基于Cuk電路的蓄電池恒流放電裝置及其控制設計

宋星，馮秋輝，周多思，黃璐，李暢

(國網(wǎng)湖南省電力公司湘潭供電分公司，湖南 湘潭 411100)

基于Cuk電路的蓄電池恒流放電裝置及其控制設計

宋星，馮秋輝，周多思，黃璐，李暢

(國網(wǎng)湖南省電力公司湘潭供電分公司，湖南 湘潭 411100)

本文設計一種采用Cuk電路來實現(xiàn)蓄電池恒流放電的裝置，該裝置具有電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)流能力強，設定范圍寬的特點。在分析該電路工作原理的基礎(chǔ)上，對其控制系統(tǒng)進行設計，最后進行仿真驗證。仿真結(jié)果表明在滯環(huán)控制下，基于Cuk電路的放電裝置具有很好動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，且在蓄電池電壓變化時，依然具有很好的穩(wěn)流能力。

Cuk電路；放電；恒流；蓄電池

變電站的直流蓄電池組負責全站失電情況下的直流供電和沖擊性負荷下的短時供電。由于蓄電池組極其重要，所以在日常的運行維護中需要對其定期進行放電，以核對其實際容量是否滿足要求〔1〕。

在變電站蓄電池組放電工作中放電裝置應具有放電電流可設定、恒流能力強和良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。當前放電裝置都支持放電電流設定功能，所以，設定范圍寬也是對放電裝置的基本要求。傳統(tǒng)的電阻放電裝置，是在裝置中放置了多個電阻，通過投切電阻來滿足設定的放電電流〔2〕，蓄電池放電過程中電池電壓下降時，其電流不能穩(wěn)定在設定值。此外，還有許多文獻提到利用整流逆變電路來實現(xiàn)〔4－5〕，這些電路雖然都具有各自的優(yōu)點，但使用的元器件多，且控制設計十分復雜，性價比、可靠性不高。而文獻 〔6〕采用了Boost電路來實現(xiàn)恒流放電，由于該電路電感電流連續(xù)，所以能很好地實現(xiàn)恒流放電，但Boost電路是升壓電路，其輸出電壓大于輸入電壓，所以能實現(xiàn)的恒流放電范圍是有限的。

文中提出一種采用Cuk電路來實現(xiàn)蓄電池恒流放電的裝置，該電路是一種升降壓電路，且電感電流連續(xù)，既能在寬范圍內(nèi)實現(xiàn)恒流放電，又具有電路結(jié)構(gòu)簡單、控制設計簡便、性價比和可靠性高的特點。

1 Cuk電路放電裝置的基本工作原理

基于Cuk電路的蓄電池恒流放電裝置如圖1所示。 圖中L1，L2為電感， C1， C2為電容， uL1，uL2，uC1，uC2分別為電感電壓和電容電壓； iL1， iL2，iC1，iC2分別為電感電流和電容電流；S為功率開關(guān)管；D為二極管；R為電阻；Uin為蓄電池組的電壓。

圖1 基于Cuk電路的蓄電池放電裝置

在一個開關(guān)周期該電路分為2個工作模態(tài)，當功率開關(guān)管 S閉合時，為模態(tài)Ⅰ，其等效電路如下:

圖2 模態(tài)Ⅰ

在該模態(tài)Ⅰ下，有如下關(guān)系成立:

當功率開關(guān)管S為斷開時，為模態(tài)Ⅱ，其等效電路如圖3。

圖3 模態(tài)Ⅱ

在模態(tài)Ⅱ下，有如下關(guān)系成立:

定義功率開關(guān)管動作周期為TS，導通時間為ton的則將占空比D做如下定義:

為討論方便，定義電感電壓和電容電壓的穩(wěn)態(tài)值為UL1，UL2，UC1，UC2，感電流和電容電流的穩(wěn)態(tài)值為IL1，IL2，IC1， IC2，當電路進入穩(wěn)定后根據(jù)小紋波近似原理可得到如下關(guān)系:

(1)模態(tài)Ⅰ時關(guān)系如下:

(2)模態(tài)Ⅱ時關(guān)系如下:

根據(jù)電感電壓伏秒平衡原理，可得如下關(guān)系:

根據(jù)電容電流安秒平衡原理，可得如下關(guān)系:

聯(lián)立公式 (6)和 (7)，可以得到電感電流和電容電壓穩(wěn)態(tài)值的關(guān)系如下:

圖1中電感L1的電感電流iL1即是蓄電池的放電電流，通過公式 (8)可以知在電池電壓穩(wěn)定時，蓄電池的輸出電壓與電阻的比值恒定，此時放電電流與占空比D成一定的函數(shù)關(guān)系，可以得出其縮放倍數(shù)B如下:

其函數(shù)曲線如圖4。

圖4 縮放倍數(shù)B與占空比D的關(guān)系

用Cuk電路蓄電池放電裝置放電時，蓄電池組的輸出電流與電感電流相等，由式 (8)和圖4可以看出該電路放電時理論上可設定的恒流范圍為[0，＋∞)，其可設定范圍比Boost電路要寬得多。

2 控制設計

由于滯環(huán)控制具有很好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，且其物理實現(xiàn)方式比較簡單，故在放電裝置中采用滯環(huán)控制。設電感電流參考值為iL?，則滯環(huán)控制的誤差電流為:

對誤差電流求導可得:

定義開關(guān)動作規(guī)律為:

可得電感L1電流的瞬態(tài)表達式如下:

滯環(huán)控制必須滿足如下約束條件:

滿足式 (14)的約束條件則說明此時在控制系統(tǒng)作用下電流能朝著減小電流誤差的方向變化。

根據(jù)公式 (13)和 (14)可得到滯環(huán)控制的開關(guān)動作規(guī)律如下:

根據(jù)分析，可知Cuk電路蓄電池放電儀的滯環(huán)控制可以實現(xiàn)，且其控制電路如圖5。

圖5 滯環(huán)控制電路

3 仿真分析

為了驗證該放電裝置的可行性及性能，利用仿真軟件搭建電路模型，進行了仿真驗證，電路參數(shù)設置為直流蓄電池組電壓 (按變電站的實際情況設置)Uin＝220 V；電感L1＝L2＝0.5 mH，電容C1＝8 μF，C2＝5 μF；負載電阻R＝22 Ω。

以110 kV變電站的蓄電池組為例，其放電電流一般設置為20 A，在滯環(huán)控制下設置電感電流參考值為iL?＝20 A，其仿真波形如圖6，這說明滯環(huán)控制下，放電電路能按照設定值實現(xiàn)蓄電池恒流放電，具有很好的穩(wěn)態(tài)性能。

圖6 放電裝置穩(wěn)態(tài)時的放電曲線

考慮到實際放電過程中，蓄電池電壓會緩慢下降，為檢驗該電路在蓄電池電壓變化時的穩(wěn)流能力，在10 ms時設置一個蓄電池電壓突降，以這種極端情況來檢驗其性能，仿真波形如圖7所示，可以看出在蓄電池電壓突降時，電感電流沒有受到擾動，這說明其穩(wěn)流能力強，具有很好的動態(tài)性能。

圖7 放電裝置在輸入電壓擾動時的放電曲線

由于放電過程中電阻發(fā)熱，會導致電阻值變化，為檢驗放電儀在負載變化時的動態(tài)性能，通過設置電阻突變這種極端情況來檢驗其動態(tài)特性。從圖8可以看出當電阻突變時，其放電電流基本不變，這也說明放電電路具有很好的動態(tài)特性。

圖8 放電裝置電阻擾動時的放電曲線

4 結(jié)論

文中提出了一種基于Cuk電路的蓄電池恒流放電裝置，裝置電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)流能力強，設定范圍寬。在分析該電路工作原理的基礎(chǔ)上，對其控制系統(tǒng)進行了設計。最后進行了仿真驗證，仿真結(jié)果表明在滯環(huán)控制下，基于Cuk電路的放電裝置具有很好動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，且在蓄電池電壓變化時，依然表現(xiàn)出很好穩(wěn)流能力，是一種具有很好的實用價值的蓄電池放電電路。

〔1〕陳慶軍.直流設備檢修 〔M〕.北京:中國電力出版社，2010.

〔2〕易映萍，王國志，姚為正.電力系統(tǒng)中蓄電池放電技術(shù)的探討 〔J〕.湖南工程學院學報，2006，16(1):1-4.

〔3〕蔡子亮，馬俊朋.一種新型電力系統(tǒng)蓄電池放電裝置的設計〔J〕.繼電器，2007，35(14):38-41.

〔4〕李偉，鄒積巖.蓄電池放電能量并網(wǎng)裝置 〔J〕.電力系統(tǒng)自動化，2003，27(6):80-83.

〔5〕米高祥，陳世鋒，張建光，等.一種大容量智能型能饋式蓄電池放電裝置 〔J〕.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(9): 89-91.

〔6〕劉亞龍，李匡成，王福光，等.應用升壓電路的蓄電池放電設備 〔J〕.電源技術(shù)，2004，28(7):425-432.

A battery discharge device based on Cuk circuit and its control design

SONG Xing，F(xiàn)ENG Qiuhui，ZHOU Duosi，HUANG Lu，LI Chang
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Xiangtan Electric Power Supply Company，Xiangtan 411100，China)

A discharge device based on Cuk circuit is proposed in the paper.The discharge device has some advantages such as simple circuit structure，steady flow ability and wide set range.The basic working principle of the circuit is analyzed，then the control system is designed.Simulation results show that the discharge device based on Cuk circuit has good dynamic and static performance，which can be stable current，when the battery voltage changes.

Cuk circuit；discharge；constant current；battery

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.018

TM912

A

1008-0198(2015)04-0074-04

宋星(1985)，男，湖南湘潭人，工程師，碩士，從事繼電保護、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應用等方面的研究。

2015-06-16

馮秋輝 (1985)，男，湖北荊門人，工程師，從事繼電保護、狀態(tài)檢修和電力系統(tǒng)運行與控制等方面的研究。

周多思 (1971)，男，湖南湘潭人，高級工程師，從事電力設備運行管理及電力系統(tǒng)運行與控制等方面的研究。