（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp控制的蓄电池充放电一体化装置的研究.pdf

r e s e a r c ho ni n t e g r a t e dc h a r g e d i s c h a r g e d e v i c eo fs t o r a g eb a t t e r yb a s e do nd s pc o n t r o l c h e n gh u a s h e ny u l i a n g a b s t r a c t l e a d a c i ds t o r a g eb a t t e r yi sw i d e l yu s e di ne v e r yf i e l db e c a u s eo fi t so u t s t a n d i n g h o w e v e rt h ea c c u m u l a t i o no b s e r v ea p p l i a n c c p o w e r s u p p l y o fc h a r g ea n d d i s c h a r g ei ss t i l lt h es c rr e c t i f i e r t h o u g hi t st e c h n i q u eh a sb e e nc o m p l e t ea n dt h e p r i c eo fi t i sl o w i ta l s oh a sd i s a d v a n t a g ea sf o l l o w i n g p o o rd y n a m i c s l o w e f f i c i e n c ya n dh a r m o n i c sp o l l u t i o n s oh o wt oc h a r g et h eb a t t e r yq u i c k l y s a f e l y e f f i c i e n t l ya n dl e s sh a r m o n i c sp o l l u t i o nb e c o m eu r g et os o l v e t os o l v et h i sp r o b l e m ah i g h e f f i c i e n c ya n de n e r g y s a v i n gp w ms t o r a g eb a t t e r yc h a r g ea n dd i s c h a r g ei s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r a tf i r s t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ef u n d a m e n t a lo ft h r e e p i l a s ev o l t a g e s o u r c e p w mc o n v e r t e ra n ds p w ma r i t h m e t i c t h e nu s et h e mt od e s i g nc h a r g ea n dd i s c h a r g e e q u i p m e n ts o l v i n g h a r m o n i c sp o l l u t i o na n d l o we f f i c i e n c ye x i s t i n gi no b s e r v e a p p l i a n c e t h ec o n v e r t e rb a s e do nt h ei n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e i p m i sd e s i g n e d f o rt h er e q u i r e m e n to fr e a l t i m ec o n t r o l t h et ic o m p a n y sc o m m o nd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 1 2i sc h o u s e da sc o r ec o n t r o lc h i p p r o g r a m m i n gb a s e do n i t s ot h er e a l t i m ec o n t r o l u n i tp o w e rf a c t o r c o n s t a n tv o l t a g ea n dc u r r e n to u t p u ta n d t w o d i r e c t i o nt r a n s f o r m a t i o no fe n e r g ya r er e a l i z e d f i n a l l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo f t h ed e s i g np r o j e c t k e yw o r d s l e a d a c i ds t o r a g eb a t t e r yc h a r g ea n dd i s c h a r g et h r e e p h a s ep w m c o n v e r t e r 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 蓄电池作为一种大容量储能装置 具有电压稳定 供电可靠 移动 方便等优点 广泛应用于国民经济各部以 如通讯 交通 电力等 随 着电动汽车的推广 蓄电池作为其中的一项关键技术 具有很大的发展 空间 密封铅酸蓄电池采用密封结构 不存在普通蓄电池的气涨 电解 液渗漏等现象 使用安全可靠 寿命长 正常运行时无需对电解液进行 检测和调酸加水 又称为 免维护 铅酸蓄电池 由于该种电池具有免 维护 容易组成成套装置 自放电电流小 结构紧凑 抗震性能好 电 池寿命长等特点1 1 2 1 使得它的应用相对更为广泛 其产量和使用量均占 所有二次电池的9 0 左右 相对于其他蓄电池具有不可替代的地位 蓄电池的充 放电技术与蓄电池相伴而生 并随其发展而不断更新 的 它与蓄电池的发展和应用有着密切的关系 由于铅酸蓄电池的固有 特性 充放电技术及装置的性能直接影响着蓄电池的运行状态和使用寿 命 对蓄电池充放电不当 会使其寿命会大大的缩短 反之 则可以使 其工作相当长的时间 目前 因充放电控制不合理而损坏的电池占相当 大的比例 许多电池在生产和使用过程中 还是采用一些简单的充放设 备进行充放电 不仅造成充电量不足 不能发挥电池的最大电力效应 而且缩短了使用寿命 同时传统的晶闸管相控蓄电池充放电装置对电网 还存在谐波污染等缺点 因而对传统的蓄电池充放电装置进行改进非常 必要 2 第1 章绪论 1 2 密封免维护铅酸蓄电池特性简介 密封免维护铅酸蓄电池是 种吸液式密封蓄电池 电解液全部被吸 收在隔膜和极板之中 因此 电池内无流动的电解液 无论电池平放或 立放 都不会有电解液溢出 电池均能安全有效的工作 密封免维护铅酸蓄电池采用多孔性隔板的特殊性设计 在隔板中还 存在没有被电解液填满的空隙 构成许多气体通道 在充电过程中 正 极产生的氧气通过隔板中的气体通道扩散到负极再化合成水 形成 氧 循环 即正极板失去的水由负极生成的水来补充 从而保证电池内始终 保持一定的电解液密度 在整个使用期间无需加水 补酸 不需要进行 维护 该型电池的设计尽管采用了一些措施 但要使电池内部不产生气体 是不可能的 这种密封的铅酸蓄电池有安全的阀控装置 当电池内部压 力超过正常值时 排气阀自动打开 反之则自动关闭 阀上装有滤酸装 置 以免酸雾排出 免维护电池可充电出厂和运输 其它类型的蓄电池均不允许 用户 在六个月内不必进行初充电 出厂后生产厂家能提供完整的充放电特性 曲线 以供设计人员选择蓄电池容量 校验电压水平之用 关于电池的自放电 据蓄电池的资料表明 在2 0 c 室温下存放 自放电每周为1 而固定型防酸式铅酸电池每天为1 因此 自放电 小也是它的一个特点 总的来说 密封免维护铅酸蓄电池既克服了固定型铅酸蓄电池的缺 点 同时又具备了许多优点 因此 自七十年代初密封免维护铅酸蓄电 池出现以来 短短3 0 年闯 其品种和产量得到极其迅速的发展 目前 在通信 u p s 铁路 汽车等领域得到广泛应用 第1 章绪论 1 3 密封免维护铅酸蓄电池的充电要求 国内外多年的实践证明 免维护蓄电池浮充电压偏差50 电池的浮 充寿命将减少一半 统计数据表明 国内通信设备和直流电源操作系统 中的免维护蓄电池很难达到规定的浮充寿命 1 2 1 6 年 许多电池在 使用几年后即报废 造成很大的经济损失 因此 充电质量的好坏 直 接影响到蓄电池的技术状态及使用寿命 6 0 年代中期 美国科学家马斯对开口蓄电池的充放电过程做了大量 的实验和研究 并提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接受的充电电 流曲线 如图1 1 所示 试验证明 如果充电电流按这条曲线变化 就可以大大缩短充电时问 并对电池的容量和寿命影响最小 原则上 我们把这条曲线作为最佳充电曲线 蓄电池的最佳充电曲线并没有一个 明确的定义 它是人们在对蓄电池的研究过程中总结出来的一个概念 具体的工艺要求主要包括以下几点 1 充电电流小于或等于蓄电池可接受的充电电流 充电过程中 如果充 电电流大于可接受的充电电流 过剩的电流将电解水消耗掉 在大量 析气的状态下 用于有效充电消耗的电能 还不到总消耗量的1 0 这样不仅延长了工作时间 严重的析气也会使正极板腐蚀 损坏蓄电 池 2 深放电后 充电参数的选择原则是防止蓄电池温度不超过一定的温 度 3 防止充电不足 长期充电不足使得蓄电池容量下降 造成蓄电池的早 期损坏 对存放中的电池 应定期进行活性充电 4 防止过充电 过充电时有大量气体析出 正极板活性物质将遭受气体 的冲击 这种冲击会使活性物质脱落 此外 正极板合金也遭受严重 第1 章绪论 的阳极氧化而腐蚀 所以电池过充电时会使寿命缩短 3 图1 1 蓄电池最佳充电曲线 1 4 常见的几种充电方法 f 1 恒流充电 充电时自始至终以恒定不变的电流进行充电 该 电流的大小可以通过改变可控硅的导通角来调整 这种方式实现起来比 较方便 易于处理 这种充电方式特别适合用于由许多电池串联起来的 蓄电池 当蓄电池组中有个别电池电压 电解液密度偏低 全组电池产 生差别时 能使蓄电池组中个别电池进行完全充电 恢复其容量 这时 最好用小电流长时间充电模式 恒流充电方式的不足是 恒流给定值与 蓄电池可接受的充电电流值相比较而言 在充电初始阶段电流偏小 在 充电中后期电流又偏大 整个充电时间一般在1 5 h 以上 析出的气体多 对蓄电池危害较大 能耗高 因此人们在恒流充电方式的基础上进行改 进 即采用恒流限压的充电方式 为避免过充电 在充电后期采用限压 措施 减小充电电流 避免损坏电池 2 恒压限流充电 采用恒压充电方式时 初期充电电流很大 随 着充电进行 电流逐渐减小 在充电终期只有很小的电流 这样在充电 过程中就不必调整电流 随着蓄电池端电压升高 充电电流自动下降 所以析出气体较少 充电时间较长 能耗较低 其缺点是 充电初期 第1 章绪论 若蓄电池之前的放电深度过大 充电电流会很大 不仅危及充电装置的 安全 也可能因过电流而损害蓄电池 如果充电电压选得过低 后期充 电电流又过小 充电时间长 此外蓄电池端电压的变化也很难补偿 充 电过程中相对落后的电池很难完成完全充电 为了克服恒压充电的缺点 在恒压充电的基础上进行了改进 在充电电流过高时 采用限流措施 保证电流不超过某一设定值而使电压降低 待电流减小 电压升高后再 稳压 这就是恒压限流盼方式 3 脉冲快速充电 放电 这种方法不采用直流电 而采用脉冲电 流充电 并用反向电流短时放电的方法消除极化 即在快速充电中 进 行短暂的停充 在停充中加入放电脉冲 这就是脉冲快速充电的基本方 法 脉冲快速充电 放电去极化方式有很多种类型f 2 4 l 一 定电流 定 周期脉冲快速充电法 此法充电放电脉冲的幅值 宽度和周期在整个充 电过程中均不变 控制较为简单 但在充电过程的后期 即充电量接近 饱和时 蓄电池的极化现象越来越严重 容易过量充电 二 定电流 定出气率脉冲快速充电法 在整个充电过程中 充电电流脉冲的幅值和 蓄电池的出气率始终保持不变 但充电电流的脉冲宽度由出气率来控制 由于密封式蓄电池组检测出气率比较困难 所以此方法不适用密封式蓄 电池 三 定电流 定电压脉冲快速充电法 蓄电池的出气率与它的端 电压有十分密切的关系 蓄电池经过一段时问的充电后 出气率开始增 加 端电压也开始上升 当端电压达到某一值时 蓄电池开始冒气 因 此可控制蓄电池的电压以间接控制蓄电池的出气率 但这不是严格的成 比例的 恒压充电由于充电初期电流太大 对蓄电池寿命有影响 对于密封 铅酸蓄电池 甚至可能造成极板弯曲 电池报废 所以很多密封铅酸蓄 电池的充电电路采用恒流充电方式 电路始终以恒定的充电电流对蓄电 6第1 章绪论 池充电 至蓄电池充满时关断电路 或者转变为浮充形式 相比而言 恒流充电对蓄电池的寿命是有好处的 而且恒流充电具 自较大的适应性 可以任意选择和调整充放电电流 在许可的条件下 町以采用较大的电流充放电 使充放电的速度大大加快 但是 如果始 终采用同一电流充电 在充电后期 由于电流保持原有数值 大部分的 电流用在水解上 电解液沸腾得很剧烈 不但消耗电能 而且对极板也 不利 容易造成极板上活性物质的脱落 因此 对于密封铅酸蓄电池 一般采用恒流充电和恒压限流充电相结合的模式对免维护蓄电池进行充 电 用分阶段充电方式是一种比较好的方法 因为随着充电过程的进行 充电电流逐渐下降 采用这种方法 可以使充电末期的电解液沸腾的现 象减弱 损失电能较少 而且能保护极板 并能防止过渡充电和水解造 成的电能损失 5 密封铅酸蓄电池人为放电 目前 密封铅酸蓄电池大多作为后备电源使用 在供电质量商 很 少发生市电停电的使用环境中 蓄电池长期处于浮充状态 只充电 不 放电 这种工作状态会造成蓄电池的阳极极板钝化 使蓄电池内阻急剧 增大 容量大幅下降 使蓄电池的实际容量远远低于其标准容量 并缩 短其使用寿命 可以通过定期的人为放电使极板的有效物质得到活化 容量得到恢复 使用寿命得到延长 人为放电的周期以及每次放电时间 可根据蓄电池的容量和负载大小等确定 1 6 常见的充放电装置及存在的问题 目前常用的通讯网和电力网以及机车上应用的充电装置的机理主要 第1 章绪论 7 有以下几种 相控电源 线性电源和开关电源 1 4 1 相控电源是较传统的电源 市电经过整流滤波后输出直流 通过改 变晶闸管的导通角 来控制整流器的输出电压 具有技术成熟 价格低 廉的优点 但存在以下缺点 1 网侧功率因数低 造成网侧电流畸变 从而污染电网 产生畸变功 耗 降低装置和线路效率 2 调节周期长 动态速度慢 3 易使蓄电池电解液发热而蒸发 虽然随着技术的发展 出现了1 2 相全波整流电路 能减少谐波含量 相 对提高功率因数 但存在电路结构复杂的缺点 线性电源通过串联调整管从而可以实现连续控制 此种充电装置采 用大功率晶体管作为恒流器件 通过调整功率晶体管c e 极压降来稳定 输出电流 输出的电流波形较好 但功率晶体管总是工作在放大区 损 耗功率较大 所以采用大功率调整管并装配体积很大的散热器 开关电源是使功率调整管工作于开关状态 因而功率损耗小 效率 高 由于开关频率高 变压器的体积大大减小 滤波电感 电容数值相 对较小 其综合性能优于线性电源 高频开关电源因其高效率 小型化 的特点 收到广泛关注 在通信 电力等领域中 已得到普遍使用 上述的几种电源 相控电源和线性电源均会存在谐波阿题 而开关 电源如采用整流电路船电容滤波将交流电转交为直流电 也会存在谐波 问题 事实上电力电子装置所产生的谐波污染和低功率因数等问题 是 阻碍电力电子技术发展和应用的巨大障碍 有资料 3 2 l 表明整流装置产生 的谐波量占电力电子装置所产生总谐波量的四分之三 目前常用的整流 装置几乎都采用二极管整流或晶闸管相控整流 相控整流电路所产生谐 波污染和功率因数滞后 造成总的功率因数很低和电网中严重的谐波污 第1 章绪论 染 消除谐波污染并提供功率因数 已成为电力电子技术中的一个重大 课题 解决电力电子装置的谐波污染和低功率因数问题的基本方式有两 种 一种是被动式 即装设谐波补偿装置来补偿谐波 如有源滤波 a p f 静止无功补偿 s v c 等 另一种方法是主动式 即设计输入电流为正弦 谐波含量低 功率因数商的变流器 谐波补偿装置对于各种谐波源都是 适用的 但是对于作为主要谐波源的电力电子装置来说 除了采用补偿 装置进行谐波补偿以外 还可以开发新型变流器 使其不产生谐波 且 功率因数为1 这种变流器称为单位功率因数交流器 u n i t yp o w e r f a c t o rc o n v e r t e r 主要的高功率因数变流器技术有 多重化技术 功 率因数校正器 矩阵变换器 p w m 变流器等 当前蓄电池放电装置大多采用相控式有源逆变蓄电池放电装置或电 阻放电装置 普通的相控式有源逆变放电装置具有体积和噪声大 交流 输出功率因数小 对电网的谐波污染严重 交流失电后保护困难以及放 电电流交流纹波系数大等缺点 因此很少采用 电阻放电装置虽然结构 简单 成本低 但放电电流控制困难 无法精确计算蓄电池的容量 很 难满足蓄电池恒流放电的要求 并且操作麻烦 体积大 造成工作环境 恶劣和能量浪费 在中小功率场合下 可采用p w m 整流器来替代传统的二极管和晶闸 管整流器作为蓄电池充放电装置的主电路 p w m 整流器是通过高频开关 对输入电流进行控制 使输入电流为正弦波 并且和电压保持同相位 达到单位功率因数运行的目的 p w m 变流器采用自关断器件 在几乎不 增加任何硬件的基础上 即可以实现能量的双向流动 且电路性能稳定 其控制策略的实用性研究是当前电力电子领域的一个热点 由于p w m 变 流器具有能量可双向流动的特点 并可以实现单位功率因数 本课题采 第1 章绪论 用p w m 变流器作为蓄电池的充放电装置 1 7 本文所做的工作及论文结构 9 本课题的任务是针对铅酸蓄电池设计充放电装置 结合电力电子技术 的研究热点一一p w m 变流技术 实现蓄电池整流充电和逆变放电装置的 一体化 并解决传统充放电装置存在的网似功率因数低 谐波污染严重 装置体积庞大 能量浪费等缺点 本文研究的主要内容包括以下几个方 面 1 分析密封铅酸蓄电池对充放电装置的技术要求 设计装置总体方案 2 分析比较传统充放电装置主电路 选择三相p w m 交流器作为充放电装 置主电路的拓扑结构 3 在三相电压型p w m 变流器一般数学模型的基础上 分析双向充放电装 置的控制目标 研究设计充放电装置的双环控制 4 设计三相p w h 变流器的硬件电路及控制软件 5 实验调试 根据软硬件设计方案搭建实验装置 调试实验并分析结果 全文共分六章 各部分主要内容如下 第l 章绪论 在分析现有充放电装置的不足的基础上 介绍研究内 容的现实需求 第2 章总体方案介绍 包括充电方法和主电路拓扑结构的确定 第3 章主电路分析及其控制 包括一般数学模型的引入 控制策略 的分析 确定 第4 章硬件实现 包括硬件总体方案 主功率和二次电源部分参数 计算和器件选用 控制以及信号采样部分的电路介绍 第5 章软件实现 包括软件结构和主要程序的流程图 第6 章 试验结果及简要分析 1 0 第2 章克放电装置总体办案介绍 第2 章充放电装置总体方案介绍 2 1 充放电装置的性能指标 本文密封铅酸蓄电池充放电装置需满足的性能指标 交流电网输入波形为正弦波 输入电压为三相5 0 h z 3 8 0 v a c 电网频率波动范围不超过额定值的 2 整流输出电压 9 0 2 3 0 v 直流电流 3 0 a 7 0 a 连续可调 输出电压精度 t o 5 输出电流精度 o 5 功率因数 o 9 9 效率 9 0 纹波系数 o 5 2 2 充放电方法的确定 2 2 1 充电过程 根据图l i 所示的最佳充电曲线上 鉴于免维护铅酸蓄电池的充放 电特性 结合微机控制技术 采用恒流和恒压限流两种充电方式相结合 运用蓄电池端电压和 西技术结合的方式 动态跟踪电池可接受的充 电电流 将充电分为恒流 恒压和浮充三个阶段进行 充电系统由充电 装置和蓄电池组成 充电装置根据电池的状态确定充电参数 充电电流 第2 章危放电装置总体方案介绍 自始至终处于电池的可接受充电电流曲线附近 使电池几乎在无气体析 出的条件下充电 做劭既节约电能又不损伤蓄电池 1 8 2 8 2 9 1 整个充电过 程如图2 1 所示 1 恒流充电阶段 当系统检测到蓄电池亏电时 首先采用恒流充电方式充电 为了避 免产生剧烈的化学反应而影响蓄电池的寿命 恒流充电时采用的充电电 流一般用0 1 倍率制 l o 1 c 充电电流厶 充电电压阮 蓄电池电动势e 和充电回路总电阻r 之间具有以下关系 l d d d i r u v 屹 吆 l l f o 图2 蓄电池分阶段充电曲线 由于回路电阻r 一般保持不变 电池电动势e 变化缓慢 因而 在 某一时刻 改变充电电压阮 以维持充电电流厶不变 恒流充电刚开始 蓄电池电动势e 较小 充电电压不需要很高充 电电流就达到稳定值 随着充电的进行 蓄电池电动势不断升高 电池 的端电压不断升高 一般当单体电池的端电压升高至2 3 3 v 单体时 就 不能再升了 通过和设定的电压最大值比较 当超过设定的最大值时 第2 章 充放电装置总体方案介绍 充电过程进入下一个阶段 2 恒压充电阶段 试验表明 以恒流方式充电至限压时 只能充进8 0 的容量 此后 要利用恒压充电方式来进行补充充电 此外对于一组正在充电的蓄电池 虽然蓄电池组的所有电池都处于相同的条件下运行 但由于某种原因 有可能造成全组电池不均衡 在这种情况下 恒压充电来消除电池之间 的差别 以达到全组电池的均衡 此时的恒压值取 聍 2 3 3 n 式中r l 为蓄电池的节数 随着恒压充电的进行 电池电流也随着逐渐减 小 当充电电流降低至扫后 再延时3 小时装置自动转入浮充阶段 i f 0 0 1 c 3 浮充阶段 低电压小电流充电阶段 以补充电池的自然放电 浮充时 须将充 电电压稳定在蓄电池的额定电压附近 比恒流充电最高限压乃要低 因 而充电电流与恒流充电时电流相比要小 浮充电压阼大小如下 陈 2 2 5 n 在整个充电过程中 检测蓄电池的端电压和d v i d t 在充电后期端电压 比较高 但d v d t 很小 越是充电完全d v d t 的值越小 同时保证端电压 不超过设定值 通过两者判断充电终止是比较科学的 蓄电池的型号不 问 充电要求也不完全相同 在设定恒流充电 恒压充电和浮充等参数 时 要经过反复实验才能达到最佳充电效果 使蓄电池的使用寿命延长 2 2 2 放电过程 放电时采用恒流方式工作 放电电流采用0 1 倍率制 不能过放 一般满容量蓄电池放电8 小时为合格 当充放电装置工作在放电方式时 第2 章充放电装置总体方案介绍 l 检测蓄电池的端电压 当端电压小于设定值时 自动停止放电 并给予 报警 2 3 传统充电装置的解决方案分析 目前 蓄电池充电装置广泛采用晶闸管可控整流 其整流拓扑有 单相半波 单相全波 单相桥式 三相半波 三相桥式 六相全波和十 二相全波整流 这种方案存在以下的缺点 c 3 鲥v 舭 图2 2 相控方案图 功率因数低 注入到电网的谐波多 造成谐波污染严重 放电时能量反馈控制不方便 且体积庞大 动态响应慢 研究电力电子装置特别是传统的整流电路带来的谐波是非常有必要 和迫在眉睫的 消除谐波污染并提高功率因数 已成为电力电子技 术中的一个重大课题 现代电力电子技术的飞速发展 为消除谐波 污染 提高功率因数提供了广阔的前景 p 胃m 变流器 可以实现网侧 电流正弦化及单位功率因数 成为当前电力电子领域的一个研究热 点 4 第2 章危威i 毡装置总体方案介绍 2 4 主电路拓扑的选择和分析 2 4 1p w m 变流器等效模型 从电力电子技术的发展来看 整流器是较早应用的一种a c d c 变换 装置 它的发展经历了不可控整流器 二极管整流 相控整流器 晶闸 管整流 到p wj d 整流器 门极关断功率开关管 的发展历程 传统的相 控整流器目前广泛运用 但存在以下问题 1 晶闸管换相引起的网侧电压波形畸变 2 网侧谐波电流对电网产生的谐波 污染 3 触发角增大时网侧功率因数降低 4 闭环控制时动态响应相对较慢 p w m 整流器相对于传统的相控和二极管整流进行了全面的改进 采用 全控功率管代替了半控功率管或二极管 以p w m 斩波整流取代了相控整 流和不可控整流 具有以下良好的性能 1 网侧电流为正弦波 2 网侧功率因数控制 可实现单位功率因数 当p w m 整流器运行于整 流状态时 网侧电压 电流同相 当p w m 整流器运行于有源逆变状态时 其网侧电压 电流反相 3 电能双向传输 当p w m 整流器从电网吸取电能时 其运行于整流工 作状态 而当p w m 整流器向电网传输电能时 其运行于有源逆交工作状 态 4 较快的动态控制响应 p w m 整流器是一个交直流侧可控的四象限运行的变流装置 图2 3 为 第2 章充放电装置总体方案介绍 p w m 整流器模型电路 由交流回路 功率开关管桥路以及直流 r i 二 5 l e 曲 i h i 图2 3p w m 整流器模型电路 回路组成 交流回路包括交流电动势e 及交流侧电感l 等 直流回路包 括负载电阻见及负载电动势吼等 开关功率管桥路可由电压型或电流型 桥路组成 当不计功率开关管桥路损耗时 由交直流侧的平衡关系可知 i v 肠 通过对交流侧的控制 就可以获得直流测的控制效果 反之 亦然 对e 盈 a 整流状态 b 逆变状态 图2 4p w m 变流器交流侧稳态矢量关系 e 一交流电网电动势矢量y 一交流傩电压矢量 圪一交流侧电感电压矢量j 一交流侧电流矢量 由此可见 p w m 变流器作为一种绿色电力电子技术可实现单位功率 因数的整流或逆变运彳亍 基于此特性 本文所讨论的充放电装置将采用 全控器件控制三根p w m 变流器作为主电路 实现同一主电路充 放电的 一体化 并将蓄电池的电能回馈电阿 节约能量 同时实现单位功率因 数 消除对电网的污染 p w m 变换器可有很多种分类方法 但最主要 最基本的分类是按直 流储能形式来分 可分为电流型和电压型 电压型p w m 变换器 v o l t a g e 6 第2 章充放电装置总体力案介绍 s o u r c er e c t i f e r v s r 最显著的特征就是直流测采用电容进行直流储 能 从而使v s r 直流测呈现低阻抗的电压源特性 电流型p w m 变换器 c u r r e n ts o u r c er e c t i f e r c s r 最显著的特征就是直流测采用电感 进行储能 从而使c s r 直流测呈现高阻抗的电流源特性 2 4 2 三相电压型p w m 变流器简介 在介绍三相电压型p w m 变流器之前 先来介绍单相全桥p w m 变流器 其主电路结构如图2 5 所示 通过开关t t 进行p w m 控制 就可以在 桥的交流输入端产生正弦调制p w m 波 该p w m 波中不含低次谐波成分只 含有和被调正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量以及与三 图2 5 单相全桥p w m 整流器主电路结构 角波有关的高次谐波 由于电感厶的滤波作用 高次谐波只会使交流电 流知产生很小的脉动 在理想情况下 当被调正弦信号波的频率和电源 频率相同时 f 是与电源同频率的正弦波 对正弦调制p w m 波的基波分 量的幅值和相位进行控制 就可以达到使交流侧电流波形正弦化实现单 位功率因数的目的 三相p w m 电压型变流器主电路结构如图2 6 所示 通过对电路进行 正弦波p w m 控制 使得整流桥的交流输入端的电压为s p w m 波形 对各相 电压进行控制 就可以使得各相电流厶 i b 矗为正弦波且和电压相位 相同 从而实现单位功率因数 当电路工作在整流状态下 能量从电网 第2 章充放电装置总体方案介绍 1 7 侧流向直流侧的负载 当电路工作在逆变状态时 可以将直流僦的能量 回馈到交流电网侧 图2 6 三相电压型p w m 整流器主电路结构 2 4 3 三相电流型p w m 变流器简介 电流型p w m 变流电路如图2 7 所示 利用正弦波调制的方法控制直 流电流在各开关器件的分配 使交流电流波形近似与电源电压同相位的 正弦波 实现功率因数近似为l 电流型p w m 交流器交流侧采用l c 滤波 器 以滤除网侧谐波电流 并抑制交流侧谐波电压 直流侧有大的平波 电抗 直流侧电流纹波很小 类似电流源 厶 凰2 7 三相电流型p w m 整流电路 第2 章充放电装置总体方案介绍 2 4 4 电压型变流器和电流型变流器的比较 从交流侧的电流电压特性来说 电流型和电压型p w m 变流器几乎是 一样的 但直流侧具有较大的不同 电流型p w m 变流器在整流逆变两种 状态时直流侧电流方向不改变 改变的是电压极性 电压型p w m 变流器 在整流逆变两种状态时直流侧的电压极性不改变 改变的是电流方向 并且在单位功率因数运行时满足直流电压始终大于等于交流网侧的峰 值 从主电路结构来看 电压型主电路中每个主管都需要一个反并联的 续流二极管 它不仅为感性负载提供续流通路 而且在逆变运行时 作 为电流反向流通的途径 而在电流型主电路中 一般需要在内含反并联 二极管的功率开关管支路上顺向串联二极管 以阻断反向电流 并提高 功率开关管的耐压能力 对p w m 控制的脉冲频率来讲 电压型主电路中的主管换流时 为防 止桥臂贯穿 在桥臂上下两个主管换流时应保持先断后通 因而需要设 置一个死区时间 而在电流型主电路中为防止具有大电感电路的断开 处在两桥臂的主管换流时要确保先通后断 即不应设置死区时间 否则 大电感电路突然开断时将会产生击穿主管的过电压 从对过压过流的承受能力上讲 电流型p w m 变换器直流侧电抗的存 在使得面对过流故障时 控制电路具有相对足够的时间进行保护动作 但却怕开路突然产生的过电压 电压型p w m 变换器中因有大电容而不用 扫心过电压 但却担心桥臂贯穿造成的短路大电流 就研究现状而言 由于电压型p w m 变流器的实现相对较容易 配置 简单的输入滤波器即可实现较低的电磁干扰等特点 目前的研究及实际 开发较多集中在电压型p w l d 变流器方面 第2 章充放电装置总体方案介绍 1 9 无论电压型还是电流型p w m 变流器 其主电路都能满足电能双向流 动的要求 即它既可以工作于可控整流状态 又可以工作于可控的逆变 状态 并且在减少对电网污染程度方面具有同样的效果 但电流型p w m 变换器若要工作于逆变状态时 直流僦电流保持不变 需要将直流侧的 电势反向且大于电源电压 从而将直流俱j 的能量反馈到交流俱j 电源中去 实现逆变运行 这样对于蓄电池充放电装置而言 在放电时需要将蓄电 池反接 可以通过切换开关来实现反接功能 结合本套蓄电池充放电装置的输出电压变化范囝不大 电流变化范 围较大的实际特点 再综合以上各方面的原因 本系统主电路拓扑采用 电压型变流器 2 5 充放电装置总体方案 如图2 8 所示整个装置的主电路采用三相电压型p w m 交流器 结合 滤波电路 通过s p w m 控制算法实现蓄电池的智能充放电 并达到单位功 率因数和能量的双向流动 考虑到整个装置的复杂性和快速性 图中三 相电压型p w m 变流器的主功率器件采用智能功率模块 i p m 模块 完成 控制算法的核心器件选用数字信号处理器 d s p 芯片 图2 8 充放电装置总体方案 第3 章充放电装置主电路分析与控制 第3 章充放电装置主电路分析与控制 3 1 三相v s r 的原理 三相半桥v s r 拓扑结构 其交流侧采用三相对称的无中线连接方式 并采用6 个功率开关管 这是一种最常用的三相p w m 整流器 通常所谓 的三相桥式电路即指三相半桥电路 三相半桥v s r 较适用于三相电网平 衡系统 三相半桥v s r 拓扑结构 相当于三个独立的单相半桥v s r 组合 对于单相v s r 的单极性p w m 只需对两相桥臂施加幅值 频率相等 而 午甘位相差1 8 0 的正弦波调制信号即可 对于具有三相桥臂的三相v s r 拓 扑结构 则需对三相桥臂施加幅值 频率相等 而相位互差1 2 0 的三相 对称正弦波调制信号 图3 1 为三相v s r 的波形图0 4 1 在电网电压的一个周期内 0 3 6 0 根据a b c 三相电流的瞬时方 向 可分为6 个阶段 o 6 0 6 0 1 2 0 1 2 0o 1 8 0 1 8 0o 2 4 0 9 4 0 3 0 0 3 0 0 3 6 0 三相桥臂开关组合对应的电流回路也可依据 这六个阶段来划分 图3 2 为三相v s r 工作于整流 逆变状态时在这6 个阶段中的开关组合对应的电流回路 其中 a 图为o 6 0 整流时开关组合对应的电流回路 此时厶 0 如 0 定义电流从电网流入变换器为正 a 图中的i 2 3 4 代表了四种开关组合状态 l 为a 相c 相电流从电网分别经过v d i 和v d 5 流入变换器 再经v t 3 流回b 相 电流没有流经负载 电感储能 2 为a 相c 相电流仍从电网分别经过v d i 和v d 5 流入变换器 但经负载后通过 v d 6 流入b 相 此时电网能量通过这一回路整流向负载传递 同时电感 第3 章充放电装置主电路分析与控斜 2 l 储存的能量也通过这一回路释放出来 开关组合为3 时 a 相电流经v t 4 流入变换器再经v d 6 流回b 相 此时a 相电感储能 c 相电流经v d 5 流 入变换器并经负载后通过v 1 6 流回b 相 将交流电能整流送给负载 4 时为a 相c 相电流从电嚼分别经过v t 4 和v t 2 流入变换器 再经v d 6 流 回b 相 电流没有流经负载 电感储能 b 图为o 6 0 逆变时开关组合对应的电流回路 此时i o 0 厶 o 定义电流从电网流入交换器为正 同样 b 图中的l 2 3 4 代表四种开关状态 1 中电感储存的能量通过w 1 v 1 3 和v t 5 回馈送入 电网 2 中直流侧能量通过v t l 和v t 6 向电网传送 c 相电感的能量通过 v t 5 和v t 6 向直流侧充电 3 中直流侧能量v t 5 和v t 6 向电网传送 a 相 电感的能量通过v 1 4 和v t 6 向电网回馈 4 中电感中的能量通过v d 4 v t 6 v d 2 向电网中传送 c 到 1 为其余几个阶段的整流逆变开关组合构成的回路 分析类 似于 a b 第3 章充放电装置主电路分析与控制 邀 v t 2 通 6 o 1 o 1 8 o 趔旷 3 0 0 3 6 o iliil 二 矗 土 a a 一 a a 嗣勰砥j辩 m 式 能 v 蝌 乙 警 1 咚 r 一一 9 l 1 7 9 f l 圳 l l 主 l l ri 一 1 主 j i 喇l i l h j l f玎一 j 莲 i l1 ln翔 1 1 l i 垃 j 卜 儿 j 咀 jiju 1 广1 i 图3 1 三相v s r 波形图 第3 章充放电装置主电路分析与控制 a 0 6 0 0 整流时开关组合对应电流回路 盹 p 母啦i b o 8 0 0 逆变时开关组合对应电流回路 交 第3 章充放电装置主电路分析与控制 一曲 j j t 泛 冀 一 4 v d 4 4 口1 4 v t 3 a t 5 一七二 二 j i l l l e e 弋t 式 i 4 v d 6 v d 2 七 己己 4 c 8 0 0 一1 2 0 0 整流时开关组合对应电流回路 卣1 s r 又 l 匿型广 珏 0 鼍 2 4 0 一3 0 0 0 整流时开关组合对应电流回路 j 2 4 0 0 3 0 0 0 逆变时开关组合对应电流厨路 襄 5 憎 v m 泛 v o m v d 2 州v t 3 v d 5匕一一一 匕 j 二 一f 1 d e 时 三相v s r 既可以运行于整流状态 又可以运行于有源逆变状态 有 源逆变时 三相v s r 将已的电能向电网侧输送 又称之为再生发电状态 当 v a c 时 三相v s r 则运行于整流状态 定义单极性二值逻辑开关函数 舻 兰翌翌翟鐾篓 胁 6 3 t i o 上桥臂关断 下桥臂导通 功率升天首预花等效电阻r s 同爻流滤 圾电感等效电阻崩合并 r 2 忍 凡 根据基尔霍夫电压定律建立的三相v s ra 相回路方程为 鲁 r 厶 州m v o 3 2 当v o 导通 v 关断时 s 1 v a n v a c 当v o 关断 v 导通时 o 仇珊 0 故有v a n v d cs a 式 3 2 可改写为 三鲁 r 如 州懒 v 0 3 3 同理可得b c 两相方程 上等诫 州呦慨 3 4 三害 戤 已一m 酣v 3 s 考虑三相对称系统 有 e a e b e c 0i o i t 厶 0f 3 6 第3 章充放电装置主电路分析与控制 3 7 任何瞬间三个开关的开关状态 共有2 3 个组合 直流侧电流如可表示为 厶 厶5 i 恧 f s 囊i 恧 勰j i 面 五 厶 i s 二s 厦 厶 f c s 愿 厶 厶 i s k s 墨 厶 厶 厶 s 5 k 如 级 勰 级 3 8 除此之外 对直流侧电容正极点处运用基尔霍夫电流定律 可得 c 警 勰 勰 勰一1 w c f e l 3 9 联立式 3 3 3 9 并引入状态变量x x 厶 i b 厶 则采 用单极性二值逻辑开关函数描述的三相v s g 一般数学模型的状态变量的 表达式为 z x a x b e 3 一l o 彳 z r0 0 s o 一 j k a b c o ro oo一置 s a g b o o 工 o o o o oo o o 工o oc e e a e e c e 迟 书一i l o i 叫j 七一丢 s k j 七l a b c 1 l h b lo oo 0 1oo 0 ol0 ooo 上 l h 得可h 邑 加 竺3 争 式 w 立 联 第3 章充放电装置主电路分析与控制 3 3 充放电装置的控制目标 充放电装置需要对蓄电池进行分阶段性的充电和放电 除满足充放 电时蓄电池所能接受的电流 电压参数外 还要在充电时实现网侧的单 位功率因数 放电时实现回馈至电网的电能满足并网的要求 即放电电 流和电网电压同频同相 为了实现单位功率因数 消除网侧的谐波 需 要电流内环的控制 为了实现蓄电池的充放电电流电压参数 需要外环 的控制 综上所述 为了实现充放电装置按预定电流电压分阶段充放电 和网侧单位功率因数及电能回馈并网要求 设计采用双闭环控制 i o o 图3 4 系统采样及控制总图 3 4 双向变流器控制策略 将先进的控制策略引入电力电子系统 对于提高电力电子系统的动 态品质 稳定性 鲁捧性等具有重要的意义 为了使电压型p w m 变流 器网侧呈现受控电流源特性 其网侧电流控制策略的研究非常重要 在 p w m 变流器技术的发展过程中 电压型p w m 双向变流器网侧电流控制 策略主要分成两类 一类是由j w d i x o n 和b t o o i 首先提出的 间接电 流控制 策略 另一类就是目前占主导地位的 直接电流控制 策略 第3 章充放电装置主电路分析与控制 间接电流控制 实际上就是所谓的 幅相 电流控制 即通过控制电 压型p w m 双向变流器的交流侧电压基波幅值 相位 进而问接控制其 网侧电流 由于 间接电流控制 其两侧电流的动态响应馒 且对系统 参数变化反应灵敏 因此这种控制策略已逐步被 直接电流控制 策略 所取代 直接电流控制 以其快速的电流响应和鲁棒性受到学术界的关注 并先后研究出各种不同的控锚方案 主要包括以固定开关频率且采用电 网电动势前馈的s p w m 控劬 以及以快速电流跟踪为特性的滞环电流控铹 等 为了提高电压科用率并降低损耗 基于空闻矢量的p w k l 控制在电压 型双向变流器电流控制中也得到广泛应用 并先后提出了多种控制方案 目前 电压型p w m 双向变流器网侧电流控制有将固定开关频率 滞环及 空间矢量控制相结合的趋势 以使其在大功率有源滤波等快速电流响应 等场合获得优越的性能 结合实际需求 本文所论及的充放电装置采用固定开关频率与电网 电动势前馈结合的s p w m 控制 3 5 系统整体控制结构及原理 系统整体控箭结构图如图3 5 所示 除电流内环和电瞬电动势前馈 外 外环是由电压调整和电流调整构成的 哦为给定的蓄电池端电压 阮为实际蓄电池反馈端电压 为给定充电电流 i s 为实际蓄电池的充 电电流 v a 为电压调整器 i a 为电流调整器 作为变换器网侧的电流 幅值 其值的正负决定是充电还是放电 即变换器是工作于整流还是逆 变状态 网侧电流与电压是回相还是反相 乘以三相正弦表后郎为三 相交流的给定量 b c 广j b c 和实际三相交流电流厶 b c 比较后经过电 流内环的调节后 控制p w k l 调制信号 恒流充电初始阶段 蓄电池的端 第3 章充放 乜装置主电路分析与拧制 电压较低 给 图3 5 系统整体控制结构图 定电压可以设为限压值 随着充电的进行 端电压也随着升高 当达到 限压值时 进入恒压限流充电阶段 随着充电的进行充电电流不断减小 当充电电流小到设定值时 进入浮充阶段 v a i a 作为充电电压电流调 节器 在不同的充电阶段所起的作用和控制地位是不同的 3 6 固定开关频率p w m 电流控制 固定开关频率p w m 电流控制 1 7 一般是指p w m 载波 如三角波 频 率固定不变 而以电流偏差调节信号作为调制波的p w m 控制方法 其电 流环控制结构如图 三相v s r 网侧电压回路方程为 工d 西i k r i e c 船一量萎 式中 k a b c 一一单极性二值逻辑开关函数 根据对开关函数的傅里叶变换 有 舻舢善 1 去如 砌 c o s 删 式中矾一 p w m 占空比 i 一一p w m 开关角频率 p w m 开关频率远高于电网频率 则有 第3 章充放电装置主电路分析与控制 肌 西 将 3 1 3 代入 3 一1 1 可得 工譬 r i k 靠一v 出 瘟 a k 3国 i 石 3 一1 3 3 1 4 若把固定开关频率p w m 电流控制环节看作时问常数为t t i 为p w g 的开 关周期 的一阶惯性环节 并使三相v s r 网侧电流矗跟踪网侧电流指令 k k a b c 则有 k 矗 兀塑 西 粤 昙 牡矗