雙向SPWM逆變整流蓄電池充放電維護(hù)裝置

    摘要：詳細(xì)介紹了一種新型的鉛酸蓄電池充放電維護(hù)裝置，該裝置的主電路結(jié)構(gòu)為電壓型逆變器，采用雙向SPWM逆變整流控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流和交流電能的雙向流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池的并網(wǎng)充放電控制，其并網(wǎng)電流波形為正弦波，且功率因數(shù)可控，與常用的晶閘管充放電設(shè)備相比，具有重量輕、體積小、效率高、噪音低和對(duì)電網(wǎng)污染小等優(yōu)點(diǎn)。

    關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器；并網(wǎng)充放電；雙向正弦波脈寬調(diào)制；蓄電池

引言

鉛酸蓄電池是使用最為廣泛的儲(chǔ)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(yīng)急能源，是保證系統(tǒng)正常工作的必不可少的部件之一。

作為備用電源應(yīng)用時(shí)，正常情況下，蓄電池工作于浮充狀態(tài)，隨著浮充時(shí)間的積累，蓄電池極板會(huì)產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞蓄電池，因此，對(duì)蓄電池工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控并定期進(jìn)行均衡充放電維護(hù)，是延長(zhǎng)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(duì)于蓄電池生產(chǎn)廠商來(lái)說(shuō)，每個(gè)蓄電池在生產(chǎn)過(guò)程中都需要進(jìn)行三充兩放的老化和性能測(cè)試工作，因此，蓄電池的充放電設(shè)備必不可少。

圖1

    目前，大容量蓄電池的放電維護(hù)通常采用兩種方法進(jìn)行：一是串接負(fù)載電阻放電，把蓄電池存儲(chǔ)的電能耗散在大功率電阻的發(fā)熱中，因此，每進(jìn)行一次維護(hù)工作須消耗大量的電能，并且要及時(shí)監(jiān)視蓄電池電壓的變化，以防過(guò)放的發(fā)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(jìn)行放電維護(hù)，該方式將電能饋送電網(wǎng)，以達(dá)節(jié)能降耗目的，該方式雖然可將能量返回給電網(wǎng)起到節(jié)能作用，但由于其反饋給電網(wǎng)的電流波形為方波，含有大量的高次諧波成分，對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染，且運(yùn)行時(shí)電磁噪聲較大，并網(wǎng)功率因數(shù)也較低，會(huì)損失大量的無(wú)功電能。

隨著電力電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用先進(jìn)的SPWM雙向整流逆變技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)蓄電池組的充放電控制，采用該技術(shù)的裝置在充放電時(shí)不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生任何諧波污染，并網(wǎng)電流波形是完美的正弦波，且功率因數(shù)可控制為1，不僅如此，其運(yùn)行時(shí)噪聲低，且體積小、效率高。由于其采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)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(yōu)化設(shè)定控制，有助于延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，也方便蓄電池的生產(chǎn)和管理。在節(jié)能降耗方面可以得到大大提高。

圖2

1 系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)

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(kāi)關(guān)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。

該主電路適用于三相電網(wǎng)，而對(duì)于單相電網(wǎng)其主電路結(jié)構(gòu)類似，但充放電電流脈動(dòng)較大。其BP端與BN端分別接蓄電池的正極和負(fù)極，電阻Rs為軟啟動(dòng)電阻，以防止在合閘瞬間由于濾波電容的初始零電壓，產(chǎn)生大的短路沖擊電流，在軟啟動(dòng)完畢后，接觸器KM1閉合，短路Rs。其電容的選擇與逆變器輸出額定功率、母線電壓有關(guān)，若電容量選擇過(guò)小，逆變器直流母線電壓的波動(dòng)幅度將較大，同時(shí)也會(huì)引起大的蓄電池直流充放電電流脈動(dòng)。

系統(tǒng)中的主變壓器一方面起安全隔離作用，保證蓄電池的正負(fù)極與電網(wǎng)隔離，另一方面，也是為了充放電蓄電池的電壓匹配。若無(wú)隔離變壓器，直流母線的電壓幅值應(yīng)大于交流電網(wǎng)電壓，否則，難以實(shí)現(xiàn)雙向電流充放電，但如果蓄電池的直流母線電壓匹配過(guò)高則會(huì)影響系統(tǒng)的效率。

系統(tǒng)中濾波電抗的設(shè)計(jì)選擇是至關(guān)重要的，它涉及到并網(wǎng)電流波形的脈動(dòng)幅度和跟蹤正弦電流幅值的范圍，若電抗器L值選擇過(guò)大，則在同樣開(kāi)關(guān)頻率下，輸出電流紋波會(huì)較小，但蓄電池放電并網(wǎng)功率會(huì)受到限制；L值選擇過(guò)小，輸出電流紋波會(huì)較大，產(chǎn)生較大的電磁噪聲和干擾。所以，電感值的設(shè)計(jì)選擇應(yīng)以滿足并網(wǎng)功率為前提條件，以電流脈動(dòng)紋波幅度為設(shè)計(jì)條件，以得到滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的低失真、低諧波、高品質(zhì)的正弦輸出電流波形。濾波電抗器的設(shè)計(jì)和加工要保證在額定電流范圍內(nèi)穩(wěn)定不變，即工作在線性區(qū)域內(nèi)，同時(shí)還要防止在運(yùn)行過(guò)程由于氣隙松動(dòng)產(chǎn)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(kāi)關(guān)的影響，使電流波形中含有開(kāi)關(guān)頻率的高次諧波，將會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和空間電磁輻射。為了使系統(tǒng)滿足電磁兼容及電磁干擾國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)必須配置專用的高頻濾波器，并在主電路的工藝結(jié)構(gòu)和機(jī)箱設(shè)計(jì)上采取預(yù)防措施。

2 系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

蓄電池的充放電系統(tǒng)需要控制直流電流和直流電壓，而交流并網(wǎng)電流也是需要控制的，因此，該系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)應(yīng)包含有三閉環(huán)控制，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

VB＊為蓄電池充放電電壓指令值，VB為蓄電池實(shí)際反饋電壓，VT為電壓調(diào)節(jié)器，其輸出為充放電電流指令值IB＊，IB為實(shí)際充放電直流電流，LT1為直流電流調(diào)節(jié)器，LT1的輸出IM＊作為并網(wǎng)電流的幅值給定，其正負(fù)就決定了是放電還是充電，即其逆變器并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓是同相還是反相。TB為同步電壓變換器，IM＊與同步變換器輸出UAK＊的乘積為Ia＊，Ia＊再作為并網(wǎng)交流電流的給定，經(jīng)LT2電流調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流Ia的跟蹤控制，也即指令電流Ia＊與電網(wǎng)的對(duì)應(yīng)相位是相同還是相反。做為另外兩相電流給定值Ib＊及Ic＊的控制與Ia＊的控制方式相同，直流電壓調(diào)節(jié)器VT和直流電流調(diào)節(jié)器LT1不變。

由于系統(tǒng)存在三閉環(huán)控制，各調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)設(shè)定對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性有較大影響，各調(diào)節(jié)器參數(shù)應(yīng)合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)的充放電電壓和電流的穩(wěn)定。

為了實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電曲線的控制，在充放電過(guò)程中，可以設(shè)定VB＊和VT調(diào)節(jié)器的輸出限幅IBmax＊，在不同的充放電電壓區(qū)域，由于VT調(diào)節(jié)器開(kāi)始時(shí)一般是處于飽和狀態(tài)，其輸出處于限幅值，所以充放電電流跟蹤IBmax＊，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到某點(diǎn)設(shè)定電壓值時(shí)，再次修改VT調(diào)節(jié)器輸出限幅即可。在充放電的最后階段，VT調(diào)節(jié)器會(huì)自動(dòng)進(jìn)入退飽和調(diào)節(jié)，并控制蓄電池充放電電壓滿足設(shè)定要求。

3 交流電流的內(nèi)環(huán)跟蹤控制

雙向SPWM整流逆變控制技術(shù)的關(guān)鍵在于交流電流內(nèi)環(huán)的電流跟蹤控制，電流跟蹤控制的方式有多種，如電流滯環(huán)比較控制、SPWM異步閉環(huán)電流控制、電流數(shù)字預(yù)估控制、電壓矢量運(yùn)算控制等。

3.1 電流滯環(huán)比較控制

滯環(huán)PWM電流控制是一種較為傳統(tǒng)的控制方法，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，DP為上下橋臂驅(qū)動(dòng)電路，KH為滯環(huán)比較器。滯環(huán)比較方式的特點(diǎn)是采用硬件電路比較，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，電流控制的響應(yīng)很快，誤差可控，但輸出電流的諧波較多，電磁噪聲較大。

    3.2 SPWM異步閉環(huán)電流控制

SPWM異步電流閉環(huán)跟蹤控制是一種控制簡(jiǎn)單且穩(wěn)定性能較好的方式，由于它具有固定的開(kāi)關(guān)頻率，因此有利于濾波電路的設(shè)計(jì)，也有利于限制電路的開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)有利于降低噪聲。該種電流控制方式具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、噪聲小、諧波低等特點(diǎn)。本文采用的方式如圖4所示，電流偏差通過(guò)PI比例積分調(diào)節(jié)后與三角載波比較，由于電流給定Ia＊為正弦波，當(dāng)控制內(nèi)環(huán)穩(wěn)定時(shí)，其PI調(diào)節(jié)器輸出也會(huì)為正弦波，其比較輸出為等效的SPWM脈沖序列,該脈沖序列經(jīng)DP驅(qū)動(dòng)電路分別驅(qū)動(dòng)上下橋臂IGBT模塊，使電流形成負(fù)反饋控制。圖5為采用該電流控制方式的并網(wǎng)電流跟蹤實(shí)驗(yàn)波形，由圖5中電網(wǎng)同步電壓與電流波形可知，實(shí)際電流跟蹤效果良好，由于正弦電流控制采用的是PI調(diào)節(jié)，因此，實(shí)際并網(wǎng)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(jìn)行誤差補(bǔ)償，以消除實(shí)際電流與電網(wǎng)電壓的相位誤差，提高并網(wǎng)功率因數(shù)。

4 系統(tǒng)的控制功能設(shè)計(jì)

蓄電池充放電維護(hù)裝置的控制功能設(shè)計(jì)要考慮用戶的使用場(chǎng)合和操作靈活性，本系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理能力，使系統(tǒng)能以全數(shù)字軟件方式實(shí)現(xiàn)正弦波并網(wǎng)電流的雙向控制，并在實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)正弦電流波形及減小噪聲等方面效果良好。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)蓄電池的充放電控制要求及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了較為全面的充放電控制和管理模式。其主要功能設(shè)計(jì)如下。

1）充放電曲線設(shè)定可以由用戶在本機(jī)液晶顯示操作面板上設(shè)定合適的電壓電流充放電數(shù)值，以有限數(shù)組實(shí)現(xiàn)曲線的擬合，控制充放電電流跟蹤設(shè)定曲線，并最終穩(wěn)定在蓄電池充放電的上下限電壓值上。

2）充放電模式設(shè)定設(shè)置了放電模式、充電模式和循環(huán)自動(dòng)充放電模式。在充放電模式下，如果系統(tǒng)完成了充放電過(guò)程，則自動(dòng)停機(jī)等待并聲音提示。在循環(huán)自動(dòng)充放電模式，會(huì)根據(jù)用戶設(shè)定的循環(huán)充放電次數(shù)，自動(dòng)完成充放電控制，并停機(jī)聲音提示。

3）上位機(jī)的通信控制及管理本機(jī)系統(tǒng)設(shè)有RS485通信接口，可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信。本機(jī)可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，如蓄電池電壓、蓄電池電流等；上位機(jī)也可以發(fā)送控制指令給下位機(jī)，如充電電壓電流指令、放電電壓電流指令等，并可以同時(shí)監(jiān)控和管理多臺(tái)蓄電池充放電設(shè)備，圖形顯示當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)和歷史運(yùn)行曲線等。

5 系統(tǒng)的故障保護(hù)

對(duì)于該型的蓄電池充放電維護(hù)裝置，除了要具備一般的逆變電源保護(hù)功能，如交流過(guò)流、直流過(guò)流、短路、蓄電池過(guò)充過(guò)放、散熱器超溫等，特別還應(yīng)有孤島效應(yīng)的防止與保護(hù)功能。孤島效應(yīng)是指并網(wǎng)型逆變電源在電網(wǎng)斷電時(shí)，逆變器仍然保持對(duì)失壓電網(wǎng)中的某一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)，這樣電力孤島效應(yīng)區(qū)域會(huì)發(fā)生電壓和頻率不穩(wěn)定現(xiàn)象，有可能對(duì)外部設(shè)備造成損壞或發(fā)生觸電安全事故。圖7為孤島效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理，正常供電時(shí)，開(kāi)關(guān)A閉合，蓄電池逆變電源和電網(wǎng)同時(shí)給負(fù)載供電。當(dāng)電網(wǎng)突然停電，即從A處斷開(kāi)，若這時(shí)負(fù)載阻抗正好與輸出電流相匹配，則在電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓不會(huì)有任何變化，采用常規(guī)檢測(cè)電壓方法，系統(tǒng)無(wú)法判斷電網(wǎng)停電，仍然繼續(xù)向負(fù)載供電，即產(chǎn)生了孤島效應(yīng)。對(duì)孤島效應(yīng)的識(shí)別有多種方式，可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類。一般規(guī)定并網(wǎng)逆變電源本機(jī)應(yīng)同時(shí)具有主動(dòng)和被動(dòng)識(shí)別能力，以提高孤島效應(yīng)識(shí)別的可靠性，并且要求識(shí)別響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于1s。主動(dòng)式孤島效應(yīng)的識(shí)別方式有主動(dòng)頻率偏移、有功功率變動(dòng)、無(wú)功功率變動(dòng)等。被動(dòng)式方式有電壓相位跳動(dòng)、三次電壓諧波變動(dòng)、頻率變化等。

6 結(jié)語(yǔ)

采用雙向SPWM逆變整流技術(shù)的蓄電池充放電維護(hù)裝置，由于其可以方便地實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)充放電電流的正弦波形和高功率因數(shù)控制，對(duì)電網(wǎng)無(wú)污染，因此是高效節(jié)能的綠色電源。系統(tǒng)功率開(kāi)關(guān)器件選用IGBT，其開(kāi)關(guān)工作頻率可以達(dá)到20kHz以上，采用專用的DSP數(shù)據(jù)處理器控制，正弦波形的畸變率很小、噪音很低，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具有蓄電池聯(lián)網(wǎng)群控智能化充放電的管理功能，可以適應(yīng)不同電壓等級(jí)和類型的蓄電池生產(chǎn)和維護(hù)。由于該裝置具有良好的控制性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，其推廣應(yīng)用前景良好。