雙向SPWM逆變整流蓄電池充放電維護裝置

0??? 引言

??? 鉛酸蓄電池是使用最為廣泛的儲能元件之一，如在郵電、通信、電力部門等。蓄電池作為備用的應急能源，是保證系統正常工作的必不可少的部件之一。

??? 作為備用電源應用時，正常情況下，蓄電池工作于浮充狀態，隨著浮充時間的積累，蓄電池極板會產生鈍化現象，嚴重時會損壞蓄電池，因此，對蓄電池工作狀態進行監控并定期進行均衡充放電維護，是延長蓄電池使用壽命及保證蓄電池正常工作的必不可少的手段之一。

??? 對于蓄電池生產廠商來說，每個蓄電池在生產過程中都需要進行三充兩放的老化和性能測試工作，因此，蓄電池的充放電設備必不可少。

??? 目前，大容量蓄電池的放電維護通常采用兩種方法進行：一是串接負載電阻放電，把蓄電池存儲的電能耗散在大功率電阻的發熱中，因此，每進行一次維護工作須消耗大量的電能，并且要及時監視蓄電池電壓的變化，以防過放的發生，其放電電流控制也不方便；另一種是采用晶閘管有源逆變方式進行放電維護，該方式將電能饋送電網，以達節能降耗目的，該方式雖然可將能量返回給電網起到節能作用，但由于其反饋給電網的電流波形為方波，含有大量的高次諧波成分，對電網造成諧波污染，且運行時電磁噪聲較大，并網功率因數也較低，會損失大量的無功電能。

??? 隨著電力電子技術與計算機技術的發展，采用先進的SPWM雙向整流逆變技術可以實現蓄電池組的充放電控制，采用該技術的裝置在充放電時不會對電網產生任何諧波污染，并網電流波形是完美的正弦波，且功率因數可控制為1，不僅如此，其運行時噪聲低，且體積小、效率高。由于其采用先進的計算機控制和管理，可以方便各類用戶需求，并具有蓄電池充放電曲線的優化設定控制，有助于延長蓄電池使用壽命，也方便蓄電池的生產和管理。在節能降耗方面可以得到大大提高。

1??? 系統的主電路結構

??? 雙向SPWM逆變整流裝置一般采用電壓型逆變主電路，其功率開關器件為絕緣柵型雙極晶體管（IGBT），采用電流控制方式，該逆變主電路如圖1所示。

圖1??? 系統主電路

??? 該主電路適用于三相電網，而對于單相電網其主電路結構類似，但充放電電流脈動較大。其BP端與BN端分別接蓄電池的正極和負極，電阻R_s為軟啟動電阻，以防止在合閘瞬間由于濾波電容的初始零電壓，產生大的短路沖擊電流，在軟啟動完畢后，接觸器KM₁閉合，短路R_s。其電容的選擇與逆變器輸出額定功率、母線電壓有關，若電容量選擇過小，逆變器直流母線電壓的波動幅度將較大，同時也會引起大的蓄電池直流充放電電流脈動。

??? 系統中的主變壓器一方面起安全隔離作用，保證蓄電池的正負極與電網隔離，另一方面，也是為了充放電蓄電池的電壓匹配。若無隔離變壓器，直流母線的電壓幅值應大于交流電網電壓，否則，難以實現雙向電流充放電，但如果蓄電池的直流母線電壓匹配過高則會影響系統的效率。

??? 系統中濾波電抗的設計選擇是至關重要的，它涉及到并網電流波形的脈動幅度和跟蹤正弦電流幅值的范圍，若電抗器L值選擇過大，則在同樣開關頻率下，輸出電流紋波會較小，但蓄電池放電并網功率會受到限制；L值選擇過小，輸出電流紋波會較大，產生較大的電磁噪聲和干擾。所以，電感值的設計選擇應以滿足并網功率為前提條件，以電流脈動紋波幅度為設計條件，以得到滿足設計指標的低失真、低諧波、高品質的正弦輸出電流波形。濾波電抗器的設計和加工要保證在額定電流范圍內穩定不變，即工作在線性區域內，同時還要防止在運行過程由于氣隙松動產生的電磁力噪聲。

??? 雖然電流波形被控制為良好的正弦波形，但高頻開關的影響，使電流波形中含有開關頻率的高次諧波，將會產生傳導干擾和空間電磁輻射。為了使系統滿足電磁兼容及電磁干擾國家標準，系統必須配置專用的高頻濾波器，并在主電路的工藝結構和機箱設計上采取預防措施。

2??? 系統的控制結構

??? 蓄電池的充放電系統需要控制直流電流和直流電壓，而交流并網電流也是需要控制的，因此，該系統的控制結構應包含有三閉環控制，其結構如圖2所示。

圖2??? 系統控制結構

??? V_B^＊為蓄電池充放電電壓指令值，V_B為蓄電池實際反饋電壓，V_T為電壓調節器，其輸出為充放電電流指令值I_B^＊，I_B為實際充放電直流電流，LT₁為直流電流調節器，LT₁的輸出I_M^＊作為并網電流的幅值給定，其正負就決定了是放電還是充電，即其逆變器并網電流與電網電壓是同相還是反相。TB為同步電壓變換器，I_M^＊與同步變換器輸出U_AK^＊的乘積為I_a^＊，I_a^＊再作為并網交流電流的給定，經LT₂電流調節器實現并網電流Ia的跟蹤控制，也即指令電流I_a^＊與電網的對應相位是相同還是相反。做為另外兩相電流給定值I_b^＊及I_c^＊的控制與I_a^＊的控制方式相同，直流電壓調節器VT和直流電流調節器LT₁不變。

??? 由于系統存在三閉環控制，各調節器的控制參數設定對系統穩定性和快速性有較大影響，各調節器參數應合理優化設計，以保證系統的充放電電壓和電流的穩定。

??? 為了實現蓄電池充放電曲線的控制，在充放電過程中，可以設定V_B^＊和VT調節器的輸出限幅I_Bmax^＊，在不同的充放電電壓區域，由于VT調節器開始時一般是處于飽和狀態，其輸出處于限幅值，所以充放電電流跟蹤I_Bmax^＊，當蓄電池電壓達到某點設定電壓值時，再次修改VT調節器輸出限幅即可。在充放電的最后階段，VT調節器會自動進入退飽和調節，并控制蓄電池充放電電壓滿足設定要求。

3??? 交流電流的內環跟蹤控制

??? 雙向SPWM整流逆變控制技術的關鍵在于交流電流內環的電流跟蹤控制，電流跟蹤控制的方式有多種，如電流滯環比較控制、SPWM異步閉環電流控制、電流數字預估控制、電壓矢量運算控制等。

3.1??? 電流滯環比較控制

??? 滯環PWM電流控制是一種較為傳統的控制方法，其結構如圖3所示，DP為上下橋臂驅動電路，KH為滯環比較器。滯環比較方式的特點是采用硬件電路比較，電路結構簡單，穩定性好，電流控制的響應很快，誤差可控，但輸出電流的諧波較多，電磁噪聲較大。

圖3??? 滯環PWM電流控制

3.2??? SPWM異步閉環電流控制

??? SPWM異步電流閉環跟蹤控制是一種控制簡單且穩定性能較好的方式，由于它具有固定的開關頻率，因此有利于濾波電路的設計，也有利于限制電路的開關損耗，同時有利于降低噪聲。該種電流控制方式具有穩定性好、響應速度快、噪聲小、諧波低等特點。本文采用的方式如圖4所示，電流偏差通過PI比例積分調節后與三角載波比較，由于電流給定I_a^＊為正弦波，當控制內環穩定時，其PI調節器輸出也會為正弦波，其比較輸出為等效的SPWM脈沖序列,該脈沖序列經DP驅動電路分別驅動上下橋臂IGBT模塊，使電流形成負反饋控制。圖5為采用該電流控制方式的并網電流跟蹤實驗波形，由圖5中電網同步電壓與電流波形可知，實際電流跟蹤效果良好，由于正弦電流控制采用的是PI調節，因此，實際并網正弦電流的跟蹤與指令電流存在相位和幅值的誤差，為此在軟件上須進行誤差補償，以消除實際電流與電網電壓的相位誤差，提高并網功率因數。

圖4??? SPWM異步閉環電流控制

圖5??? 放電時電網同步電壓與并網電流波形

4??? 系統的控制功能設計

??? 蓄電池充放電維護裝置的控制功能設計要考慮用戶的使用場合和操作靈活性，本系統控制器的核心芯片采用TI公司的DSP（TMS320LF2407A），由于其專有的SPWM控制功能和高速數據處理能力，使系統能以全數字軟件方式實現正弦波并網電流的雙向控制，并在實現并網正弦電流波形及減小噪聲等方面效果良好。在此基礎上，針對蓄電池的充放電控制要求及特點，設計了較為全面的充放電控制和管理模式。其主要功能設計如下。

??? 1）充放電曲線設定可以由用戶在本機液晶顯示操作面板上設定合適的電壓電流充放電數值，以有限數組實現曲線的擬合，控制充放電電流跟蹤設定曲線，并最終穩定在蓄電池充放電的上下限電壓值上。

??? 2）充放電模式設定設置了放電模式、充電模式和循環自動充放電模式。在充放電模式下，如果系統完成了充放電過程，則自動停機等待并聲音提示。在循環自動充放電模式，會根據用戶設定的循環充放電次數，自動完成充放電控制，并停機聲音提示。

??? 3）上位機的通信控制及管理本機系統設有RS485通信接口，可以實現多機聯網通信。本機可以通過現場總線將運行狀態及數據傳送至上位機，如蓄電池電壓、蓄電池電流等；上位機也可以發送控制指令給下位機，如充電電壓電流指令、放電電壓電流指令等，并可以同時監控和管理多臺蓄電池充放電設備，圖形顯示當前運行參數和歷史運行曲線等。

5??? 系統的故障保護

??? 對于該型的蓄電池充放電維護裝置，除了要具備一般的逆變電源保護功能，如交流過流、直流過流、短路、蓄電池過充過放、散熱器超溫等，特別還應有孤島效應的防止與保護功能。孤島效應是指并網型逆變電源在電網斷電時，逆變器仍然保持對失壓電網中的某一部分線路繼續供電的狀態，這樣電力孤島效應區域會發生電壓和頻率不穩定現象，有可能對外部設備造成損壞或發生觸電安全事故。圖7為孤島效應的發生機理，正常供電時，開關A閉合，蓄電池逆變電源和電網同時給負載供電。當電網突然停電，即從A處斷開，若這時負載阻抗正好與輸出電流相匹配，則在電網斷開時，負載電壓不會有任何變化，采用常規檢測電壓方法，系統無法判斷電網停電，仍然繼續向負載供電，即產生了孤島效應。

圖6??? 充電時電網同步電壓與并網電流波形

圖7??? 孤島效應發生機理

??? 對孤島效應的識別有多種方式，可以分為主動式和被動式兩類。一般規定并網逆變電源本機應同時具有主動和被動識別能力，以提高孤島效應識別的可靠性，并且要求識別響應時間應小于1s。主動式孤島效應的識別方式有主動頻率偏移、有功功率變動、無功功率變動等。被動式方式有電壓相位跳動、三次電壓諧波變動、頻率變化等。

6??? 結語

??? 采用雙向SPWM逆變整流技術的蓄電池充放電維護裝置，由于其可以方便地實現并網充放電電流的正弦波形和高功率因數控制，對電網無污染，因此是高效節能的綠色電源。系統功率開關器件選用IGBT，其開關工作頻率可以達到20kHz以上，采用專用的DSP數據處理器控制，正弦波形的畸變率很小、噪音很低，系統設計的具有蓄電池聯網群控智能化充放電的管理功能，可以適應不同電壓等級和類型的蓄電池生產和維護。由于該裝置具有良好的控制性能和經濟指標，其推廣應用前景良好。