中心議題：

• 基于PWM技術蓄電池充放電與檢測系統(tǒng)設計
• 探究PWM技術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
• 用SPWM調制方式可使網(wǎng)側電流正弦化

引言

電力機車用蓄電池承擔著機車升弓前為輔助系統(tǒng)供電的任務，蓄電池的質量顯得至關重要。目前電力機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，雖然技術成熟、價格低廉，但調節(jié)周期長、動態(tài)響應慢、功率因數(shù)低，諧波污染也比較大，易造成對電網(wǎng)的污染。為保證質量，電力機車用蓄電池在出廠前需要進行老化試驗。目前的出廠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(shù)大，能實現(xiàn)恒流或恒壓充放電以及實現(xiàn)負載大小靈活調節(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，達到節(jié)約電能的目的。

在對機車蓄電池充電時，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)結構，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，電壓外環(huán)的作用是保證直流側電壓的穩(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調節(jié)器，PI調節(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，對電流誤差進行PI調節(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行比較控制，最后通過SPWM調制算法即可生成相應6路驅動脈沖控制三相整流橋IGBT的通斷，間接地控制網(wǎng)側電流，實現(xiàn)網(wǎng)側功率因素的調節(jié)。 [page]
2 功率調控環(huán)節(jié)的設計與分析

2．1 升降壓斬波電路的設計

DC／DC變換器是整個系統(tǒng)中的能量調控環(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頻率，DC／DC部分采用頻率雙重化設計，如果單重IGBT的開關頻率為20 kHz，則等效開關頻率可以提高到40 kHz。雙重化設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，功率調控環(huán)節(jié)采用Boost／Buck雙向變換器拓撲結構。充電時，相當于Buck降壓斬波變換器，T1，T3導通，能量從Ud傳到Uo；T2，T4充電過程中始終截止，但其內(nèi)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： 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為開關周期；a1為占空比；R為蓄電池內(nèi)阻。由式(1)可知，調節(jié)T1，T3的占空比a1，可以實現(xiàn)充電功率的調節(jié)。

放電時，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，二者的關系為： 由式(3)、式(4)可知，調節(jié)T2，T4的占空比a2，可以對放電功率進行調節(jié)。

圖3所示的DC／DC變換器不但能對直流輸入電壓進行變換處理，而且還可以對直流輸入電流進行調節(jié)和控制，在DC／DC階段實現(xiàn)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。 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輸出驅動脈沖，D2無驅動脈沖。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，從而達到改變功率的目的。當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輸出驅動脈沖，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S1斷開，S2閉合時，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(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整流器的設計與分析

3．1 PWM整流與逆變的數(shù)學模型

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)，而且還可以有效調控蓄電池充放電裝置交流側的功率因數(shù)。

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相自關斷開關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以導通驅動信號，而給下橋臂V4以關斷信號。在uru<uc的各區(qū)間，給V1以關斷信號，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N的相電壓波形。 設開關器件為理想開關，沒有過渡過程，其通斷狀態(tài)由開關函數(shù)描述。開關函數(shù)表達式定義為： 電路的本質在于優(yōu)化開關函數(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相在整流運行、逆變運行時的相量圖。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)運行。 如圖6(a)為單位功率因數(shù)整流運行，圖6(b)為單位功率因數(shù)逆變運行。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，通過設定三相電壓源型PWM雙向變流器的調制波uc，便可以控制三相電壓源型PWM雙向變流器的開關狀態(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(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，首先設定電壓范圍與電流范圍，對充放電系統(tǒng)進行保護，以免誤設置使輸出參數(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行模式和運行參數(shù)，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)滿足階段轉換條件時，蓄電池充放電裝置可以從當前運行階段變成下一個階段運行。該蓄電池充放電裝置可以將一個充電過程劃分成1～4個運行階段，放電過程劃分為1～2個運行階段。每個階段的運行參數(shù)包括：

(1)運行模式。恒流或恒壓。

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

(3)限制參數(shù)。對于電池負載，在恒流條件下，控制系統(tǒng)為滿足設定的輸出電流值，可能導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)為滿足設定的輸出電壓值，可能導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定的最大限制電壓進行比較，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行參數(shù)中包括一個限制輸出值。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(shù)。停止參數(shù)的含義是當蓄電池充放電裝置的實際運行狀態(tài)滿足設定的停止參數(shù)，自動轉入下一個階段運行，若當前運行的是最后一個階段，控制系統(tǒng)會關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；當運行模式是恒流，用戶可以選擇的停止條件有輸出電壓或運行時間兩種。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到設定的停止輸出電壓值時，系統(tǒng)結束本階段的運行，轉入下一階段運行；若用戶選擇的停止條件是運行時間，若本階段的運行時間等于設定的停止時間，系統(tǒng)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，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、恒壓恨流、恒壓定時。同時除上述參數(shù)的設置以外，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 結語

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參數(shù)為：

蓄電池側：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：三相交流(380±76)V，網(wǎng)側電流符合相關標準要求，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)裝置的電能浪費問題，把90％的試驗能耗回饋電網(wǎng)，實現(xiàn)了能量雙向流動，采用SPWM調制方式可使網(wǎng)側電流正弦化，功率因數(shù)高，能夠實現(xiàn)充放電功率的靈活調節(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)的可靠性與設備的安全性。