- 基于PWM技術(shù)蓄電池充放電與檢測系統設計
- 探究PWM技術(shù)蓄電池能源的再利用的途徑
- 基于PWM整流的雙向蓄電池充放電裝置解決電能浪費
- 用SPWM調制方式可使網(wǎng)側電流正弦化
引言
電力機車(chē)用蓄電池承擔著(zhù)機車(chē)升弓前為輔助系統供電的任務(wù)，蓄電池的質(zhì)量顯得至關(guān)重要。目前電力機車(chē)用蓄電池充放電裝置大多使用傳統的相控整流充電技術(shù)，雖然技術(shù)成熟、價(jià)格低廉，但調節周期長(cháng)、動(dòng)態(tài)響應慢、功率因數低，諧波污染也比較大，易造成對電網(wǎng)的污染。為保證質(zhì)量，電力機車(chē)用蓄電池在出廠(chǎng)前需要進(jìn)行老化試驗。目前的出廠(chǎng)測試老化試驗大多使用水泥電阻等能耗型負載充當被試電源產(chǎn)品的負載。能耗型負載雖然成本低廉，但能量被白白消耗掉，會(huì )造成電能的大量浪費。
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，功率因數大，能實(shí)現恒流或恒壓充放電以及實(shí)現負載大小靈活調節，并能將試驗過(guò)程中的能量反饋回電網(wǎng)，實(shí)現了能源的再利用。
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)現能量的雙向流動(dòng)，根據電網(wǎng)的不同，可以采用單相或三相PWM脈沖整流器。系統原理如圖1所示。
由圖1可知，老化實(shí)驗過(guò)程中蓄電池直流電源的輸出能量，除少部分維持系統自身工作產(chǎn)生所需要的能量之外，絕大多數都被反饋回了電網(wǎng)，因此能夠大幅度降低試驗過(guò)程中的能量消耗，達到節約電能的目的。
在對機車(chē)蓄電池充電時(shí)，為了快速充電同時(shí)延長(cháng)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)結構，外環(huán)控制直流電壓，內環(huán)控制電流。電流內環(huán)作用是提高系統的動(dòng)態(tài)性能和實(shí)現限流保護，電壓外環(huán)的作用是保證直流側電壓的穩定性。直流輸出電壓給定信號和實(shí)際直流電壓Vdc比較后的誤差信號送入P1調節器，PI調節器的輸出即為主電路交流輸入參考電流的幅值，比較得到電流誤差后，對電流誤差進(jìn)行PI調節，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調制算法即可生成相應6路驅動(dòng)脈沖控制三相整流橋IGBT的通斷，間接地控制網(wǎng)側電流，實(shí)現網(wǎng)側功率因素的調節。
2 功率調控環(huán)節的設計與分析
2．1 升降壓斬波電路的設計
DC／DC變換器是整個(gè)系統中的能量調控環(huán)節，電路如圖3所示。T1～T4為IGBT，C為中間支撐電容。
為了使能量能夠雙向流動(dòng)，功率調控環(huán)節采用Boost／Buck雙向變換器拓撲結構。充電時(shí)，相當于Buck降壓斬波變換器，T1，T3導通，能量從Ud傳到Uo；T2，T4充電過(guò)程中始終截止，但其內部反并聯(lián)的二極管VD2與VD4導通。其輸出電壓與充電電流為：
放電時(shí)，相當于Boost升壓斬波變換器，T1，T3截止，T2，T4工作，與VD1，VD3構成升壓斬波電路，能量從Uo傳到Ud，二者的關(guān)系為：
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)行調節和控制，在DC／DC階段實(shí)現能量調控。
2．2 功率調控電路與充放電切換分析
充電與放電功率調控原理如圖4所示。
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輸出驅動(dòng)脈沖，當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S1斷開(kāi)，S2閉合時(shí)，為防止T1，T4均導通，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置一定的死區時(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整流器的設計與分析
3．1 PWM整流與逆變的數學(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變換器輸出的穩定直流電壓逆變?yōu)槿嘟涣麟妷?，通過(guò)調節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)，而且還可以有效調控蓄電池充放電裝置交流側的功率因數。
本文采用SPWM調制方式。圖2中，三相調制信號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(kāi)關(guān)器件的控制方法相同，現以a相為例：在uru>uc的各區間，給上橋臂電力晶體管V1以導通驅動(dòng)信號，而給下橋臂V4以關(guān)斷信號。在uru<uc的各區間，給V1以關(guān)斷信號，V4以導通信號。圖5是三相橋式PWM逆變電路輸出三相對于負載中性點(diǎn)N的相電壓波形。
3．2 PWM整流與逆變的等效電路與向量分析
圖6是a相在整流運行、逆變運行時(shí)的相量圖。在SPWM調制方式下，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)現單位功率因數運行。
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4 蓄電池充放電裝置檢測監控系統的設計
為了驗證課題所設計的蓄電池充放電裝置的功能，設計了檢測與監控系統。軟件的部分界面如圖7所示。
充放電之前，根據不同的蓄電池充放電要求，首先設定電壓范圍與電流范圍，對充放電系統進(jìn)行保護，以免誤設置使輸出參數超出可控范圍。
蓄電池充放電裝置有兩種運行模式：
(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(cháng)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行模式和運行參數，在不同階段之間設置階段轉換條件，當蓄電池充放電裝置的運行狀態(tài)滿(mǎn)足階段轉換條件時(shí)，蓄電池充放電裝置可以從當前運行階段變成下一個(gè)階段運行。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)運行階段，放電過(guò)程劃分為1～2個(gè)運行階段。每個(gè)階段的運行參數包括：
(1)運行模式。恒流或恒壓。
(2)給定參數。如果運行模式是恒流方式，給定參數為輸出給定電流；如果運行模式是恒壓方式，給定參數為輸出給定電壓。
(3)限制參數。對于電池負載，在恒流條件下，控制系統為滿(mǎn)足設定的輸出電流值，可能導致輸出電壓超過(guò)電池組的最大電壓限制。在恒壓條件下，控制系統為滿(mǎn)足設定的輸出電壓值，可能導致輸出電流超過(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 )對輸出電壓和設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)下限制參數與其類(lèi)似。采用以上措施的目的，就是為了保護電池，防止電池在充電過(guò)程中受到損傷。所以在每個(gè)階段的運行參數中包括一個(gè)限制輸出值。若運行模式是恒流，限制輸出值為最大輸出電壓。若運行模式是恒壓，限制輸出值為最大輸出電流。
(4)停止參數。停止參數的含義是當蓄電池充放電裝置的實(shí)際運行狀態(tài)滿(mǎn)足設定的停止參數，自動(dòng)轉入下一個(gè)階段運行，若當前運行的是最后一個(gè)階段，控制系統會(huì )關(guān)閉蓄電池充放電裝置。下面以恒流模式說(shuō)明停止參數的含義；當運行模式是恒流，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)程中電池電壓上達到設定的停止輸出電壓值時(shí)，系統結束本階段的運行，轉入下一階段運行；若用戶(hù)選擇的停止條件是運行時(shí)間，若本階段的運行時(shí)間等于設定的停止時(shí)間，系統結束本階段的運行，轉入下一階段運行。
把運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)除上述參數的設置以外，系統還可以實(shí)現循環(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。
5 結語(yǔ)
本文所設計的蓄電池充電裝置設計的蓄電池充放電裝置技術(shù)參數為：
蓄電池側：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：三相交流(380±76)V，網(wǎng)側電流符合相關(guān)標準要求，功率因數高于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裝置的電能浪費問(wèn)題，把90％的試驗能耗回饋電網(wǎng)，實(shí)現了能量雙向流動(dòng)，采用SPWM調制方式可使網(wǎng)側電流正弦化，功率因數高，能夠實(shí)現充放電功率的靈活調節。放電功率的可控性簡(jiǎn)化了操作人員的工作，同時(shí)也提高了數據的可靠性與設備的安全性。
