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基于PWM技術(shù)蓄電池充放電與檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2011-09-29 來(lái)源:現(xiàn)代電子技術(shù)

中心議題:
  • 基于PWM技術(shù)蓄電池充放電與檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
  • 探究PWM技術(shù)蓄電池能源的再利用的途徑
解決方案:
  • 基于PWM整流的雙向蓄電池充放電裝置解決電能浪費(fèi)
  • 用SPWM調(diào)制方式可使網(wǎng)側(cè)電流正弦化

引言

電力機(jī)車(chē)用蓄電池承擔(dān)著機(jī)車(chē)升弓前為輔助系統(tǒng)供電的任務(wù),蓄電池的質(zhì)量顯得至關(guān)重要。目前電力機(jī)車(chē)用蓄電池充放電裝置大多使用傳統(tǒng)的相控整流充電技術(shù),雖然技術(shù)成熟、價(jià)格低廉,但調(diào)節(jié)周期長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、功率因數(shù)低,諧波污染也比較大,易造成對(duì)電網(wǎng)的污染。為保證質(zhì)量,電力機(jī)車(chē)用蓄電池在出廠前需要進(jìn)行老化試驗(yàn)。目前的出廠測(cè)試?yán)匣囼?yàn)大多使用水泥電阻等能耗型負(fù)載充當(dāng)被試電源產(chǎn)品的負(fù)載。能耗型負(fù)載雖然成本低廉,但能量被白白消耗掉,會(huì)造成電能的大量浪費(fèi)。

本文研究了一種基于PWM逆變整流的新型蓄電池充放電裝置,能耗低,功率因數(shù)大,能實(shí)現(xiàn)恒流或恒壓充放電以及實(shí)現(xiàn)負(fù)載大小靈活調(diào)節(jié),并能將試驗(yàn)過(guò)程中的能量反饋回電網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了能源的再利用。

1 蓄電池恒流/恒壓充放電裝置原理

本文蓄電池充放電裝置采用以電壓型脈沖整流器為核心的方案。PWM控制方式能方便地實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng),根據(jù)電網(wǎng)的不同,可以采用單相或三相PWM脈沖整流器。系統(tǒng)原理如圖1所示。
蓄電池充放電裝置主要由DC/DC變換器、三相脈沖整流器(PWM整流器)、隔離變壓器、控制系統(tǒng)等輔助電路共同組成。由于采用電壓型脈沖整流器,直流輸入側(cè)接電壓型直流電源。

由圖1可知,老化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中蓄電池直流電源的輸出能量,除少部分維持系統(tǒng)自身工作產(chǎn)生所需要的能量之外,絕大多數(shù)都被反饋回了電網(wǎng),因此能夠大幅度降低試驗(yàn)過(guò)程中的能量消耗,達(dá)到節(jié)約電能的目的。

在對(duì)機(jī)車(chē)蓄電池充電時(shí),為了快速充電同時(shí)延長(zhǎng)電池的使用壽命,將充電與放電過(guò)程分成不同的階段,可以視具體情況分階段選擇恒流或者恒壓模式充放電。恒壓充放電模式采用電壓定向控制模式,控制框圖如圖2所示??刂撇呗圆捎秒p閉環(huán)結(jié)構(gòu),外環(huán)控制直流電壓,內(nèi)環(huán)控制電流。電流內(nèi)環(huán)作用是提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和實(shí)現(xiàn)限流保護(hù),電壓外環(huán)的作用是保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性。直流輸出電壓給定信號(hào)和實(shí)際直流電壓Vdc比較后的誤差信號(hào)送入P1調(diào)節(jié)器,PI調(diào)節(jié)器的輸出即為主電路交流輸入?yún)⒖茧娏鞯姆担容^得到電流誤差后,對(duì)電流誤差進(jìn)行PI調(diào)節(jié),用以減緩電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的突變。然后再與輸入電壓的空間矢量進(jìn)行比較控制,最后通過(guò)SPWM調(diào)制算法即可生成相應(yīng)6路驅(qū)動(dòng)脈沖控制三相整流橋IGBT的通斷,間接地控制網(wǎng)側(cè)電流,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因素的調(diào)節(jié)。
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2 功率調(diào)控環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與分析

2.1 升降壓斬波電路的設(shè)計(jì)


DC/DC變換器是整個(gè)系統(tǒng)中的能量調(diào)控環(huán)節(jié),電路如圖3所示。T1~T4為IGBT,C為中間支撐電容。
為了提高充放電裝置的開(kāi)關(guān)頻率,DC/DC部分采用頻率雙重化設(shè)計(jì),如果單重IGBT的開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz,則等效開(kāi)關(guān)頻率可以提高到40 kHz。雙重化設(shè)計(jì)可以減小裝置體積,降低電壓與電流紋波。

為了使能量能夠雙向流動(dòng),功率調(diào)控環(huán)節(jié)采用Boost/Buck雙向變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。充電時(shí),相當(dāng)于Buck降壓斬波變換器,T1,T3導(dǎo)通,能量從Ud傳到Uo;T2,T4充電過(guò)程中始終截止,但其內(nèi)部反并聯(lián)的二極管VD2與VD4導(dǎo)通。其輸出電壓與充電電流為:
式中:ton為T(mén)1,T3處于通態(tài)的時(shí)間;toff為T(mén)1,T3處于斷態(tài)的時(shí)間;T為開(kāi)關(guān)周期;a1為占空比;R為蓄電池內(nèi)阻。由式(1)可知,調(diào)節(jié)T1,T3的占空比a1,可以實(shí)現(xiàn)充電功率的調(diào)節(jié)。

放電時(shí),相當(dāng)于Boost升壓斬波變換器,T1,T3截止,T2,T4工作,與VD1,VD3構(gòu)成升壓斬波電路,能量從Uo傳到Ud,二者的關(guān)系為:
由式(3)、式(4)可知,調(diào)節(jié)T2,T4的占空比a2,可以對(duì)放電功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3所示的DC/DC變換器不但能對(duì)直流輸入電壓進(jìn)行變換處理,而且還可以對(duì)直流輸入電流進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制,在DC/DC階段實(shí)現(xiàn)能量調(diào)控。

2.2 功率調(diào)控電路與充放電切換分析

充電與放電功率調(diào)控原理如圖4所示。
充電時(shí),S1閉合,邏輯控制電路輸出的UL1為高電平,UL2為低電平,與門(mén)D1輸出驅(qū)動(dòng)脈沖,D2無(wú)驅(qū)動(dòng)脈沖。由圖5可知,改變PWM整流器載波信號(hào)uc的大小,PWM電路的占空比將會(huì)隨之變化,從而達(dá)到改變功率的目的。當(dāng)uc增加,占空比a1增加,Uo增加,由式(1)可知,充電電流Io增加,充電功率增加。

放電時(shí),S2閉合,邏輯控制電路輸出UL1為低電平,UL2為高電平,與門(mén)D2輸出驅(qū)動(dòng)脈沖,當(dāng)uc增加,占空比a2增加,Uo增加,由式(4)可知,放電電流Io增加,放電功率增大,從而實(shí)現(xiàn)由占空比控制放電功率的目的。

在充電切換到放電過(guò)程中,當(dāng)S1斷開(kāi),S2閉合時(shí),為防止T1,T4均導(dǎo)通,使電源E經(jīng)T2,T4而直通短路,在D1與D2的輸出脈沖之間必須設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間,封鎖D1且延時(shí)一定時(shí)間后,再開(kāi)放D2的輸出脈沖。
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3 PWM整流器的設(shè)計(jì)與分析

3.1 PWM整流與逆變的數(shù)學(xué)模型


蓄電池充放電裝置DC/AC部分采用三相PWM整流器,如圖2所示。三相PWM整流器的作用是將DC/DC變換器輸出的穩(wěn)定直流電壓逆變?yōu)槿嘟涣麟妷?,通過(guò)調(diào)節(jié)PWM整流器三相輸出電壓的大小以及控制與電網(wǎng)電壓之間的相位差,PWM整流器不但可以將DC/DC變換器送過(guò)來(lái)的能量饋入三相交流電網(wǎng),而且還可以有效調(diào)控蓄電池充放電裝置交流側(cè)的功率因數(shù)。

本文采用SPWM調(diào)制方式。圖2中,三相調(diào)制信號(hào)uru、urv和urw為相位依次相差120°的正弦波。a,b,c相自關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件的控制方法相同,現(xiàn)以a相為例:在uru>uc的各區(qū)間,給上橋臂電力晶體管V1以導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)信號(hào),而給下橋臂V4以關(guān)斷信號(hào)。在uru<uc的各區(qū)間,給V1以關(guān)斷信號(hào),V4以導(dǎo)通信號(hào)。圖5是三相橋式PWM逆變電路輸出三相對(duì)于負(fù)載中性點(diǎn)N的相電壓波形。
設(shè)開(kāi)關(guān)器件為理想開(kāi)關(guān),沒(méi)有過(guò)渡過(guò)程,其通斷狀態(tài)由開(kāi)關(guān)函數(shù)描述。開(kāi)關(guān)函數(shù)表達(dá)式定義為:
電路的本質(zhì)在于優(yōu)化開(kāi)關(guān)函數(shù)Sa,Sb,Sc,使三相橋交流輸入端的交流輸入端電壓ua,ub,uc等效為三相交流電壓源,實(shí)現(xiàn)整流與逆變的運(yùn)行。

3.2 PWM整流與逆變的等效電路與向量分析

圖6是a相在整流運(yùn)行、逆變運(yùn)行時(shí)的相量圖。在SPWM調(diào)制方式下,電網(wǎng)電壓ua與ua產(chǎn)生的基波分量uao為正弦波,流過(guò)電感La的電流也為正弦波。圖6所示,從a相電路的相量圖可以很容易地看出,三相電壓源型PWM雙向變流器可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。
如圖6(a)為單位功率因數(shù)整流運(yùn)行,圖6(b)為單位功率因數(shù)逆變運(yùn)行。由于相電流ia可以實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電壓ua在相位上相差180°運(yùn)行,因此,可以向電網(wǎng)回饋能量,從而實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。從以上分析可知,通過(guò)設(shè)定三相電壓源型PWM雙向變流器的調(diào)制波uc,便可以控制三相電壓源型PWM雙向變流器的開(kāi)關(guān)狀態(tài),從而使得輸入電流按給定規(guī)律變化。
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4 蓄電池充放電裝置檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證課題所設(shè)計(jì)的蓄電池充放電裝置的功能,設(shè)計(jì)了檢測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng)。軟件的部分界面如圖7所示。

充放電之前,根據(jù)不同的蓄電池充放電要求,首先設(shè)定電壓范圍與電流范圍,對(duì)充放電系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù),以免誤設(shè)置使輸出參數(shù)超出可控范圍。

蓄電池充放電裝置有兩種運(yùn)行模式:

(1)恒流模式。恒流模式是以輸出電流作為反饋量,控制系統(tǒng)保持蓄電池充放電裝置輸出電流恒定;

(2)恒壓模式。恒壓模式是以輸出電壓作為反饋量,控制系統(tǒng)保持蓄電池充放電裝置輸出電壓恒定。

在蓄電池充電時(shí),為了快速充電,同時(shí)延長(zhǎng)電池的使用壽命,在一個(gè)完整的充電過(guò)程中,將整個(gè)充電過(guò)程分成不同的階段,不同的階段采用不同的運(yùn)行模式和運(yùn)行參數(shù),在不同階段之間設(shè)置階段轉(zhuǎn)換條件,當(dāng)蓄電池充放電裝置的運(yùn)行狀態(tài)滿(mǎn)足階段轉(zhuǎn)換條件時(shí),蓄電池充放電裝置可以從當(dāng)前運(yùn)行階段變成下一個(gè)階段運(yùn)行。該蓄電池充放電裝置可以將一個(gè)充電過(guò)程劃分成1~4個(gè)運(yùn)行階段,放電過(guò)程劃分為1~2個(gè)運(yùn)行階段。每個(gè)階段的運(yùn)行參數(shù)包括:

(1)運(yùn)行模式。恒流或恒壓。

(2)給定參數(shù)。如果運(yùn)行模式是恒流方式,給定參數(shù)為輸出給定電流;如果運(yùn)行模式是恒壓方式,給定參數(shù)為輸出給定電壓。

(3)限制參數(shù)。對(duì)于電池負(fù)載,在恒流條件下,控制系統(tǒng)為滿(mǎn)足設(shè)定的輸出電流值,可能導(dǎo)致輸出電壓超過(guò)電池組的最大電壓限制。在恒壓條件下,控制系統(tǒng)為滿(mǎn)足設(shè)定的輸出電壓值,可能導(dǎo)致輸出電流超過(guò)電池的最大電流限制。為了解決這個(gè)問(wèn)題,在蓄電池充放電裝置的控制系統(tǒng)中,有一個(gè)限制輸出部分。在恒流狀態(tài)下,限制輸出部分會(huì)對(duì)輸出電壓和設(shè)定的最大限制電壓進(jìn)行比較,若輸出電壓小于最大限制電壓,控制系統(tǒng)保持輸出電流等于給定電流,若輸出電壓大于最大限制電壓,控制系統(tǒng)將不再保持輸出電流等于給定電流,而是保證輸出電壓小于最大限制電壓;恒壓狀態(tài)下限制參數(shù)與其類(lèi)似。采用以上措施的目的,就是為了保護(hù)電池,防止電池在充電過(guò)程中受到損傷。所以在每個(gè)階段的運(yùn)行參數(shù)中包括一個(gè)限制輸出值。若運(yùn)行模式是恒流,限制輸出值為最大輸出電壓。若運(yùn)行模式是恒壓,限制輸出值為最大輸出電流。

(4)停止參數(shù)。停止參數(shù)的含義是當(dāng)蓄電池充放電裝置的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)滿(mǎn)足設(shè)定的停止參數(shù),自動(dòng)轉(zhuǎn)入下一個(gè)階段運(yùn)行,若當(dāng)前運(yùn)行的是最后一個(gè)階段,控制系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉蓄電池充放電裝置。下面以恒流模式說(shuō)明停止參數(shù)的含義;當(dāng)運(yùn)行模式是恒流,用戶(hù)可以選擇的停止條件有輸出電壓或運(yùn)行時(shí)間兩種。若用戶(hù)選擇停止條件是輸出電壓,在恒流充電過(guò)程中電池電壓上達(dá)到設(shè)定的停止輸出電壓值時(shí),系統(tǒng)結(jié)束本階段的運(yùn)行,轉(zhuǎn)入下一階段運(yùn)行;若用戶(hù)選擇的停止條件是運(yùn)行時(shí)間,若本階段的運(yùn)行時(shí)間等于設(shè)定的停止時(shí)間,系統(tǒng)結(jié)束本階段的運(yùn)行,轉(zhuǎn)入下一階段運(yùn)行。
把運(yùn)行模式和停止條件組合起來(lái),蓄電池充放電裝置可以有4種運(yùn)行模式:恒流限壓、恒流定時(shí)、恒壓恨流、恒壓定時(shí)。同時(shí)除上述參數(shù)的設(shè)置以外,系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)充放電,可以選擇循環(huán)起始點(diǎn)和終止點(diǎn),以及充放電次數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的蓄電池充電裝置設(shè)計(jì)的蓄電池充放電裝置技術(shù)參數(shù)為:

蓄電池側(cè):額定功率15 kVA,額定電壓DC110 V。其中,充電時(shí)電壓變化范圍為60~160 V,放電時(shí)電壓變化范圍為75~160 V;充電時(shí)額定電流為65 A,放電時(shí)額定電流為130 A。

交流側(cè):三相交流(380±76)V,網(wǎng)側(cè)電流符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,功率因數(shù)高于0.95,電流畸變小于5%;

基于PWM整流的雙向蓄電池充放電裝置解決了傳統(tǒng)裝置的電能浪費(fèi)問(wèn)題,把90%的試驗(yàn)?zāi)芎幕仞侂娋W(wǎng),實(shí)現(xiàn)了能量雙向流動(dòng),采用SPWM調(diào)制方式可使網(wǎng)側(cè)電流正弦化,功率因數(shù)高,能夠?qū)崿F(xiàn)充放電功率的靈活調(diào)節(jié)。放電功率的可控性簡(jiǎn)化了操作人員的工作,同時(shí)也提高了數(shù)據(jù)的可靠性與設(shè)備的安全性。
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