，其中要注意，在传统的逆变电路结构中，C3 是滤波电容，它的选择与逆变器母线电压和充放电电流有关。而在图5 电路中，C3与L3 主要起储能作用，使电能达到平稳传输；预充电需加一个保护电阻，以防止在电源开关合上瞬间因C3 的初始电压为零而产生较大的短路冲击电流。放电模式下，交流侧变为包络线为正弦变化的电压波形，其中滤波电感L4 应选择不易饱和的磁芯，升压后回馈电网。另外，变压器也起到安全隔离作用，保证蓄电池的正负极与电网隔离，并实现充放电蓄电池的电压匹配，还需注意的是，Buck 变换器为降压型，而Boost 变换器为升压型，因此在放电、充电模式下，变压器的变比也不一样，线圈有两组抽头，用开关切换到对应的工作模式。
4 实验结果及故障保护
根据所提供的双向变流技术控制方法，研制出1 kW样机，恒流精度达±0.3 % 。实验波形如图6 所示，样机回馈电网电压Uo 波形为50Hz 正弦波，放电电流交流纹波△i 较小，蓄电池放电电流Io=20A时，△i<180 mA。表1 示出蓄电池电压分别为60V，48V，蓄电池电流设定值分别在10A，15A，20A 状态下的电流实际测量值，经过计算，恒流精度均在±0.3 % 以内。
这种蓄电池充放电装置除了应具备一般的电源保护功能，如过流、短路、蓄电池过充过放、散热器超温等，特别还应具有过载的防止和保护功能。在放电模式下，变流器在电网断电时仍能保持对失压电网中的一部分线路继续供电的状态，这样有可能使变流器过载，并对外部设备造成损坏或发生触电安全事故，因此必须在变流器并网前接入接触器，以确保过载时变流器与电网及时断开。
5 结论
蓄电池充放电装置采用双向SPWM变流技术后可以方便地实现并网充放电电流的正弦波形和恒流充放电，对电网污染较小，因此是高效节能的绿色电源。系统功率开关器件选用IGBT，通过独特的控制电路设计，其开关工作频率可以达到40 kHz，回馈电网的正弦波形的畸变率很小，噪声很低。控制电路采用通用的PIC 单片机控制，成本较低。系统设计可以适应不同电压等级和类型的蓄电池生产和维护，尤其适用于二次电池检测对充放电电流精度要求较高的场合。由于该装置具有良好的控制性能和经济指标，其推广应用前景良好，实用价值较高。
参考文献
[1] Ching-Tsai Pan，Jenn-Jong Shieh.NewSpace-Vector ControlStrategies for Three-phase Step UP/Down AC/DC converter[J].IEEE Trans. on Ind Electronics，2000，47（1）：25- 35.
[2] 叶慧贞，杨兴洲.新颖开关稳压电源[M].北京：国防工业出版设，1999.
[3] 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003.
作者简介：罗民伟（1973.2-），男，湖南长沙人，长沙理工大学继续教育学院电气工程及自动化专业本科毕业，电气工程助理工程师，单位：先进储能材料国家工程研究中心。