基于PWM技术蓄电池充放电与检测系统设计

摘要：为解决传统蓄电池充放电装置功率因数低、高谐波污染等不足，针对电力机车用15 kVA蓄电池，设计了基于PWM整流逆变技术的蓄电池充放电装置与检测监控系统。装置用作充电电源时，采用电流双闭环控制系统，实现分阶段恒流模式或恒压模式充电；用作蓄电池放电试验的负载时，将能量回馈电网，通过SPWM调制可实现放电功率的灵活调控。试验及检测结果表明该装置具有能量双向流动、网侧电流正弦化、功率因数高、功率灵活调控的特点。
关键词：脉冲宽度调制；蓄电池充放电装置；蓄电池检测系统；三相PWM整流器

0 引言
    电力机车用蓄电池承担着机车升弓前为辅助系统供电的任务，蓄电池的质量显得至关重要。目前电力机车用蓄电池充放电装置大多使用传统的相控整流充电技术，虽然技术成熟、价格低廉，但调节周期长、动态响应慢、功率因数低，谐波污染也比较大，易造成对电网的污染。为保证质量，电力机车用蓄电池在出厂前需要进行老化试验。目前的出厂测试老化试验大多使用水泥电阻等能耗型负载充当被试电源产品的负载。能耗型负载虽然成本低廉，但能量被白白消耗掉，会造成电能的大量浪费。
    本文研究了一种基于PWM逆变整流的新型蓄电池充放电装置，能耗低，功率因数大，能实现恒流或恒压充放电以及实现负载大小灵活调节，并能将试验过程中的能量反馈回电网，实现了能源的再利用。

1 蓄电池恒流／恒压充放电装置原理
    本文蓄电池充放电装置采用以电压型脉冲整流器为核心的方案。PWM控制方式能方便地实现能量的双向流动，根据电网的不同，可以采用单相或三相PWM脉冲整流器。系统原理如图1所示。

    蓄电池充放电装置主要由DC／DC变换器、三相脉冲整流器(PWM整流器)、隔离变压器、控制系统等辅助电路共同组成。由于采用电压型脉冲整流器，直流输入侧接电压型直流电源。
    由图1可知，老化实验过程中蓄电池直流电源的输出能量，除少部分维持系统自身工作产生所需要的能量之外，绝大多数都被反馈回了电网，因此能够大幅度降低试验过程中的能量消耗，达到节约电能的目的。
    在对机车蓄电池充电时，为了快速充电同时延长电池的使用寿命，将充电与放电过程分成不同的阶段，可以视具体情况分阶段选择恒流或者恒压模式充放电。恒压充放电模式采用电压定向控制模式，控制框图如图2所示。控制策略采用双闭环结构，外环控制直流电压，内环控制电流。电流内环作用是提高系统的动态性能和实现限流保护，电压外环的作用是保证直流侧电压的稳定性。直流输出电压给定信号和实际直流电压Vdc比较后的误差信号送入P1调节器，PI调节器的输出即为主电路交流输入参考电流的幅值，比较得到电流误差后，对电流误差进行PI调节，用以减缓电流在动态过程中的突变。然后再与输入电压的空间矢量进行比较控制，最后通过SPWM调制算法即可生成相应6路驱动脉冲控制三相整流桥IGBT的通断，间接地控制网侧电流，实现网侧功率因素的调节。

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2 功率调控环节的设计与分析
2．1 升降压斩波电路的设计
    DC／DC变换器是整个系统中的能量调控环节，电路如图3所示。T1～T4为IGBT，C为中间支撑电容。

    为了提高充放电装置的开关频率，DC／DC部分采用频率双重化设计，如果单重IGBT的开关频率为20 kHz，则等效开关频率可以提高到40 kHz。双重化设计可以减小装置体积，降低电压与电流纹波。
    为了使能量能够双向流动，功率调控环节采用Boost／Buck双向变换器拓扑结构。充电时，相当于Buck降压斩波变换器，T1，T3导通，能量从Ud传到Uo；T2，T4充电过程中始终截止，但其内部反并联的二极管VD2与VD4导通。其输出电压与充电电流为：
   
    式中：ton为T1，T3处于通态的时间；toff为T1，T3处于断态的时间；T为开关周期；a1为占空比；R为蓄电池内阻。由式(1)可知，调节T1，T3的占空比a1，可以实现充电功率的调节。
    放电时，相当于Boost升压斩波变换器，T1，T3截止，T2，T4工作，与VD1，VD3构成升压斩波电路，能量从Uo传到Ud，二者的关系为：
   
    由式(3)、式(4)可知，调节T2，T4的占空比a2，可以对放电功率进行调节。
    图3所示的DC／DC变换器不但能对直流输入电压进行变换处理，而且还可以对直流输入电流进行调节和控制，在DC／DC阶段实现能量调控。[!--empirenews.page--]
2．2 功率调控电路与充放电切换分析
    充电与放电功率调控原理如图4所示。

    充电时，S1闭合，逻辑控制电路输出的UL1为高电平，UL2为低电平，与门D1输出驱动脉冲，D2无驱动脉冲。由图5可知，改变PWM整流器载波信号uc的大小，PWM电路的占空比将会随之变化，从而达到改变功率的目的。当uc增加，占空比a1增加，Uo增加，由式(1)可知，充电电流Io增加，充电功率增加。
    放电时，S2闭合，逻辑控制电路输出UL1为低电平，UL2为高电平，与门D2输出驱动脉冲，当uc增加，占空比a2增加，Uo增加，由式(4)可知，放电电流Io增加，放电功率增大，从而实现由占空比控制放电功率的目的。
    在充电切换到放电过程中，当S1断开，S2闭合时，为防止T1，T4均导通，使电源E经T2，T4而直通短路，在D1与D2的输出脉冲之间必须设置一定的死区时间，封锁D1且延时一定时间后，再开放D2的输出脉冲。

3 PWM整流器的设计与分析
3．1 PWM整流与逆变的数学模型
    蓄电池充放电装置DC／AC部分采用三相PWM整流器，如图2所示。三相PWM整流器的作用是将DC／DC变换器输出的稳定直流电压逆变为三相交流电压，通过调节PWM整流器三相输出电压的大小以及控制与电网电压之间的相位差，PWM整流器不但可以将DC／DC变换器送过来的能量馈入三相交流电网，而且还可以有效调控蓄电池充放电装置交流侧的功率因数。
    本文采用SPWM调制方式。图2中，三相调制信号uru、urv和urw为相位依次相差120°的正弦波。a，b，c相自关断开关器件的控制方法相同，现以a相为例：在uru>uc的各区间，给上桥臂电力晶体管V1以导通驱动信号，而给下桥臂V4以关断信号。在uru<uc的各区间，给V1以关断信号，V4以导通信号。图5是三相桥式PWM逆变电路输出三相对于负载中性点N的相电压波形。

    设开关器件为理想开关，没有过渡过程，其通断状态由开关函数描述。开关函数表达式定义为：
   
    电路的本质在于优化开关函数Sa，Sb，Sc，使三相桥交流输入端的交流输入端电压ua，ub，uc等效为三相交流电压源，实现整流与逆变的运行。[!--empirenews.page--]
3．2 PWM整流与逆变的等效电路与向量分析
    图6是a相在整流运行、逆变运行时的相量图。在SPWM调制方式下，电网电压ua与ua产生的基波分量uao为正弦波，流过电感La的电流也为正弦波。图6所示，从a相电路的相量图可以很容易地看出，三相电压源型PWM双向变流器可以实现单位功率因数运行。

    如图6(a)为单位功率因数整流运行，图6(b)为单位功率因数逆变运行。由于相电流ia可以实现与电网电压ua在相位上相差180°运行，因此，可以向电网回馈能量，从而实现能量双向流动。从以上分析可知，通过设定三相电压源型PWM双向变流器的调制波uc，便可以控制三相电压源型PWM双向变流器的开关状态，从而使得输入电流按给定规律变化。

4 蓄电池充放电装置检测监控系统的设计
    为了验证课题所设计的蓄电池充放电装置的功能，设计了检测与监控系统。软件的部分界面如图7所示。

    充放电之前，根据不同的蓄电池充放电要求，首先设定电压范围与电流范围，对充放电系统进行保护，以免误设置使输出参数超出可控范围。
    蓄电池充放电装置有两种运行模式：
    (1)恒流模式。恒流模式是以输出电流作为反馈量，控制系统保持蓄电池充放电装置输出电流恒定；
    (2)恒压模式。恒压模式是以输出电压作为反馈量，控制系统保持蓄电池充放电装置输出电压恒定。
    在蓄电池充电时，为了快速充电，同时延长电池的使用寿命，在一个完整的充电过程中，将整个充电过程分成不同的阶段，不同的阶段采用不同的运行模式和运行参数，在不同阶段之间设置阶段转换条件，当蓄电池充放电装置的运行状态满足阶段转换条件时，蓄电池充放电装置可以从当前运行阶段变成下一个阶段运行。该蓄电池充放电装置可以将一个充电过程划分成1～4个运行阶段，放电过程划分为1～2个运行阶段。每个阶段的运行参数包括：
    (1)运行模式。恒流或恒压。
    (2)给定参数。如果运行模式是恒流方式，给定参数为输出给定电流；如果运行模式是恒压方式，给定参数为输出给定电压。
    (3)限制参数。对于电池负载，在恒流条件下，控制系统为满足设定的输出电流值，可能导致输出电压超过电池组的最大电压限制。在恒压条件下，控制系统为满足设定的输出电压值，可能导致输出电流超过电池的最大电流限制。为了解决这个问题，在蓄电池充放电装置的控制系统中，有一个限制输出部分。在恒流状态下，限制输出部分会对输出电压和设定的最大限制电压进行比较，若输出电压小于最大限制电压，控制系统保持输出电流等于给定电流，若输出电压大于最大限制电压，控制系统将不再保持输出电流等于给定电流，而是保证输出电压小于最大限制电压；恒压状态下限制参数与其类似。采用以上措施的目的，就是为了保护电池，防止电池在充电过程中受到损伤。所以在每个阶段的运行参数中包括一个限制输出值。若运行模式是恒流，限制输出值为最大输出电压。若运行模式是恒压，限制输出值为最大输出电流。
    (4)停止参数。停止参数的含义是当蓄电池充放电装置的实际运行状态满足设定的停止参数，自动转入下一个阶段运行，若当前运行的是最后一个阶段，控制系统会关闭蓄电池充放电装置。下面以恒流模式说明停止参数的含义；当运行模式是恒流，用户可以选择的停止条件有输出电压或运行时间两种。若用户选择停止条件是输出电压，在恒流充电过程中电池电压上达到设定的停止输出电压值时，系统结束本阶段的运行，转入下一阶段运行；若用户选择的停止条件是运行时间，若本阶段的运行时间等于设定的停止时间，系统结束本阶段的运行，转入下一阶段运行。
    把运行模式和停止条件组合起来，蓄电池充放电装置可以有4种运行模式：恒流限压、恒流定时、恒压恨流、恒压定时。同时除上述参数的设置以外，系统还可以实现循环充放电，可以选择循环起始点和终止点，以及充放电次数。

5 结语
    本文所设计的蓄电池充电装置设计的蓄电池充放电装置技术参数为：
    蓄电池侧：额定功率15 kVA，额定电压DC110 V。其中，充电时电压变化范围为60～160 V，放电时电压变化范围为75～160 V；充电时额定电流为65 A，放电时额定电流为130 A。
    交流侧：三相交流(380±76)V，网侧电流符合相关标准要求，功率因数高于0．95，电流畸变小于5％；
    基于PWM整流的双向蓄电池充放电装置解决了传统装置的电能浪费问题，把90％的试验能耗回馈电网，实现了能量双向流动，采用SPWM调制方式可使网侧电流正弦化，功率因数高，能够实现充放电功率的灵活调节。放电功率的可控性简化了操作人员的工作，同时也提高了数据的可靠性与设备的安全性。