（电力电子与电力传动专业论文）能量回馈式蓄电池放电装置的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o d u c t i n ga n du s i n go fs t o r a g eb a t t e r y , i ti sn e c e s s a r yt od i s c h a r g e s t o r a g eb a k e r yt o e n s u r eg o o dp e r f o r m a n c eo ft h eb a t t e r ya n ds e c u r i t yo fs y s t e m t h e d e v i c ew h i c hu s e sr e s i s t o r st od e p l e t et h ee n e r g yo fb a t t e r yh a sah i g ht e m p e r a t u r e - r i s ea n d l o wr e l i a b i l i t y , a n di se n e r g y - w a s t i n ga n dp o n d e r o u s t r a n s f e r r i n gt h ee n e r g yi n t ot h ep u b l i c u t i l i t y , t h ed e v i c eh a sai o wt e m p e r a t u r e r i s ea n dh i g hr e l i a b i l i t y , a n di se n e r g y - s a v i n g ，l i g h t ， a n ds m a l l t h e r e f o r ed e t a i l e ds t u d yi sm a d ei nt h i sp a p e ro nt h eb a t t e r y d i s c h a r g i n gd e v i c e b a s e do nh i g h f r e q u e n c ep w m v o l t a g e s o u r c ec o n v e r t e r ( v s c ) t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep r i n c i p l eo ft h eo p e r a t i o no ft h eh i g h - f r e q u e n c ep w mv s c ， a n dad e t a i l e ds e l e c t i o nm e t h o df o r t h ek e yp a r a m e t e r so ft h ev s ci sa n a l y z e da n dg i v e n t h ei m p r o v e dp e r i o d a v e r a g e m o d eo ft h es i n g l e p h a s ep w mv s ci ss e tu p a n dt h e c u r r e n tc o n t r o ls c h e m eb a s e do nt h em o d e li sp r e s e n t e d t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ed i g i t a l c o n t r o ls y s t e mi s e s s e n t i a l l yd i s c u s s e d a n d t h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa n di t ss o f t w a r e r e a l i z a t i o ni sd e t a i l e d t h e nt h er e l e v a n tp r o g r a mf l o wc h a r t sa r eg i v e no u t t h er e a l i z a t i o n o ft h ec u r r e n tc o n t r o li sp r e s e n t e d b a s e do nt h ep o w e rb a l a n c ec o n c e p t ，m a t h e m a t i cm o d e l o fd i s c h a r g i n gc u r r e n ti ss e tu p a n dt h el i n e a r i z e ds m a l ls i g n a lm o d e li st h e no b t a i n e du s i n g s m a l lp e r t u r b a t i o na n a l y s i sm e t h o d ap i c o n t r o l l e ro fd i s c h a r g i n gc u r r e n ti sd e s q w n e d a n d e f f e c t i x e n e s so ft h ep ia n dt h em o d e lo fd i s c h a r g i n gc u r r e n ta r ev e r i f i e db ys i m u l a t i o n a s o f t w a r ep h a s e - l o c k e dl o o p ( s p l l ) i m p l e m e n t e db yd s pi sd e s i g n e d a n dt h ed e s i g n i n g m e t h o do ft h es p l lr e g u l a t o ri sp r o p o s e d a d i s c h a r g i n gd e v i c ep r o t o t y p ei sc o n s t r u c t e d w h i c hu s e st m s 3 2 0 f 2 4 0d s p a st h e h e a go fc o n t r o ls y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ed i s c h a r g i n gd e v i c eb a s e d o nh i g h f r e q u e n c ep w mv s cc a nb o t hd i s c h a r g eb a t t e r ya tac o n s t a n tc u r r e n t a n dc a n t r a n s f e rt h ee n e r g yo fb a t t e r yi n t ot h ep u b l i cu t i l i ww i t hu n i t yd o w e rf a c t o r k e y w o r d s ：s t o r a g eb a t t e r yd i s c h a r g i n g ，i m p r o v e dp e r i o da v e r a g e m o d e ， d i g i t a lp h a s e l o c k e dl o o p ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任 可其他个 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律效果由本人承担。 学位沦文作者签名：迂弓 r 期：& 。1 年啦月2 6r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的舰定，即：学校有 权保霞f 并向国家有关部门或机构送交论文的夏印件和电子版，允许论文被查浏和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等幅值手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密酗。 ( 清在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名：哥爹 f 期：a 午年p 只 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本文的研究对象为基于单相的蓄电池放电装置。本章先介绍了蓄电池放电的重 要性，然后介绍了电力电子技术的发展及其在蓄电池放电装置中的应用现状，最后介 绍了本文的研究内容。 1 1 蓄电池放电的重要性 蓄电池作为备用电源起着极其重要的作用。特别是近几年来，随着蓄电池技术 和电力电子技术的发展，蓄电池已广泛应用于电力、通讯、令融、交通等各行各业中。 但是，有多种原因会导致蓄电池电池容量减小、早期失效，从而影响系统的安全运行。 而蓄电池放电试验是检测蓄电池容量，处理极扳活性物质凝结、性能衰退、极板钝化 等故障以及防止蓄电池早期失效的一种必不可少的手段。另外，蓄电池在出厂前要 经过2 3 次充放电老化试验，考验和检测各相技术指标。因此，为了检测蓄电池容 量，确保蓄电池的性能，保证系统长期安全地运行，必须对蓄电池进行放电试验。 根据中国邮电f 巳信总局颁发的电信电源维护规程的要求，所有阀控式铅酸 ( v r l a ) 蓄电池要定期进行核对性放电试验和容量试验。根据中华人民共和国原水 电部( 1 9 6 2 ) 水电计字第2 i 号与东北电管局( 1 9 9 4 ) 颁布的蓄电池运行规程中 有关条文规定为保证发电厂与变电所按浮充电运行的蓄电池的使用容量和寿命，必须 定期进行核对性容量鉴定放电“1 。 蓄电池放电一般采用恒流放电。传统的蓄电池放电装置大多数采用非常笨重的 可变电阻箱，人工调节变阻箱以改变放电电流，这给现场的测试和维护带来了很大的 困难，而且动念性能差、精度祁可靠性都很低。因此，必须研究新的放电技术，使放 电装置具有自动化程度高、精度高、可靠性高、动态性能好等特点。 1 2 电力电子技术的发展 电力电子技术是有效地使用电力半导体器件，应用电路理论和设计理论以及分 析丌发工具实现对电能的高效变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波 形等方面的变换。1 9 5 6 年晶闸管( s c r ) 的问世标志着电力电子技术的丌端。电力电 子技术诞生至今5 0 多年，特别是近二十年来取得了迅速的发展。目前，电力电子技 术已广泛应用于电力、工业、交通、航空航天、通讯和家用电器等领域。 1 2 1 电力电子器件的发展 电力电子器件是电力电子技术的核心，是电力电子技术发展的强大动力，电力 电子技术的发展在很大程度上取决于电力电子器件的发展。自从s c r 问世后，其它 华中科技大学硕士学位论文 器件如可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶体管( g t r ) 、绝缘门极晶体管( i g b t ) 、功率 场控晶体管( p o w e r m o s f e t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、静电感应晶闸管( s i t h ) 、 m o s 晶闸管( m c t ) 等以及功率集成电路( p i c ) 相继出现，并得到迅速发展“。 目前，电力电子器件的发展趋势之一是自关断化，并在此基础上朝着大容量化、 高频率化、易驱动、低导通压降、低开关损耗等方向发展。 1 可关断晶闸管( g a t et u r n o f f t h y r i s t o r , g t o ) g t o 是高电压大电流双极型全控型器件。早在1 9 6 2 年美国就研制出第一个5 a 韵g t o ，经过近四十多年的发展，现在大容量g t o 推向实用阶段。目前g t o 最大 容量为6 0 0 0 a 6 0 0 0 v ，工作频率一般在2 k 以下。g t o 的主要缺点有两个：一是关断 增益较小，门极反向关断电流较大；二是为限制d v d t 以及关断损耗须设置专门的缓 冲电路。尽管如此，与传统的s c r 相比，g t o 工作频率较高且具有自关断能力，省 去了强迫换流电路，同时g t o 是四层器件，因此，在高电压、大电流领域g t o 将取 代传统的s c r 。 2 电力晶体管( g i a n tt r a n s i s t o r , g t r ) g t r 是三层结构的双极性全控型器件，它具有控制方便、丌关时问短、高频特 性好、通念压降低等有点，近十几年来己得到迅速发展，广泛应用于直流调速、逆变 电源、u p s 电源等领域。目前g t r 的单管容量已达8 0 0 a 1 2 0 0 v ，模块一般在 4 0 0 a 6 0 0 a 1 2 0 0 v ，工作频率可达5 k h z 。由于g t r 的自身结构限制以及存在二次击 穿问题，g t r 的进一步发展受到限制。 3 功率场控晶体管( p o w e rm o s f e t ) 近年来，p o w e rm o s f e t 发展很快，它是一种电压型多数载流子器件，驱动简 单工作频率高达数兆以上。p o w e rm o s f e t 的最高水平为1 0 0 0 w 8 0 1 5 0 a ，其模块生 产水平为5 0 a 1 0 0 0 v 。由于p o w e r m o s f e t 的通念压降随着额定电压的增加而成倍增 加，所以制造高刑压低导通压降的p o w e r m o s f e t 较为困难。目自h 已研制出能吸收电 压高于稳定额定值雪崩能量的p o w e r m o s f e t ，以满足电子镇流器和汽车电子点火等 需要；同时也研制出在同一硅片上集成反并联二极管和具有检测单元的p o w e r m o s f e t 。现在，市场上已有带驱动接口、电流限制器、过流过热和欠压保护的智能 p o w e rm o s f e t 出售。p o w e rm o s f e t 主要应用于高频小功率电力电子装置中，例如 功率因数校正电路、d c d c 丌关电源及家电产品。 4 绝缘门极晶体管( i s o l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r , i g b t ) i g b t 是八十年代中期问世的一种新型复合型电力半导体器件，由于它兼有 m o s f e t 的快速响应、电压驱动和g t r 的低导通压降、大电流等优点，近十多年来 发展极快，大有发展前途。就其性能而言，它具有通态压降低、丌关特性好、开关损 耗小和封装形式多样化等有点；另一个重要特点是内部集成了电流检测及过流短路保 华中科技大学硕士学位论文 护功能。现在国外5 0 0 k w 以下的电力电子装置，如机车牵引变流器、厂w f 变频器、 p w m 整流器逆变器系统、u p s 系统中均普遍使用i g b t 器件。国内近年来i g b t 的 应用领域也逐年扩大。 5 静电感应晶体管( s t a t i ci n d u c t i o n t r a n s i s t o r , s i t ) s i t 是由f l 本人西泽在1 9 7 0 年试制成功的，它是一种非饱和输出特性的多子导 电器件。它通过静电场控制沟道内部的电位分布来实现电流控制，输出功率大、失真 小、输入阻抗高和抗辐射能力强等优点；另一个显著优点是s i t 开关速度极快，目前 已有商品化的s i t 其截至频率一股在3 0 5 0 m h z 左右。由于它的导通压降较高，主要 应用于频率很高的特殊场合，如广播功率放大器和高频感应加热设备等。 6 静电感应晶闸管( s t a t i ci n d u c t i o n t h y r i s t o r , s i t h ) s i t h 是七十年代提出、八十年代发展起来的种利用电场效应控制器件的导电 能力的新型器件。它与s i t 相比，具有更高的电压、电流制量，又保持较高的丌关频 率等有点。所以同、美、法等国都致力于其丌发和应用。s i t h 按其结构可分为单 极和双极两种，莳者的可控功率范围为1 1 0 k w l m w ，工作频率可达l o o k h z ；后者 的工作频率可高达1 2 m h z 、目前已有商品化的s i t h 其最大容量为2 5 0 q a 4 5 0 0 v 。 r 本在s i t h 研制和应方面处于世界领先水平，目前s i t h 正在进入实用化阶段， 如高频逆变器、高频感应加热设备等。可以预见它将进一步应用于高压直流输电、大 电流丌关设备、电机驱动、焊接等领域。 7 m o s 晶闸管( m o s c o n t r o l l e dt h r i s t o r m c t ) m c t 经美国科学家v a t e m p l e 七年研究于1 9 8 6 年去的成功。它是m o s f e t 与 晶闸管的复合器件，是由电压控制门极的全控型自关断器件。它具有两个m o s 门极， 一个为晶闸管的丌通门极，另一个为晶闸管的关断门极。因此，它具有高电压大电流、 低导通压降、高电流密度、低驱动功率和高丌关速度等优点，是一种很理想的电力电 子丌关器件。 电力电子器件的发展趋势之二是集成化，其标志是高压集成电路( h v i c ) 和智 能功率集成电路( s m a r t p i c ) 的出现。h v i c 是横向高耐压器件与控制电路的单片集 成：s m a r tp i c 则是纵向功率器件与驰动、保护、检测、控制等电路盼单片集成。智 能化功率器件的的应用给电力电子技术广泛应用于家用电器、办公自动化设备开辟了 广阔的前景，并大大改善设备的性能。九十年代以来，i g b t 开始向智能功率模块( i p m ) 发展，现已发展到第三代i p m ，特别适用于小型化紧凑型的三相p w m 整流器逆变器。 电力电子器件的发展趋势之三是新专才料、颏工艺的应甩。随着现代电力电子技 术的进一步发展，电力电子器件必须具有更高的开关速度、更低的通态压降、更大的 大容量、更小的体积、更好的热稳定性、更好的防辐射能力以及更高的可靠性，传统 的硅单晶材料很难满足上述要求。因此，具有大带隙、高载流子迁移率和良好电热传 华中科技大学硕士学位论文 导性的s i c 、o a 2 a s 2 可能得到很好的丌发。另一方面，有许多新的工艺如平面工艺、 l s i 工艺、多成金属化和高能注入等，可以有效的改善电力电子器件的性能。 新一代器件的问世使电力电子变换电路及控制系统不断革新，使电力电子技术 面目一新。 1 2 一电力电子电路的发展 电力电子电路按照电能的变换形式可以分为四大类。1 。 1 整流电路：出交流电能到直流电能的变换称为整流( 或称a c d c 变换) ，儿能 实现这一变换的的电路泛称为整流电路： 2 逆变电路：由直流到交流的变换称为逆变( 或称d c a c 变换) 儿能实现这一变 换的电路称为逆变电路； 3 直流变换电路：能将一种直流电压( 电流) 的幅值或极性加以改变的电路( 或 称d c d c 变换) ； 4 交流变换电路：能将一种交流电的电压( 电流) 或频率加以改变的电路( 或称 a c a c 变换) 。f i 者称为交流调压电路，后者称为变频电路。 传统的相控整流电路需要电网提供大量的无功功率，同时也给电网带来严重的 谐波污染：二极管整流虽然输入电流的基波没有滞后，相移因数近似为i ，但谐波电 流很大，给电网造成了严重的污染。采用自关断器件实现的高频整流电路输入电流为 f 弦波、且功率因数为l ，将取代相控整流和二极管整流。 高频化是电力电子电路发展的重要趋势。提高工作频率有利于改善电压( 电流) 波形，可以减小滤波电抗和电容的体积，节省铜和铁，减轻装置重量。然而，随着丌 关频率的提高，丌关损耗成比例的增加。丌关损耗是制约开关频率提高的重要原因， 同时也成为器件能量损耗的主要部分，使电力电子电路效率降低。另外，随着电力电 子电路的高频化，电磁干扰( e m i ) 问题也f 1 益突出。 软丌关( s o f ts w i t c h i n g ) 技术利用谐振原理，使开关器件在零电压或零电流 条件下动作，因而在理论上可以把玎关损耗降为零，因而可使电路的工作频率、效率 大大提高；同时软丌关技术也可以有效地防止电磁干扰。因此，近年来对软开关技术 的研究及其应用非常引人注目，越来越多的电力电子装置采用了软丌关技术。 电力电子电路最基本的拓扑形式如最基本的整流电路、逆变电路及周波变流器 电路等很早就已经确定。晶闸管出现以后，并没有立即产生一些新的电路拓扑形式， 直到8 0 年代以后，随着自关断器件的普遍应用，电力电子电路向高频化方向发展， 有关电力电子电路拓扑的研究又活跃起来。近年来一些新的电路拓扑形式如谐振型逆 变电路、矩阵式变频电路等不断涌现。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 3 电力电子控制技术的发展 电力电子技术是弱电控制强电的技术，控制技术的发展在电力电子技术的发展 过程中起着极其重要的作用。近二十年来，由于p i i 技术、现代控制理论及策略和微 处理器控制等方面的发展，电力电子控制技术向全数字化和智能化方向发展。 a s c h o n u n g 和h s t e m m i e r 在1 9 6 4 年的 b b c 评论上发表文章，提出把通信 系统的调制技术应用于交流传动中，产生了f 弦脉宽调制( s p 州) 技术的思想，从而 为现代p w 控制技术莫定了理论基础。从最仍采用模拟电路产生的p 嘲信号到目前采 用全数字化方案实现的多种p w m 信号，以及在此基础上发展起来的p 州控制技术，对 推动电力电子技术的发展起了历史性的作用。目前p w m 控制技术的已经应用于各种电 力电子电路”。 随着微电子技术的发展，微处理器性能闩益增强，电力电子装置的控制系统逐 步数字化”1 。与模拟控制系统相比，数字控制系统紧凑、通用性强、控制规律灵活、 可以实现复杂的算法、便于实现通讯。目前，基于微处理器的数字控制技术应用范围 越柬越广，在许多范围己取代了原有的模拟控制。 在现代控制理论方面，一些新的控制方式如模型参考自适应控制( m r a c ) 、滑模 变结构控制、模糊控制、专家系统控制以及神经网络控制等也逐渐进入电力电子电路 的控制领域。电力电子装置是一个多变量、非线性、时变系统，很难获得其精确的数 学模型。常规控制依赖于模型的准确性，因而其控制效果受到了限制。模穗参考白适 应控制实时在线辨识电路参数，滑模变结构对电路参数依赣小，模糊控制不需要电路 的精确模型、在准确与简明之间取得平衡，因而可以克服电路参数时变和估计的不准 确性带来的问题。现代控制理论的应用使电力电子系统的控制技术发展到一个崭新的 阶段。 1 3 电力电子技术在蓄电池放电装置中的应用 随着电力电子技术的发展及其应用的普及，近年来，一些厂家和院校纷纷采用 电力电子技术研制新的放电装置，而且很多数都采用了计算机控制，归纳起束有三种： 电阻耗能式、相控有源逆变式和高频有源逆变式，其中后两者又可统称为能量回馈式。 1 3 1电阻耗能式放电装置 电阻耗能式放电装置用耗能元件取代了传统可变电阻箱放电装置中的可变电阻 箱“”1 。电阻耗能式放电装置结构简单、技术难度小，而且采用了反馈控制理论，通 过闭环改变丌关器件的开关占空比来调节放电电流的大小，因此只要调节器设计合 理，就能够实现对放电电流的高精度自动调节，并且能够获得满意的动态性能。 然而，电阻耗能式放电装置和传统可变电阻箱放电一样，通过电阻将蓄电池能 嘏中科技大学硕士学位论文 量转变成热能耗散，因此它具有如下缺点： 1 ) 蓄电池能量转换成热能耗散在空气中，造成了能源的浪费； 2 ) 热能使装置内部和机箱温升很高，大大降低了装置的可靠性和安全性； 3 ) 耗能元件往往体积大、重量重，因而整个放电装置笨重。 当放电装置容量较大时，上述缺点表现得更加明显。 1 3 2 相控有源逆变式放电装置 相控有源逆变式放电不需要耗能元件，它通过相控整流逆变电路将蓄电池能量 回馈至电网，有效的利用了蓄电池的能量，明显降低了设备的温升，大大地减小了设 备的体积。而且，采用全控整流桥的相控整流电路能够实现能量的双向流动，因此既 能够给蓄电池放电也能够给蓄电池充电。能量回馈式放电和单个设备实现充、放电一 体化是蓄电池放电装置的发展趋势。 然而，相控整流逆变电路本身还存在着以下缺点： 1 ) 交流侧输入端电流畸变严重； 2 ) 深度相控下交流侧的功率因数很低： 3 1 由换流引起的电网电压波形畸变； 4 1 电网停电时会产生逆变“颠覆”，降低了系统可靠性。 这些缺陷严重限制了相控有源逆变式放电的应用。采用l c 滤波虽然能在一定程 度上补偿交流侧电流的谐波，但是由于电流谐波丰富、而且低次谐波成分较多，因此 l c 滤波器容量大、体积大。同时，为了实现与电网的隔离和与电网电压的匹配，相 控有源逆变式放电装置一般都需要采用隔离变压器，隔离变压器增加了设备的体积和 重量。 1 3 3 高频有源逆变式放电装置 高频有源逆变式放电采用新型的p w m 高频整流逆变电路替代传统的相控整流 逆变电路。因此也能将蓄电池能量回馈至电网和实现能量的双向流动。但是p w m 高 频整流逆变电路具有输入侧交流电流f 弦、功率因数为1 或可调等特点，因而大大减 小了对电网的谐波注入，减小了对电网的不利影响。可以预言+ ，高频有源逆变式放电 将会很快取代相控整流式放电。 与相控有源逆变放电一样，高频有源逆变放电一般也需要隔离变压器。与电阻 耗能式放电和相控有源逆变式放电相比，高频有源逆变式放电控制复杂，技术难度较 大。 1 4 本文主要研究内容 高频有源逆变式放电具有很好的应用前景，对它的研究具有十分重要的意义。 华中科技大学硕士学位论文 因此作者针对单相p w m 电压型变换器的高频有源逆变式放电装置( 主电路示意图 如图1 1 所示) 作了一定的研究，所做的主要工作总结如下： ( 1 ) 本文首先对高频有源逆变式放电装置的工作原理进行了详细分析，并对电 路中关键元器件参数的计算、设计给出了详细的说明，然后根据实验设计 的要求选取了实验用参数，然后对主电路进行了仿真分析仿真结果验证 了原理分析和元器件参数设计的f 确性。 ( 2 ) 介绍了近年来比较常用的一些控制方法，分析了其优、缺点，然后建立了 一种p w m 逆变器的改进型周期平均模型，并在此模型基础上推导出了一 种基于周期平均模型的电感电流控制方式。 ( 3 ) 详细介绍了高频有源逆变式放电装置的控制系统的数字实现，包括硬件部 分、软件部分的设计；阐述了电感电流控制的实现方法，利用功率平衡关 系建立了放电电流的数学模型，并利用小扰动分析法建立其小信号线性模 型，由此设计了放电电流控制环的p i 控制器，并通过仿真验证了p i 控制 的效果以及放电电流数学模型的f 确性：设计了适用本系统的数字锁相 环，并针对锁相环系统的特点设计了调节器。 ( 4 ) 基于前面章节的分析，搭建了一套采用t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 控制的放电装置 的实验平台，并给出了实验结果。 墨型塑! 。 馊出盛变器 _ - b 图1 1放电装置主电路示意图 华中科技大学硕士学位论文 2 p w m 高频逆变器电路分析及设计 2 1 能量可回馈的高频p w m 整流电路 从不同的角度看，p w m 整流器有不同的类型。按是否具有能量回馈功能，可将 p w m 整流器分成无能量回馈功能的整流器( 亦称p f c p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 和 具有能量回馈功能的丌关模式整流器( r e v e r s i b l es m r ) 。 能量可回馈型的p w m 整流器均采用全控型半导体丌关器件，它比p f c 电路具 有更快的动念响应和更好的输入电流波形。另外，它还可以把交流输入电流的功率因 数控制为任意值，实现较、直流侧的双向能量流动。在实际应用中，特别是在中小功 率领域，将二极管与自关断器件反并联成一个可双向导电的丌关器件，在直流侧并联 一个大电容构成电压型的p w m 整流器，是能量可双向流动的高频p w m 整流器的主 流。 图2 1 是单相全桥电压型p w m 整流器。除必须具有输入电感外，p w m 整流器 的主电路结构和逆变器是一样的。稳态工作时，整流器输出直流电压不变，丌关管按 f 弦规律作脉宽调制，整流器交流侧的输出电压和逆变器相同。由于电感的滤波作用， 忽略整流器交流侧输出交流电压的谐波，变换器可以看做是可控讵弦电压源。它与电 网的f 弦电压共同作用于输入电感厶，产生正弦输入电流。适当控制整流器交流端的 电压盼的幅值和相位，就可以获得所需大小和相位的输入电流瓜。 图2 1 单相全桥电压型p w m 整流器 2 2 单相p w m 整流逆变电路工作原理 单相p w m 整流逆变电路的主电路结构见图2 2 所示。其工作原理为：通过对 开关管v d l 、v d 2 、v d 3 、v d 4 进行控制，就可以在桥的交流输入端产生一个f 弦调 华中科技大学硕士学位论文 制波u a 8 。矾s 中不合低次谐波成分，只含有与诈弦信号波同频率且幅值成比例的基 波分量和与三角载波有关的频率很高的谐波。 由于电感厶的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流如产生很小的脉动。 如果忽略这种脉动，j s 为频率与电源频率相同的f 弦波。在交流电源电压如一定时， j s 的幅值和相位由w 口中基波分量的幅值及其与“的相位差决定。改变中基波分 量的幅值和相位，就可以使j s 与弧同相位或是反相位。图2 3 给出了单相p w m 整 流电路的矢量图。 p _ u d 一 一 、偿海。 - 图2 2 单相p w 整流逆变电路 0：su s ( a ) 整流状念 u s u r 脚 ( b ) 逆变状态 图2 3p w m 整流逆变电路的矢量图 图中，弧电网电压 仉8 p w m 整流逆变电路输出的交流电压 魄进线电感s 上的电压 弧电网内阻r 上的电压 在图2 3 ( a ) 中，明8 滞后陆的相角为( b ，s 与矾的相位完全相同，电路工作在 华中科技大学硕士学位论文 整流状态，且功率因数为1 ，此时电网向p w m 整流逆变电路输送能量：在图2 3 ( b ) 中，u , 4 s 超前弧的相角为中，i s 与弧的相位完全相反，电路工作在逆交状态，且功 率因数为一i ，此时p w m 整流逆变电路向电网反送能量。这就是p w m 整流逆变电 路的基本工作原理。 2 3 放电装置主电路设计 2 3 1 主电路结构 放电装置主电路采用单相p w md c a c 变流器拓扑结构，其电路图见图2 4 所 示。为交流滤波电感；一f ，为术端l c 滤波环节，使蓄电池放电电流波形更为平滑； 2 一凹为直流侧二次谐波电流滤波支路；网侧变压器用以适配直流电压和电网电压， 且将蓄电池同电网隔离。 e 图2 4 放电装置主电路图 电 网 2 3 2 开关频率f 的选择 从理论上讲，提高开关频率可以减小电感三，、厶和电容c ，的容量从而缩小体 积、减轻重量、降低系统功耗及成本，可以减小交流电流谐波畸变率。然而，实际上 丌关频率= 一方面受丌关器件自身的限制，高的丌关频率意味着高的丌关损耗以及高 的丌关应力，另一方面电压型电路为避免桥臂上下管同时导通一般加有死区时间，然 而开关频率越高死区效应越严重。 本装置丌关管采用西门子公司的i g b t b s m 5 0 g b l 2 0 d n 2 。由于电力电子器件的 发展，i g b t 的丌关损耗越来越小，允许的开关频率越来越高；另一方面采用死区补 偿方法可以减小死区效应的影响，因此可适当提高丌关频率，选取，= = 1 0 k h z ，死区时 阳i7 2 u s 。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 3 变压器选择 为了实现与电网的隔离和电压匹配，能量回馈式放电装置中一般要有隔离变门三 器。由于蓄电池电压变化较大，而且电网电压有一定的波动，因此必须合理设计变眍 器的变比k 。 设变压器变比k = u e u s ，u s 为p w m 逆变器交流输出侧相电压有效值，魄为 电网侧交流相电压有效值。确定变比足的原则是：保证在币常的蓄电池电压低限和 电网电压岛限时，能够以允许的最大电流正常放电，而且留一定裕量以保证动态响应 速度：在满足的前提下尽量增大以提高直流电压利用率，减小通过丌关管的 电流。 因为本次设计针对的是2 2 0 伏的蓄电池放电，所以可以判断直流侧电压的 波动范围是18 5 伏2 3 5 伏左右。而单相p w m 逆变电路输出电压基波最大时其有效 值只能达到直流侧电压的o 7 0 7 倍故逆变器输出交流电压有效值盼最犬不能超过 1 3 0 伏左右。再考虑交流电感、线路电阻和丌关管导通压降等因素，取盼上限为11 0 伏；另外，考虑漏抗压降和电网电压1 0 的波动，因此选择的变压器变比应略大于 2 2 0 f lr 一1 0 ) 1 1 0 = 2 2 。 采用实验摩现有变压器，其变比为3 6 6 芏右，u e ：2 2 0 n 蠊：6 0 儿 2 34 交流滤波电感厶设计 在实际系统设计中，交流侧滤波电感的设计坩交流电流波形的影响较大。一方 面，它抑制了交流电流谐波，从滤波和抑制谐波的角度看，希望交流电感能大一砦： 另一方面，电感值过大又会影响电流的跟踪速度，使电流跟踪能力变差”因此选 择交流电感时应折衰处理其设计原则为：在最大限度抑制交流电流谐波前提下满足 最大电流跟踪速度要求。 ( 1 ) 电感f s 不能太小 为抑制进线电流谐波，s 应尽量大，即每个开关周期电流波动应满足电流波动 最大峰一峰值j 的要求，而最严重的波动发q 三在轻载时的f 弦波电流波峰 ( 肼= 兰2 ) 附近。对于双极性p w m 调制方案，交流侧输出电压“在丌关管7 ，、 7 4 导通时为+ ；在丌关管n 、1 3 导通时为一。则有： i ：盟：咝坠 ( 2 1 ) 厶 华中科技大学硕士学位论文 馘= 坠竽 眨：， 且有f a i ，a i 2 f 一，从而推出 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式中，如为丌关管7 2 、t 3 导通时间，f 为开关管乃、t 4 导通时问，u s m 为相电压峰 值。 己知电流峰值处有u a s ：u s m ，则有： ( t 。一屯) “= 、u 。 ( 2 5 ) 式中五为丌关周期。 而f 二j = t f 故 ，：! 丝缘，竖( 2 6 ) ” 2 。 f 一：! 竺生二竺型! 互 ( 2 7 ) 。 2 u 将f m 色- 。的值代入式( 2 3 ) 、( 2 ，4 ) ，可得 三，! 丝二鳗冱 ( 2 8 ) 、 2 a i u 。 另一方面，电感值过大会使交流电流跟踪能力变差。考虑交流电流过零处 ( o a t ：0 ) 要求电流变化率最大，考虑最大电流情况，此时电感设计必须使电流跟 踪速度大于电流变化率的最大值，即 卜她。警一挚纠。s 渤t ( 2 9 ) 1 2 六t 二i u一一u一o 出 二出 一 ，f u u 一 一堍一一峨 一 一 0 0 华中科技大学硕士学位论文 则交流侧电感上限值为： u , c ( l - 2 t , 。) 丝互( 2 1 0 ) ：l 。s i n ( c o l 、i 。s i n ( c o l ) 而当开关频率高于2 k h z 时，可以认为s i n ( c o t , ) z r ，所以上式可化简为 。丝( 2 1 1 ) “ 。， 式中，为基波角频率。 综合上述分析，交流电感的取值范围为 篮二堡姿l ，旦l( 2 1 2 ) 2 a i 。v m，。，c o 由= 2 3 5 v ，= 3 a ，u s = 6 0 v 可得 ， =型三竺! 兰丘一 _ 、2 x 2 3 5 x 3 ：1 6 6 2 爿 6 0 取a i 。、= 0 2 s m ，= 1 0 0 r e ，t s = 0 0 0 0 1 s ，将上述数据代入式( 2 ，1 2 ) ，可得 堕! 二! 鱼旦型婪! 兰! ：! ! ! ! 堕 2 x 0 2 1 6 6 2 2 3 5 1 6 6 2 l o o z 3 0 7 4 m h 厶 = 4 c p u 时钟周期，则即使没有设置专门的保护子程序，n 铲也 会一直保持事件管理器输出引脚的高阻态，从而实现保护。而同时，还会产生一中断 信息对应于d s p 内核的，刀缴中断，用户可以再设置相应的保护子程序，进行2 级保护。本系统中用该引脚中断为保护。 ! 双1 0 位模数转换模块( a ) c ) 模数转换器是带有内部采样一保持电路的1 0 位串行电容转换器。模数转换模 块包括两个带有内部采样和保持电路的模数转换器。t m s 3 2 0 f 2 4 0 中共有1 6 个模拟 输入通道。每八个模拟输入通过8 到1 的多路转换器提供给每个模数转换器。每个模 数转换器的最大总转换时间是6 6 u s 。模数转换模块的基准电压由外部源提供。通过 将v r ef h i 和v r e f l o 连接到合适的基准上可将基准的上限和下限的设置成小于或等于 5 伏的任一直流电压。a d c 模块的功能包括： 1 6 个输入通道( 每个a d c 单元8 个) ，它们可同时采样和转换： 每个a d c 单元可完成单个或连续采样保持( s h ) 和转换操作： 两组两级深度( 2 - l e ；c e l d e e p ) 的f i f o 结果寄存器用于a d c 单元1 和2 ； a d c 模块( 两个a d 转换器) 可由软件指令、器件引脚上的外部信号跳变或 由每一个通用定时器比较输出端和捕获单元4 上事件管理器的事件丌始操作； a d c 控制寄存器是双缓冲的( 带有荫影寄存器) ，可在任何时候写入，根据控 华中科技大学硕士学位论文 制寄存器中相应位的状态，a d c 的新转换可立即丌始或在前次转换完成时丌 始； 在每次转换结束时，如果它未被屏蔽或已被使能，那么中断标志被设置且中断 产生。 4 1 2 控制系统的电路设计 如图4 2 所示，整个控制系统主要包括以下功能单元：电压和电流的采样与滤波、 a i d 转换与数据定标、放电电流与交流电流调节、软件锁相环、s p w m 发生、故障检 测与保护、驱动电平转换等，其中虚线框内的功能单元都由d s p 实现。 电压和电流采样与滤波单元将由电流霍尔与电压互感器检测到的电压与电流信 号变换成0 5 v 电压信号，并根据控制系统的设计要求滤去高频分量。 a d 转换与数据定标单元完成电压与电流的采样和a d 转换，并将转换后的数 值换算成便于d s p 定点运算的数值格式。 故障检测与保护单元根据采样与滤波后电压电流和数据定标后的电压与电流判 断是否出现故障，如果出现故障，则发出故障信号h a r d f a u l t 和s o f t f a u l t ，故障信号 一方面送至d s p 的p w m 产生单元与驱动电平转换单元封锁驱动信号，另方面送至 故障显示电路以方便区分故障类型。为了可靠起见，同时设置了硬件保护与软件保护， 为了避免由于干扰引起的保护误动作，软件保护采用多次判断的方法。 ( 1 ) 交流电压、电流反馈与变换电路 通常险测交流信号的方法有两种，一种是精密整流+ 一种是抬电位法。由于精 密整流还需要额外作定标处理，所以本实验采用的是抬电位法。t m s 3 2 0 f 2 4 0 中的模 数转换通道只能接受0 + 5 v 范围内的模拟信号。所以从电压互感器输 出的反馈电压值和电流霍尔输出的反馈电流值在输入到d s p 之前必需调整到o + s v 之间。在实验中将电压互感器和电流霍尔输出的反馈电压、电流值进行了两级调整。 第级是将检测到的正弦电压、电流信号缩放成为一2 j + 2 5 v 的正 弦信号；第二级就是将一2 j + 2 j v 的正弦信号上抬2 5 v ，转换成为d s p 所允许的 0 4 - 5 v 的f 弦信号。 ( 2 ) 保护电路 在数字控制的电源系统中，保护电路的主要功能就是在电路出现故障时陕速封 锁丌关管的驱动脉冲。本次实验在控制板的硬件电路中设计了两种保护电路，一种是 外电路的过流、过压保护，另外一种就是p w m 波的互锁保护。 总之在控制电路的设计时，主要依据事先设计的功能柬决定各个电路的形式。 由于含有不同电源等级的芯片，而相互问又要进行联络，因此连接时要注意电平匹配 华中科技大学硕士学位论文 图4 。2 控制系统捱图 电路的负载效应等问题。对于引入d s p 的丌关控制信号，注意防抖设计，彳可以保旺 电路按设计功能f 常工作。 4 1 3 驱动电路设计 常用的混合集成i g b t 驱动器归纳起来大致有两类：一类是定时逻辑保护型，另 一类是硬关断保护型。短路电流往往比额定电流大很多，硬关断时短路电流关断应力 非常大，大大超过i c , b t 以及电路元件的承受力。虽然电路一般都有吸收电路，但可 靠性也不是很高：定时逻辑保护则从抑制短路电流入手，实行延时软关断，保护动作 迅速，关断应力小，可靠性高。 本装置采用