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          蓄電池充放電裝置中雙向AC/DC變流器的研究

          作者: 時間:2006-05-18 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          0 引言
          隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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,的維護顯得越來越重要。對運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控并定期進(jìn)行均衡充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器,充電器一般采用晶閘管控制。因而具有諧波嚴(yán)重、功率因數(shù)低等缺點。而蓄電池時主要利用電阻放電,消耗了大量的電能。雖然也有少數(shù)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(shù)而污染電網(wǎng)。隨著電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展,采用SPWM整流逆變技術(shù)可以實現(xiàn)蓄電池的充放電控制。它實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流正弦化及單位功率因素,大大降低了對電網(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(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(jìn)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(jié)構(gòu)
          系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。主電路采用單相PWM的AC/DC的電壓型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),L2是交流側(cè)電感,實現(xiàn)PWM電流控制,合理地選擇電感L2對系統(tǒng)至關(guān)重要,L2選擇過小會使輸出電流的波紋較大,產(chǎn)生大的電磁噪聲和干擾;L2選擇過大會增加電壓降,使電流跟蹤能力差,需要相應(yīng)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(cè)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(tǒng)的控制
          2.1 系統(tǒng)控制框圖

          系統(tǒng)的控制目標(biāo)是使系統(tǒng)能運行,并且蓄電池的充、放電過程能按照規(guī)定的曲線進(jìn)行。系統(tǒng)在充電時處于整流模式,電網(wǎng)側(cè)電流為正弦波且功率因數(shù)為1,電能從電網(wǎng)流向蓄電池;系統(tǒng)在放電時處于有源逆變模式,電網(wǎng)側(cè)電流為正弦波且功率因數(shù)為“-1”,此時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(cè)的電流和電壓同相位;圖2(b)顯示電網(wǎng)側(cè)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(jù)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(wǎng)側(cè)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(cè)電流的指令值,I是實際的交流電流;G1(s)是蓄電池電壓調(diào)節(jié)器,通常為PI環(huán)節(jié),調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過限幅后作為電網(wǎng)側(cè)電流指令的幅值Im;G2(s)是蓄電池電流的調(diào)節(jié)器,它控制實際的蓄電池工作電流,調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過限幅后也作為電網(wǎng)側(cè)電流指令的幅值Im;電壓環(huán)和電流環(huán)之間的切換根據(jù)蓄電池充放電曲線進(jìn)行;調(diào)節(jié)器輸出的正負(fù)決定了系統(tǒng)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(gòu)成了交流側(cè)電流的指令值I*;G3(s)是電流調(diào)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(wǎng)電壓。
          2.2系統(tǒng)控制的實現(xiàn)
          為了實現(xiàn)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(jù)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(diào)節(jié)器G1(s)一般處于飽和狀態(tài),可以根據(jù)曲線實時地改變它的限幅值,這樣就能控制電網(wǎng)側(cè)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(diào)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(guān)頻率,因此它有利于濾波環(huán)節(jié)的設(shè)計,也有利于限制系統(tǒng)的開關(guān)損耗。
          系統(tǒng)的控制過程如圖1和圖3所示,電網(wǎng)側(cè)電流給定和實際電流的偏差經(jīng)過G3(s)調(diào)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(jīng)過驅(qū)動電路后形成互補的且具有死區(qū)時間的脈沖對,分別驅(qū)動一個橋臂的上下兩個功率器件,另一個橋臂的驅(qū)動脈沖滯后180,這樣就能保證交流側(cè)的電流為正弦波。


          3 實驗結(jié)果
          依據(jù)上述,設(shè)計了一臺5kW的蓄電池充、放電樣機,其主要參數(shù)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(wǎng)側(cè)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(cè)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(shù)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(shù)為“-1”,電流為正弦波,電能由蓄電池流向電網(wǎng),即實現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電。


          4 結(jié)語
          采用AC/DC設(shè)計的充放電在滿足能充電放電的同時,實現(xiàn)了電網(wǎng)側(cè)電流的正弦化和單位功率因數(shù),大大減少了運行時時電網(wǎng)的污染,并網(wǎng)發(fā)電實現(xiàn)了節(jié)能。系統(tǒng)能按照設(shè)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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