中心議題：

• 基于PWM技術(shù)蓄電池充放電與檢測系統(tǒng)設(shè)計
• 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)車用蓄電池承擔(dān)著機(jī)車升弓前為輔助系統(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、價格低廉，但調(diào)節(jié)周期長、動態(tài)響應(yīng)慢、功率因數(shù)低，諧波污染也比較大，易造成對電網(wǎng)的污染。為保證質(zhì)量，電力機(jī)車用蓄電池在出廠前需要進(jìn)行老化試驗。目前的出廠測試?yán)匣囼灤蠖嗍褂盟嚯娮璧饶芎男拓?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，能實現(xiàn)恒流或恒壓充放電以及實現(xiàn)負(fù)載大小靈活調(diào)節(jié)，并能將試驗過程中的能量反饋回電網(wǎng)，實現(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現(xiàn)能量的雙向流動，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，老化實驗過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過程中的能量消耗，達(dá)到節(jié)約電能的目的。

在對機(jī)車蓄電池充電時，為了快速充電同時延長電池的使用壽命，將充電與放電過程分成不同的階段，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)的動態(tài)性能和實現(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和實際直流電壓Vdc比較后的誤差信號送入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?，比較得到電流誤差后，對電流誤差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，用以減緩電流在動態(tài)過程中的突變。然后再與輸入電壓的空間矢量進(jìn)行比較控制，最后通過SPWM調(diào)制算法即可生成相應(yīng)6路驅(qū)動脈沖控制三相整流橋IGBT的通斷，間接地控制網(wǎng)側(cè)電流，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因素的調(diào)節(jié)。 [page]
2 功率調(diào)控環(huán)節(jié)的設(shè)計與分析

2．1 升降壓斬波電路的設(shè)計

DC／DC變換器是整個系統(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關(guān)頻率，DC／DC部分采用頻率雙重化設(shè)計，如果單重IGBT的開關(guān)頻率為20 kHz，則等效開關(guān)頻率可以提高到40 kHz。雙重化設(shè)計可以減小裝置體積，降低電壓與電流紋波。

為了使能量能夠雙向流動，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，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T1，T3處于通態(tài)的時間；toff為T1，T3處于斷態(tài)的時間；T為開關(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，可以實現(xiàn)充電功率的調(diào)節(jié)。

放電時，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變換器不但能對直流輸入電壓進(jìn)行變換處理，而且還可以對直流輸入電流進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，在DC／DC階段實現(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，S1閉合，邏輯控制電路輸出的UL1為高電平，UL2為低電平，與門D1輸出驅(qū)動脈沖，D2無驅(qū)動脈沖。由圖5可知，改變PWM整流器載波信號uc的大小，PWM電路的占空比將會隨之變化，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，S2閉合，邏輯控制電路輸出UL1為低電平，UL2為高電平，與門D2輸出驅(qū)動脈沖，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，從而實現(xiàn)由占空比控制放電功率的目的。

在充電切換到放電過程中，當(dāng)S1斷開，S2閉合時，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)時間，封鎖D1且延時一定時間后，再開放D2的輸出脈沖。
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3 PWM整流器的設(shè)計與分析

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變換器送過來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)動信號，而給下橋臂V4以關(guān)斷信號。在uru<uc的各區(qū)間，給V1以關(guān)斷信號，V4以導(dǎo)通信號。圖5是三相橋式PWM逆變電路輸出三相對于負(fù)載中性點N的相電壓波形。 設(shè)開關(guān)器件為理想開關(guān)，沒有過渡過程，其通斷狀態(tài)由開關(guān)函數(shù)描述。開關(guān)函數(shù)表達(dá)式定義為： 電路的本質(zhì)在于優(yōu)化開關(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，從而實現(xiàn)能量雙向流動。從以上分析可知，通過設(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監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

為了驗證課題所設(shè)計的蓄電池充放電裝置的功能，設(shè)計了檢測與監(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，為了快速充電，同時延長電池的使用壽命，在一個完整的充電過程中，將整個充電過程分成不同的階段，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)滿足階段轉(zhuǎn)換條件時，蓄電池充放電裝置可以從當(dāng)前運(yùn)行階段變成下一個階段運(yùn)行。該蓄電池充放電裝置可以將一個充電過程劃分成1～4個運(yùn)行階段，放電過程劃分為1～2個運(yùn)行階段。每個階段的運(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)。對于電池負(fù)載，在恒流條件下，控制系統(tǒng)為滿足設(shè)定的輸出電流值，可能導(dǎo)致輸出電壓超過電池組的最大電壓限制。在恒壓條件下，控制系統(tǒng)為滿足設(shè)定的輸出電壓值，可能導(dǎo)致輸出電流超過電池的最大電流限制。為了解決這個問題，在蓄電池充放電裝置的控制系統(tǒng)中，有一個限制輸出部分。在恒流狀態(tài)下，限制輸出部分會對輸出電壓和設(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，防止電池在充電過程中受到損傷。所以在每個階段的運(yùn)行參數(shù)中包括一個限制輸出值。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際運(yùn)行狀態(tài)滿足設(shè)定的停止參數(shù)，自動轉(zhuǎn)入下一個階段運(yùn)行，若當(dāng)前運(yùn)行的是最后一個階段，控制系統(tǒng)會關(guān)閉蓄電池充放電裝置。下面以恒流模式說明停止參數(shù)的含義；當(dāng)運(yùn)行模式是恒流，用戶可以選擇的停止條件有輸出電壓或運(yùn)行時間兩種。若用戶選擇停止條件是輸出電壓，在恒流充電過程中電池電壓上達(dá)到設(shè)定的停止輸出電壓值時，系統(tǒng)結(jié)束本階段的運(yùn)行，轉(zhuǎn)入下一階段運(yùn)行；若用戶選擇的停止條件是運(yùn)行時間，若本階段的運(yùn)行時間等于設(shè)定的停止時間，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，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、恒壓恨流、恒壓定時。同時除上述參數(shù)的設(shè)置以外，系統(tǒng)還可以實現(xiàn)循環(huán)充放電，可以選擇循環(huán)起始點和終止點，以及充放電次數(shù)。

5 結(jié)語

本文所設(shè)計的蓄電池充電裝置設(shè)計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，充電時電壓變化范圍為60～160 V，放電時電壓變化范圍為75～160 V；充電時額定電流為65 A，放電時額定電流為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)問題，把90％的試驗?zāi)芎幕仞侂娋W(wǎng)，實現(xiàn)了能量雙向流動，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化了操作人員的工作，同時也提高了數(shù)據(jù)的可靠性與設(shè)備的安全性。