蓄電池充放電裝置中雙向AC/DC變流器的研究

1 系統的主電路結構
系統主電路結構如圖1所示。主電路采用單相PWM的AC／DC的電壓型的拓撲結構，L2是交流側電感，實現PWM電流控制，合理地選擇電感L2對系統至關重要，L2選擇過小會使輸出電流的波紋較大，產生大的電磁噪聲和干擾；L2選擇過大會增加電壓降，使電流跟蹤能力差，需要相應增加母線電壓。L1，C1及C2組成濾波器，使蓄電池獲得平滑的電流、電壓波形；變壓器可以使直流側電壓和電網電壓適配，井將蓄電池組和電網隔離。

2系統的控制
2.1 系統控制框圖
系統的控制目標是使系統能雙向運行，并且蓄電池的充、放電過程能按照規定的曲線進行。系統在充電時處于整流模式，電網側電流為正弦波且功率因數為1，電能從電網流向蓄電池；系統在放電時處于有源逆變模式，電網側電流為正弦波且功率因數為“-1”，此時電能從蓄電池流向電網。兩種工作模式下電壓、電流矢量圖如圖2所示。

圖2(a)顯示電網側的電流和電壓同相位；圖2(b)顯示電網側電流和電壓相位相反。圖中的Un是逆變器的輸出電壓矢量。
根據系統的拄制要求，需要按照充放電曲線實時地控制蓄電池的電流和電壓，這樣系統需要控制的量有3個：蓄電池電流，蓄電池電壓、電網側電流。系統的控制框圖如圖3所示。

圖中：Ubat*是蓄電池充放電的電壓指令值，Ubat是蓄電池電壓反饋值；Ibat*是蓄電池充放電的電流指令值，Ibat是實際的蓄電池充放電電流；I*是交流側電流的指令值，I是實際的交流電流；G1(s)是蓄電池電壓調節器，通常為PI環節，調節器的輸出經過限幅后作為電網側電流指令的幅值Im；G2(s)是蓄電池電流的調節器，它控制實際的蓄電池工作電流，調節器的輸出經過限幅后也作為電網側電流指令的幅值Im；電壓環和電流環之間的切換根據蓄電池充放電曲線進行；調節器輸出的正負決定了系統工作在充電還是放電狀態；Im和電網電壓同頻同相的單位正弦信號一起構成了交流側電流的指令值I*；G3(s)是電流調節環．
K是功率放大環節，G4(s)是交流濾波環節，Uc是電網電壓。
2.2系統控制的實現
為了實現對蓄電池充放電曲線的控制，在系統工作過程中，可以根據要求的曲線實時地改變電壓指令值，這樣就可以使蓄電池滿足電壓曲線。系統在工作過程中時，調節器G1(s)一般處于飽和狀態，可以根據曲線實時地改變它的限幅值，這樣就能控制電網側電流的大小，從而控制蓄電池充放電的電流，滿足曲線需要。在蓄電池充放電的后期，調節器會自動地退出飽和狀態，蓄電池工作在小電流的充放電狀態。
SPWM電流跟蹤控制采用簡單的比例控制，它具有控制簡單并且穩定性好等特點，由于它具有固定的開關頻率，因此它有利于濾波環節的設計，也有利于限制系統的開關損耗。
系統的控制過程如圖1和圖3所示，電網側電流給定和實際電流的偏差經過G3(s)調節后和三角載波比較，輸出按照正弦規律變化的脈沖序列，該脈沖經過驅動電路后形成互補的且具有死區時間的脈沖對，分別驅動一個橋臂的上下兩個功率器件，另一個橋臂的驅動脈沖滯后180，這樣就能保證交流側的電流為正弦波。

3 實驗結果
依據上述研究，設計了一臺5kW的蓄電池充、放電樣機，其主要參數如下：

P=5kW，變壓器為220V／130V(Ue=130V Ubat=220V)，L2=3mH．C1=C2=3300μF，L1=5mH，f=10kHz。
圖4為蓄電池在充、放電時的電網側電流波形，其中①為電網電壓波形，有效值220V；②為電網側電流波形，有效值為22.4A。圖4(a)顯示電流和電壓同相，即功率因數為1，電流為正弦電流，電流由電網流入蓄電池；圖4(b)顯示電流和電壓反
相，即功率因數為“-1”，電流為正弦波，電能由蓄電池流向電網，即實現了并網發電。

4 結語
采用雙向AC／DC變流器設計的充放電裝置在滿足能充電放電的同時，實現了電網側電流的正弦化和單位功率因數，大大減少了裝置運行時時電網的污染，并網發電實現了節能。系統能按照設定的蓄電池充放電曲線工作，管理方便，有效地延長了蓄電池的使用壽命。