（电力电子与电力传动专业论文）基于电流型pwm整流器的蓄电池组充放电技术研究.pdf

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n o l o g yo f a c c u m u l a t o r s b a s e do nc u r r e n ts o u r c er e c t i f i e r s w a n gh o n g - r u ( e l e c t r i c a le l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n g p i n g , z h a n gl i x i a a b s t r a c t a c c u m u l a t o r sa r ew i d e l yu s e di nn a t i o n a le c o n o m ya n dc a l ln o tb eu s e dw i t h o u tb a t t e r y t e s t , s oc h a r g ea n dd i s c h a r g ei sv e r yo f t e n t oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fa c c u m u l a t o r st e s t , i n c r e a s ea c c u m u l a t o r ss e r v i c el i f e ，s a v ee n e r g ya n dr e d u c et h ec o s ta n dr e d u c et h ep o l l u t i o nt o t h ep o w e rs y s t e m ，i th a si m p o r t a n tv a l u a b l es i g n i f i c a n c et or e s e a r c hc h a r g ea n dd i s c h a r g e t e c h n o l o g yo f a c c u m u l a t o r s t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e st h e p a r a m e t e r sd e s i g no fm a i nc i r c u i ti nc s r a n dc s ri g b t o v e r v o l t a g ea n di t sr cs n u b b e rd r c m t ；d e s i g n san e wm e t h o do ft h r e ep h a s ec s r3 - v a l u e l o g i cs i g n a lg e n e r a t i o nb a s e do ns p w m ；d e s i g n sad i r e c tc u r r e n td o u b l ec l o s e dl o o pc o n t r o l m e t h o db a s e do n d q c o o r d i n a t ec o n v e r s i o na n di tr e a l i z e st h e h i g hp o w e rf a c t o r s i n u s o i d a l c u r r e n tc o n t r o lo nt h en e ts i d ea n dm e e t st h es t a t i ca n dd y n a m i cc o n t r o ld e m a n do f d cs i d ec u r r e n t t h i s p a p e rd e s i g n st h ea c c u m u l a t o r sc h a r g ea n dd i s c h a r g ee x p e r i m e n t a ls y s t e mc e n t e r i n g o nd s p - - t m s 3 2 0 f 2 812 i tt e s t sa n dv e r i f i e st h ea c c u r a c ya n df e a s i b i l i t yo ft h er e c t i f i e r t o p o l o g i c a ls t r u c t u r e ，3 - v a l u el o g i cp w ms i g n a lg e n e r a t i o nm e t h o da n dd i r e c tc u r r e n td o u b l e c l o s e dl o o pc o n t r o lm e t h o d k e yw o r d s ：a c c u m u l a t o r s ；c u r r e n ts o u r c er e c t i f i e r ；d i r e c tc u r r e n tc o n t r o l ；3 - v a l u el o g i c s p w m ；r cs n u b b e r 目录 第1 章前言1 1 1课题来源及研究意义1 1 1 1课题来源。1 1 1 2 课题研究意义1 1 2 蓄电池组测试技术的国内外研究3 1 2 1国外蓄电池组测试技术3 1 2 2 国内蓄电池组测试技术4 1 3 蓄电池组综合测试的变流技术4 1 3 1蓄电池组综合测试的变流方式4 1 3 2 对变流器的要求5 1 4 课题研究的主要内容及要解决的关键技术5 第2 章蓄电池组充放电系统硬件电路设计7 2 1三相电流型p w m 整流器7 2 1 1 三相电流型p w m 整流器拓扑结构7 2 1 2 采用电流型p w m 整流器的蓄电池组充放电系统j 8 2 2 三相c s r 主电路的参数设计8 2 2 1 三相c s r 直流储能电感的设计8 2 2 2 交流侧滤波电路参数设计1 2 2 3 控制电路设计1 6 2 3 1 控制电路1 6 2 3 2 驱动隔离放大电路1 9 2 4i g b t 过电压及阻容吸收2 0 2 4 1i g b tj 立电压2 0 2 4 2i g b t 的r c 吸收电路2 1 2 。4 3r c 吸收电路参数设计2 2 第3 章蓄电池组充放电系统软件设计2 6 3 1 三相c s r 的信号发生技术2 6 3 1 1 二、三值逻辑转换。2 6 3 1 2 三值逻辑p w m 的状态切换2 8 3 1 3 本课题p w m 的实现方法3 1 3 2 控制系统的设计。3 2 3 2 1电流控制p w m 3 2 3 2 2 基于d q 变换的三相c s r 双闭环控制3 4 3 3 控制系统软件编程4 0 3 3 1p i 控制器的数字实现4 0 3 3 2 软件程序设计4 1 3 3 3 程序流程图4 2 第4 章蓄电池组充放电系统仿真4 3 4 1蓄电池组模型。4 3 4 2 三值逻辑p w m 信号的生成。4 4 4 3 电路参数对三相c s r 整流桥i g b t 过电压的影响4 7 4 3 1无r c 阻容吸收电路时的过电压情况4 8 4 3 2 除r c 吸收电路外其他电路参数对i g b t 过电压的影响4 9 4 3 3r c 吸收电路阻容参数对i g b t 过电压的影响4 9 4 4 蓄电池组的三相电流型整流器开环仿真5 l 4 5 蓄电池组的三相c s r 直流侧电流单闭环控制仿真：5 5 4 6 蓄电池组的三相c s rs p w m 直接电流控制双闭环控制仿真5 6 4 6 1 蓄电池组充电仿真实验5 7 4 6 2 蓄电池组放电仿真实验5 8 第5 章实验系统与结果分析6 0 5 1 三值逻辑信号发生实验6 0 5 2 双闭环控制实验6 1 总结与展望6 3 参考文献一6 5 攻读硕士学位期间取得的学术成果。6 8 致谢6 9 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题来源及研究意义 第1 章前言 1 1 1 课题来源 作为一种储存能量的设备，蓄电池具备电压稳定、移动方便、供电可靠等许多优点， 因此在国民经济的诸多领域取得了广泛的运用。近年来，人们对环境的要求越来越高， 全球对能源的需求也不断增加，因而对蓄电池产业化的大批量生产能力和产品质量等方 面都提出了更高的要求。 蓄电池的使用离不开电池测试工作。蓄电池具有内阻小，具备反电势等特点，极小 的电压波动就有可能引起较大的电流纹波。为了实现良好的直流输出性能，目前蓄电池 组测试系统一般多采用线性调节器方式的变流电路。但是，电流型线性调节器电路的功 耗非常大，而且能量只能够单方向流动。其设备体积庞大，但转换效率很低，严重浪费 能源。要提供恒定的直流，线性调节器必须工作在放大状态。因为m o s 管容量的限制， 要实现大功率化，必须将多个m o s 管并联。这就需要增加负反馈电路，来防止m o s 管被烧毁或者振荡的情况。因此电路的复杂性大大增加。 所以，线性调节器方式的整流器已经无法适应日益发展的蓄电池组测试技术的需 要。传统的相控和电压型p w m 整流电路也因为电流纹波超标的问题，在电池测试领域 的应用存在很大的局限性。所以，需要针对蓄电池组的特殊性，对整流器的输出性能开 展研究，设计新型的变流电路来适应现代蓄电池组测试技术的要求。 本论文所选课题为“基于电流型p w m 整流器的蓄电池组充放电技术研究 。选择 此课题是为了在分析蓄电池组充放电系统的变流技术的基础上，选择合适的控制方法并 且进行实验，从而为其应用奠定基础，来达到蓄电池组对输出特性的特殊要求。 1 1 2 课题研究意义 蓄电池组进行测试时，需要频繁进行充放电操作。在充电的过程中需要将电网的交 流电通过整流器转化为直流形式，快速而稳定地向直流电源充电；在放电的过程中需要 将直流形式的电能逆变回馈给电网。p w m 整流器不但具有可控的整流与逆变特性，而 且能够实现网侧高功率因数正弦控制，同时响应速度快，便于大功率化。正是p w m 整 流器的这些优点，使其在各类电池检测装置中获得了广泛的应用，并且取得了无可替代 的地位。 1 第1 章前言 由于蓄电池组对充电电流纹波的含量非常敏感，在较高要求的情况下，充放电电流 的纹波含量应在0 5 以下。电压型p w m 整流器虽然能够输出较为恒定的直流电压，但 是因为蓄电池组的特殊性，极小的电压波动也会引起较大的电流纹波，所以电压型p w m 整流器用在蓄电池组充放电的时候，会存在电流纹波超标的不足，并且是升压型的整流 器，直流侧电压高于网侧电压。而电流型p w m 整流器提供的直流电压能够低于电源电 压，并且可以调节。用作直流电源的时候，电流型p w m 整流器能够实现四象限运行， 并且动态响应快。应用于蓄电池组测试系统，电流型整流器比电压型整流器更具有优势。 蓄电池的使用离不开蓄电池的测试工作。电池测试就是通过对电池进行充放电的控 制，测量和计算电池的电压、内阻和容量等性能参数，来达到电池分选的目的。蓄电池 内阻的在线检测对测试电流的纹波水平和系统的响应速度都提出了严格的要求。这就需 要电流型p w m 整流器的输出电流能够达到低纹波含量和良好的动态响应的要求。为了 获得精确的蓄电池组容量的测量，电流型p w m 整流器需要在容量测试的时候保证放电 电流的恒定。在循环充放电的使用场合，以到达其终结使用容量下限时的循环使用次数 来衡量蓄电池的使用寿命。充电与放电电流的恒定，对于提高蓄电池的使用寿命有着重 要的影响。实践表明，恒流充电方式比恒压限流充电方式更有利于延长蓄电池的使用寿 命。在目前工业蓄电池充电中常采用恒流一恒压一浮充的三阶段充电方式，也需要电流型 p w m 整流器提供可靠的恒定直流。综上所述，设计合适的蓄电池组充放电用三相电流 型p w m 整流器，选用合适的控制方法，得到良好的直流输出特性，对于蓄电池组的测 试结果的精确性以及延长蓄电池使用寿命等方面，有着重要的实际意义。 在电力电子装置运行的过程中，网侧电流含有大量谐波，总的功率因数较低，所以 必须加以限制。在满足整流器的直流侧输出响应指标的同时，需要实现整流器的网侧高 功率因数正弦波电流控制。在本文中，需要对蓄电池组充放电用三相电流型p w m 整流 器采取合适的控制方法，达到网侧的高功率因数正弦波控制。这对减小电网污染，达到 “绿色 电能变换的需求，具有重要的实际意义。 绝缘栅双极型晶体管即i g b t 在电力电子等领域中的应用越来越广泛。但是i g b t 在 关断过程中很可能会产生过电压，所以在实际应用中i g b t 缓冲吸收电路是必不可少 的。针对电压型p w m 整流器i g b t 过电压保护电路及参数的研究比较多，但是很少有文 章针对电流型p w m 整流器i g b t 过电压及其抑制问题进行讨论。本文针对电流型p w m 整 流器的特点，研究了电流型整流器i g b t 过电压及其阻容吸收的问题，得到了基于电流 型整流器的相关结论。这为后续的相关工作提供了重要的数据经验和参数选择方法，为 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 电力电子功率器件的安全运行提供了可靠的保障。 1 2 蓄电池组测试技术的国内外研究 随着人们对环境要求的不断提高，以及全球对能源需求的不断增长，各个国家对蓄 电池组能源系统的开发与研究也日益深入。随着蓄电池组能源系统研究的加深，对于其 性能测试方面的要求也逐渐增多，对“高品质蓄电池组综合性能测试系统 的需求不断 增长。 1 2 1国外蓄电池组测试技术 在蓄电池组测试技术方面，美国和德国居于领先地位。主要的研究机构有：美国的 必测( b i t r o d e ) 公司，阿宾( a r b i n ) 公司，美国电力研究院( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c h i n s t i t u t e ) ，德国的迪卡龙( d i g a t r o n ) 公司等。 f t f i 5 0 0 5 0 4 5 0 ( 电动车用电池测试系统) 是美国必测公司的产品型号。用户可以 方便的设置数据点，定义每个操作步骤的恒电压、恒电流或者斜坡；结束每个步骤可以 用以下的限制条件，包括：电压、电流、循环、功率、瓦时、安时、时间或者温度等； 通过网络电脑系统和必测v i s u a l l c n 软件系统来进行控制。该产品采用线性调节器工作 方式，在大功率化方面采用大量晶体管串联和并联的方法，能以o 1 的高精度测量各 项指标。但是，该系统也存在着固有成组设备庞大，转换效率较低，能源损失较大的缺 点。 e v h e vb a t t e r yt e s t i n gs y s t e m 是a r b i n 公司的产品。它具备如下的优点：具有可靠 的安全保护设计，可以选择很宽的电流控制与读取范围，具备电源可再生和低能量损耗 能力，可以传递较高的电压( 5 0 0 v ) 和较大的电流( 5 0 0 a ) ，放电时能量能够回馈给电 网。 a l b e r 阿尔伯科技是业界的先导【l 】，早在1 9 7 2 年就开始了蓄电池组测试设备的研究 与制造工作。在1 9 9 1 年，美国能源部就与三大汽车公司( 克莱斯勒、通用、福特) 共 同成立了先进的电池联合体( u s a b c ) ，建立专门的研究机构 2 1 ，对电池及其管理系统 进行实验与测试，来推动先进高效的电动车能源系统的发展。 e v t 5 0 0 4 5 0 ( 电动汽车蓄电池组测试系统) 是德国迪卡龙公司产品的型号。它采用 i g b t 直流变换器和i g b t 交流逆变器来完成能量回馈，实现网侧电流的正弦波。但是 3 第1 章前言 其各项指标没有达到必测公司的精度( o 5 ) 3 1 。 1 2 2 国内蓄电池组测试技术 。 结合目前蓄电池组对性能测试方面的需求，我国武汉力兴测试设备公司开发了 f c s l 2 5 0 燃料电池的测试系统。该系统由电子负载单元、输入输出接口单元、信号检测 单元、安全自动连锁保护单元、加湿单元、配气单元、测试控制软件等组成。其中，电 子负载单元的最大额定容量可达2 0 k w ，实现了大功率化，但是还没能够实现网侧电流 的正弦波与能量的回馈【4 1 。 我国北方汽车质量监督检验鉴定试验所和电子科技集团第十八研究所分别成立了 电动汽车蓄电池组测试基地，并且建立了实用化蓄电池组综合性能评价系统。这两个基 地已经于2 0 0 2 年初步完善了测试规范与检测条件，可以为判定送检蓄电池组的性能提 交可靠的检测报告。该系统推动了我国电动汽车蓄电池的开发、研制和应用工作，为8 6 3 计划电动汽车蓄电池项目的择优滚动，提供了最可靠的依据和最全面的服务【5 1 。 随着蓄电池组测试系统项目的不断发展，结合国内测试技术研制开发的现状，需要 我们根据国情研制出适合我国蓄电池组工业发展要求的测试设备，提高产品的技术质 量，扩大生产规模，来提升国内蓄电池行业在国际市场上的竞争能力【6 】。 1 3 蓄电池组综合测试的变流技术 1 3 1蓄电池组综合测试的变流方式 传统的蓄电池组性能测试的变流器，主要采取以下结构 7 1 ： ( 1 ) 线性调节器 结合计算机在线编程以及在线检测技术，采用电流型线性调节器的电路来实现对电 池的充、放电试验过程。在测试化学电池等负载的性能的时候，是以单个抽检样品( 1 2 v 或2 v ) 为对象。不论是在放电还是充电状态，电流型线性调节器的电路功耗都非常大【8 j ( 在放电时，相当于负载) ，而且只能控制能量的单向流动。其后果是：成组设备体积 庞大，但是转换效率低，能源损耗大；要提供恒定的直流，线性调节器必须工作在放大 状态，而受m o s 管的容量限制，要实现大功率化必须将多个m o s 管并联。为了防止 振荡或者多个管同时被烧毁的情况，需要增加负反馈电路。这就增加了电路的复杂性。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 2 ) 晶闸管整流器 采用晶闸管整流器，能够具备可控的d c a c 变换特性和a c d c 变换特性，做到全 范围电压可调的双向变流性能，实现大功率化。但是它需要整流变压器，造成能量转换 效率较低，并且直流滤波电感体积庞大，耗费有色金属较多。同时晶闸管全控整流器采 用的是工频移相技术，导致网侧功率因数较低，出现谐波污染的问题。对于直流侧的电 压和电流，只能做到平均值稳定，不能满足直流电流纹波的需求，响应速度也较慢例。 ( 3 ) p w m 整流器 p w m 整流器不但具有可控的a c d c 变换特性以及d c a c 变换特性，而且能够实 现网侧高功率因数正弦控制，响应速度快，便于大功率化。 1 3 2 。对变流器的要求 “高品质蓄电池组测试技术，是以电力电子的变流技术为核心，结合计算机在线 检测和自动控制技术等的综合性技术，要求变流器应该满足以下几个新特点【1o 】： 1 直流侧电压、电流均可以全范围调节( 例如超级电容器的测试要求电压的调节 范围是o ，电流的调节范围是o i n ) ； 2 输出的直流电流纹波很小，不是通常的电流平均值或者有效值恒定； 3 响应速度快( 例如在瞬时极限功率测试的时候要求直流电流在4 0 m s 内达到稳定 值) ； 4 具备双向变流的能力( 系统既可以对蓄电池组充电，蓄电池组也可以对电网放 电) ； 5 网侧高功率因数，减小谐波污染； 6 高电压、大电流、大功率的输出能力； 7 整机能量转换效率高，同时节省有色金属。 1 4 课题研究的主要内容及要解决的关键技术 课题研究的主要内容如下： 1 电流型p w m 整流器主电路的参数设计方法，需要根据实验要求进行计算，以 便选取合适的元件。 2 针对电流型p w m 整流器的特点，通过m a t l a b 仿真，研究电流型整流器中i g b t 5 第1 章前言 过电压阻容吸收问题。根据实验要求进行阻容吸收电路的参数设计。 3 设计一种三相电流型p w m 整流器三值逻辑信号发生方法。先得n - - 值逻辑信 号，再利用二、三值逻辑转换得到电流型p w m 整流器所需的三值逻辑信号。 4 设计蓄电池组充放电技术控制系统的控制方法，需要实现网侧高功率因数的正 弦电流控制，达到直流侧电流稳态和动态控制要求。 5 设计蓄电池组充放电技术研究的实验系统，来验证论文中整流器拓扑结构选取， 三值逻辑信号发生方法以及控制方案在蓄电池组充放电技术研究中的正确性和可行性。 课题要解决的关键技术： 1 研究一种用于三相电流型p w m 整流器仿真的二、三值逻辑转换方法，并且通 过实验得到验证。 2 研究电流型整流器中的i g b t 过电压阻容吸收问题，探讨主电路参数以及阻容 吸收电路参数等对i g b t 过电压的影响，研究阻容吸收电路参数的设计方法并根据实验 要求进行计算。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章蓄电池组充放电系统硬件电路设计 本论文设计的蓄电池组充放电技术研究系统的硬件部分主要包括以下三个方面：1 、 三相电流型p w m 整流器主电路；2 、控制系统电路；3 、i g b t 过电压的阻容吸收电路。 2 1 三相电流型p w m 整流器 2 1 1 三相电流型p w m 整流器拓扑结构 三相电流型p w m 整流器的拓扑结构如图2 - 1 所示。开关模型用功率器件i g b t 和 二极管串联，忽略线路的阻抗。 lm n 图2 - 1 三相电流型p w m 整流器拓扑结构 f i 9 2 - 1t o p o l o g ys t r u c t u r eo ft h r e ep h a s ec u r r e n t $ o l l r f ep w m r e c t i f i e r 电流型p w m 整流器的直流侧使用大电感，使得直流侧的电流近似为平滑的直流。 交流侧是由电感和电容组成的低通滤波器，来滤除电流中的开关谐波。开关器件是由可 控器件与二极管串联组成，来提高器件的反向阻断能力。 在本课题中，将蓄电池组作为直流侧负载。当开关管c z 和c r 4 导通的时候，系统 工作在整流状态，对蓄电池组进行充电操作；当开关管c 正和c 正导通的时候，系统工 作在逆变状态，蓄电池组放电。 就拓扑结构而言，电流型整流器要比电压型整流器复杂】。在输出特性以及装置的 可靠性方面，电流型整流器比电压型整流器具有优势【1 2 】。 在大功率场合下，电压型整流器的储能元件电容在储能效率和价格、体积等方面要 明显优于电流型整流器的储能元件电感，并且发电机、电池、电网等一般的电力能源都 属于电压源，因此长期以来，电压型p w m 整流器一直都是p w m 整流器研究的重点 7 第2 章蓄电池组充放电系统硬件电路设计 1 1 3 1 4 】【”1 。这也制约了电流型p w m 整流器的研究和应用。 2 1 2 采用电流型p w m 整流器的蓄电池组充放电系统 蓄电池内阻很小，并且本身具反电动势，很小的电压纹波就可能引起较大的电流纹 波。采用电流型整流器，便于提高直流侧电流的控制性能。对蓄电池组进行充放电，要 求整流器的输出电压在较宽的范围可调。而电压型p w m 整流器提供的直流电压只能高 于电源电压，还需要额外的降压电路使其降低到需求值。利用电流型p w m 整流器的直 流电压低于电源电压，并且可以调节，可以实现整流器输出电压、电流的全范围可调。 但是电流型p w m 整流器直流侧电流的方向不能改变，而电压的方向可以改变，所以应 用于蓄电池组充放电的时候需要辅之以极性切换电路，实现能量的双向流动。用作直流 电源的时候，电流型整流器能够实现四象限运行n6 】，并且动态响应快。用于蓄电池组充 放电系统，电流型p w m 整流器要优于电压型p w m 整流器。 2 2 三相c s r 主电路的参数设计 主电路的参数设计包括直流侧的储能电感和交流侧的l c 滤波参数两部分。直流侧 储能电感直接关系到整流器输出纹波的大小以及瞬态响应的快慢。因为电流型p w m 整 流器是从b u c k 变换器演变而来，所以l c 滤波电路的参数设计，是一个重要的环节。 电流型整流器主电路参数设计的合理性，将会直接影响整流器的输出性能【1 7 1 。 2 2 1 三相c s r 直流储能电感的设计 对于储能电感的设计应当考虑两个方面：为了抑制直流电流的脉动，直流侧电感乞 应当足够大；为使直流电流么达到较快的动态响应要求，直流电感乞的取值应当受到 限制。 具有蓄电池组负载的电流型整流器直流侧等效电路如图2 2 所示。 图2 - 2 具有蓄电池组负载的c s r 直流侧等效电路 f i 9 2 - 2e q u i v a l e n tc i r c u i to fc s rd c s i d ew i t ha c c u m u l a t o r sl o a d 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 由k v l 知 ( r ) 一气( r ) = 瓦掣+ 屯( r ) ( 也+ r l ) ( 2 - 1 ) 式中：气一蓄电池组负载的电动势 吃一蓄电池组负载的等效电阻； 心一直流侧的等效电阻。 必须知道屹( f ) 和e l ( t ) 才能够求解乞( t ) 。实际充放电时，蓄电池组的电动势会有 电压变化，但是很小，所以可令直流侧负载的电动势恒定不变，来简化分析，故 e l ( t ) = e l 。 直流侧的电压( f ) 可以利用开关函数来描述为 ( f ) 2 ，互，。1 _ 2 吒( f ) 屹( f ) + ( f ) 屹( f ) + 吒( f ) 屹( f ) ( 2 - 2 ) 在单位功率因数控制的时候，v j ( t ) ( j = a ，b ，c ) 为相电压的正弦基波，其峰值为匕。 如图2 - 3 所示，可以用一个占空比不变，幅值是3 圪的p w m 波来近似取代( f ) ，同 时可以提高直流储能电感的设计要求。 v d c 9 1 沁i 抛 t 骶(厂(厂l 一 。 oi - t l t 图2 - 3 直流侧电压、电流稳态调制波形 f i 9 2 - 3s t e a d ys t a t em o d u l a t i o nw a v ef o r mo fv o l t a g ea n dc u r r e n ta td cs i d e 当( f ) 呈现p w m 波形的时候，直流电流么是脉动的。为了抑制脉动，乞应当足 够大。c s r 直流侧电路在一个p w m 开关周期内的方程为： 9 第2 章蓄电池组充放电系统硬件电路设计 疵= ( ，) + 三掣+ g l ( o t ) 。：( ，) + 掣+ 巨( 。) ( 2 3 ) r = 心+ 吃 式中：乙，( f ) 一第一时间区间( o f 毛) 直流侧电流瞬时值 乞：( f ) 一第二时间区间( o f 瓦一毛) 直流侧电流瞬时值 f 一坐标平移后新的时间坐标值( f = f 一) f ( ) = 也：( o ) 【：( 互- t , ) = 么。( o ) 联立上述两式，得到么的脉动量么为 伊“旷等 一式中：互一直流电路的时间常数 五= 每 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 如果p w m 开关频率足够高，则互 五，即可利用e = 1 一x ( 当x 很小的时候) ， 对式( 2 5 ) 作近似处理得 舻等 此外，因为单极性p w m 的占空比d 为 d ：i 互 将式( 2 8 ) 代入式( 2 7 ) 可得 1 0 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 曲一一 望； 一写一 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 舻譬华 协9 ， 当d ( 瓴) d ( d ) = o 的时候，直流侧电流脉动值最大，为 = 等暑= 誓 亿 i s _ 时，直流电感k 应足够大，所以 瓦怨 像 此外，直流电流屯要满足较快的动态响应要求，应当使 互专 协 式中：t 一阶跃响应时上升时间指标值 可得下式 k 民 ( 2 - 1 3 ) 综合式( 2 1 1 ) 和式( 2 - 1 3 ) ，得到三相电流型p w m 整流器直流储能电感的取值范 围： 怨乞甜r ( 2 - 1 4 ) 从式( 2 1 4 ) 可知，如果要减少乞的取值，应当增加开关频率或者降低交流侧的电 压峰值圪。 针对本文中的蓄电池组充放电用三相电流型p w m 整流器控制系统，基波相电压的 峰值v m = 3 0 v ，开关频率为1 6 0 0 h z ，直流侧电流乞= s a ，按照2 0 的电流波动来考虑， 屯一= 2 0 x 5 a = i a ，则由式( 2 - 1 1 ) 可知 k 而- 9 1 2 槲 由式( 2 1 3 ) ，考虑上升时间f r 为5 0 m s ，则 第2 章蓄电池组充放电系统硬件电路设计 k t r r o = 5 0 x 1 0 。0 4 = 2 0 m h 根据实验条件，直流侧电感取为l o m h 。 2 2 2 交流侧滤波电路参数设计 1 滤波电容的参数设计 三相c s r 的交流侧电路有对称性，所以用一相为例进行研究即可。三相c s r 交流 侧一相的等效电路如图2 - 4 所示。 当三相c s r 使用p w m 控制的时候，交流侧的电流名( f ) 为 名( t ) - - 盯k i ( t ) ( 2 - 1 5 ) 式中：三值逻辑开关函数 图2 - 4 三相c s r 交流侧一相等效电路 f i 9 2 - 4s i n g l ep h a s ee q u i v a l e n tc i r c u i to ft h r e ep h a s ec s r a cs i d e 吒含有谐波分量，由式( 2 1 5 ) 可知交流侧电流屯( t ) 也含有谐波分量。交流侧滤 波环节应当减少交流侧电流谐波。 另外，直流侧电压为 = _ , c r j v g ( j = a ，b ，c ) ( 2 - 1 6 ) 式中：v j ( j = a ，6 ，c ) 一交流侧电压 如果，含有低次谐波分量，由式( 2 1 6 ) 可知也含有低次谐波分量，导致直流电 流也存在低次谐波。这就需要增加直流侧电感取值来得到理想的直流电流波形，导致损 耗的增加。因此交流侧滤波环节还应当减少交流侧的电压谐波。 交流侧的滤波环节的传递函数q ( s ) 为 g ( s ) 2 话可i + i r c c 面s 甭( 2 - 1 7 ) 式中：吃、足一电感支路与电容支路的等效电阻 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 交流侧的滤波环节的传递函数具有二阶传递特性。所以，不但要确定合适的滤波环 节截止频率，还要使滤波环节具有一定的阻尼比。在滤除p w m 谐波，抑制低次谐波电 流的同时，还要抑制网侧电流的振荡。 设计滤波环节的时候，要充分考虑p w m 的开关频率点附近的谐波衰减问题，因为 p w m 谐波主要分布在开关频率整数倍的频率附近。在衰减谐波的同时，还必须确保基 波增益足够大。此外，为了抑制电网畸变时网侧电流的低次谐波含量，还应当限制自然 振荡频率处的增益。因此，需要考虑p w m 开关角频率、基波角频率和无阻尼自然振 荡的角频率这三个不同频率处的幅频增益， 同时，在设计时还不能忽略三相c s r 的自身约束。电容c 的取值不能太大，以便 网侧可以获得高功率因数的正弦电流控制。 为了忽略p w m 谐波以获得低频模型时的方程，利用同步旋转坐标变换，交流侧的 电压矢量定向到q 轴。则低频模型方程为 球 协 = 詈吒 ( 2 - 1 9 ) 屹= 0 ( 2 2 0 ) r 乙、乙、tt - = t t 笔 c 2 - 2 ， 式中：乙、乞、屹、一交流侧的电流和电压的d 、q 分量 丸、d q 一占空比的d 、q 分量 f 一旋转坐标变换矩阵 t =c o s i ( o t 一等) c o so o t + 等) 咖耐s i n ( c o t 一等) s 证o o t + 等) ( 2 - 2 2 ) 这时，可以用p w m 的占空比以、d 。来代替开关函数。用电网的电动势巳( _ ，= 口，b ，c ) 近似代替交流侧的基波电压( 歹= 口，b ，c ) ，即 1 3 式为 第2 章蓄电池组充放电系统硬件电路设计 吃吃= 包c o s ( o t 吃 k 巳 在同步旋转坐标系下，电网电动势矢量定向到q 轴 ( 2 2 3 ) = e m ( 2 - 2 4 ) 交流侧的电流稳态值可以通过联立式( 2 1 8 ) 、式( 2 2 1 ) 和式( 2 2 2 ) 求得，为 乞- - 叩o s c o t + d as i n c o t i 出 屯= d q c o s ( 耐一等) 脚m ( t = 砬c o s ( 刎+ 等) 泖证( 式中：仍、q _ p w m 占空比以和d 。的稳态值 又由图2 4 可知 ( 2 - 2 5 ) 屯= 乙+ c 警( 细) ( 2 - 2 6 ) 再结合式( 2 - 2 3 ) 和式( 2 2 5 ) ，可知三相c s r 网侧的a 相电流稳态值的近似表达 i 4 一6 - o c e ms i nr o t + d q l l d cc o s c o t + d l i d cs i nc o t = ( 一以觋+ 岛乞) s i i l 耐+ d g 乞c o s 耐 令彳= 一a g y e m + 仍么，b = 见f d c ，则 涮岫一( 南+ 丽b 叫 = = 丽c o s ( 耐+ 秒) = , j a 2 + b 2c o s 耐+ ( 一p ) 其中，s i n 0 ：- 7 尘，c o s 0 ：_ 7 竺, t a n 0 ：s i n _ _ _ _ 0 0 ：一竺 彳2 + b 2 。彳2 + b 2 c o s l 9b 可知，屯超前心的相位角9 为 1 4 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 幼一3幼一3 一 + 研 耐 ，l，l一( ( 疋 幺 = 1 1 门川门川一 幼一3幼一3 一 + 弦 形 耐 耐 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 p = 删觚( 一詈) = a r c t a n ( 一警 协2 9 ， 如果要得到近似的单位功率因数控制，则令p = 0 ，即 a r c t a n 垡萼妄垒尘：oj a g ? e m 一眈么仍：笳拿 ( 2 3 0 ) 上厶 由式( 2 - 1 9 ) 和式( 2 2 4 ) ，得到三相c s r 直流侧电压的稳态值吃为 = 吾包瓦 ( 2 - 3 1 ) 开关函数见的最大值为 d q l l l l l 。- - ；簪 协3 2 ， 式中：q 一、屹一一砬和吃的稳态最大值 在同步旋转坐标系( d ，q ，0 ) 下，p w m 的占空比的稳态值眈、幺需要满足 砺+ 研1 ( 2 - 3 3 ) 故 见嘲 1 2 必，再经过其他因素的综合考虑得 到式( 2 - 4 3 ) 。在电阻设计时，考虑了电阻吸收电容储存的电荷和对电路中的电流振荡 起到阻尼的两方面作用，得到电阻取值范围的上限和下限。方法四比较全面并且有说服 力，所以在论文中采用该设计方法。 仿真时，阻容参数设计为r ：1 0 qc - o 1 f 。实验时，根据器件选择和实验条 件，选择电容c 为0 6 8 ，t f 。这时电阻取值范围是2 4 3 q 足1 5 3 1 9 q ，仍取r 为1 0 f 2 。 第3 章蓄电池组充放电系统软件设计 第3 章蓄电池组充放电系统软件设计 3 1三相c s r 的信号发生技术 3 1 1 二、三值逻辑转换 电压型整流器p w m 信号的发生采用二值逻辑信号。在某一时刻，对同一个桥臂， 上、下侧功率开关管有且仅有一个导通。同一桥臂上、下侧开关管不能同时关断或同时 导通。定义双极性二值逻辑开关函数p 1 7 ，为 p = h 翱薯嚣j 瑟簇器 - ， 对于三相电流型p w m 整流器，如果要实现交流侧电流的p w m 控制，在某一时刻， 允许同一桥臂上、下侧开关管同时关断或同时导通的情况，即允许桥臂开路和桥臂短路。 但是不允许某一侧同时有两个桥臂以上的开关管导通的情况。所以，三相c s r 同一桥 臂的上、下侧开关管可能出现：上侧管导通而下侧管关断、下侧管导通而上侧管关断、 上下侧管全导通、上下侧管全关断共四种情况。其所有的开关状态如图3 1 所示。定义 三值逻辑开关函数仃 1 7 ，则 f l上侧管导通，下侧管关断 仃= 0上、下侧管全导通或全关断 ( 3 2 ) i l下侧管导通，上侧管关断 那么三值逻辑p w m 信号是如何发生的呢? 产生二值逻辑p w m 信号的常用方法是 三角载波p w m 方案。为了使三值逻辑