摘要：為解決傳統(tǒng)蓄電池充放電裝置功率因數(shù)低、高諧波污染等不足，針對(duì)電力機(jī)車用15 kVA蓄電池，設(shè)計(jì)了基于PWM整流逆變技術(shù)的蓄電池充放電裝置與檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。裝置用作充電電源時(shí)，采用電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分階段恒流模式或恒壓模式充電；用作蓄電池放電試驗(yàn)的負(fù)載時(shí)，將能量回饋電網(wǎng)，通過(guò)SPWM調(diào)制可實(shí)現(xiàn)放電功率的靈活調(diào)控。試驗(yàn)及檢測(cè)結(jié)果表明該裝置具有能量雙向流動(dòng)、網(wǎng)側(cè)電流正弦化、功率因數(shù)高、功率靈活調(diào)控的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：脈沖寬度調(diào)制；蓄電池充放電裝置；蓄電池檢測(cè)系統(tǒng)；三相PWM整流器

0 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(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。控制策略采用雙閉環(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?，比較得到電流誤差后，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(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T1，T3處于通態(tài)的時(shí)間；toff為T1，T3處于斷態(tài)的時(shí)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(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。[!--empirenews.page--]
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，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，再開放D2的輸出脈沖。

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嘟涣麟妷海ㄟ^(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)開關(guān)器件為理想開關(guān)，沒有過(guò)渡過(guò)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(shí)現(xiàn)整流與逆變的運(yùn)行。[!--empirenews.page--]
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雙向變流器的開關(guān)狀態(tài)，從而使得輸入電流按給定規(guī)律變化。

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。