面向蓄電池儲(chǔ)能的雙向AC-DC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊玉崗，楊 威

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105)

面向蓄電池儲(chǔ)能的雙向AC-DC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊玉崗，楊 威

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105)

研究了面向蓄電池儲(chǔ)能的雙向AC-DC裝置，給出了主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由AC-DC和DC-DC兩部分組成，且有相互獨(dú)立的控制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)側(cè)與蓄電池側(cè)控制系統(tǒng)的完全解耦。在此基礎(chǔ)上分析其雙向變流原理，并給出系統(tǒng)在蓄電池充電模式和供電模式下的控制框圖。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電網(wǎng)側(cè)電流正弦化及實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流，在蓄電池供電時(shí)，系統(tǒng)輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓，且動(dòng)態(tài)性能良好。

AC-DC；DC-DC；雙向變流；解耦

隨著電動(dòng)汽車、不間斷電源、太陽(yáng)能發(fā)電等行業(yè)的不斷發(fā)展，蓄電池的充電與供電已經(jīng)逐漸成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，而無(wú)論是蓄電池的充電還是供電，都圍繞著蓄電池與電網(wǎng)或負(fù)載之間的變流器進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。從電路的結(jié)構(gòu)來(lái)看，傳統(tǒng)的變流器由分開的充電裝置和供電裝置來(lái)分別完成蓄電池的充電過(guò)程和供電過(guò)程，就單個(gè)電路環(huán)節(jié)而言管理起來(lái)簡(jiǎn)單，但是對(duì)整體而言，增加了系統(tǒng)的模塊數(shù)量和控制難度，降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)，且對(duì)電網(wǎng)的污染較大[1-2]。本文給出具有解耦特性的雙向AC-DC控制裝置，將蓄電池的充電和供電電路集于一體，通過(guò)軟件來(lái)控制運(yùn)行方式。該裝置減少了模塊數(shù)量，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流，提高了整體效率和動(dòng)態(tài)性能，對(duì)電網(wǎng)而言也是一個(gè)“綠色”用戶，較傳統(tǒng)的變流器具有更大的優(yōu)越性。

1 雙向AC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

雙向AC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由三個(gè)H橋H1、H2、H3，工頻電感，高頻電感，電容1、2、3，變壓器和蓄電池構(gòu)成。圖中是直流母線電壓，是對(duì)進(jìn)行正弦脈寬調(diào)制后產(chǎn)生的交流電壓，和是逆變器H2、H3產(chǎn)生的占空比為50%的方波電壓，是流進(jìn)電感的電流，是蓄電池電壓，是蓄電池電流。該系統(tǒng)共有兩種工作模式：一種為蓄電池充電模式，、與電網(wǎng)相接，此時(shí)為電網(wǎng)電壓，為電網(wǎng)電流，能量從側(cè)傳到蓄電池側(cè)，給蓄電池充電；另一種為蓄電池供電模式，、與用電負(fù)載相接，此時(shí)為系統(tǒng)輸出電壓，為系統(tǒng)輸出電流，整個(gè)系統(tǒng)反向運(yùn)行，能量從蓄電池側(cè)傳到側(cè)，供負(fù)載使用。當(dāng)系統(tǒng)處在充電模式時(shí)，全橋H1工作在整流模式(AC-DC)，H2和H3工作在正向DC-DC模式，即將直流母線側(cè)高壓直流變成低壓直流給蓄電池充電，整個(gè)系統(tǒng)處在AC-DC-DC工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處在蓄電池供電模式時(shí)，H2和H3工作在反向DC-DC模式，即將蓄電池側(cè)的低壓直流變成高壓直流，H1工作在逆變模式 (DC-AC)，整個(gè)系統(tǒng)處在DC-DC-AC工作狀態(tài)。

圖1 雙向AC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 工作原理分析

2.1 整流工作原理

當(dāng)全橋H1工作在整流模式時(shí)，電網(wǎng)側(cè)AC-DC變流環(huán)節(jié)的等效電路圖如圖2所示。圖中分別為電網(wǎng)電壓電感電壓交流側(cè)電壓電網(wǎng)輸入電流的基波分量。

圖2 電網(wǎng)側(cè)等效電路圖

在穩(wěn)態(tài)條件下，忽略電網(wǎng)側(cè)電壓的諧波分量，有：

圖3 電網(wǎng)側(cè)能量流動(dòng)向量圖

2.2 雙向DC-DC工作原理

在雙向DC-DC工作過(guò)程中，兩個(gè)全橋H2、H3的開關(guān)頻率相同，且占空比都是50%，二者都運(yùn)行在普通逆變狀態(tài)。若忽略開關(guān)損耗，將電路折合到直流母線側(cè)，變壓器取T型等效電路，忽略勵(lì)磁回路的影響，得到的DC-DC等效電路如圖4所示。

圖4 雙向DC-DC等效電路

2.3 逆變工作原理

當(dāng)全橋H1工作在SPWM逆變模式時(shí)，根據(jù)面積等效原理，將正弦波用等幅而不等寬方波來(lái)代替，如圖5所示。只要控制各脈沖的寬度，就可以對(duì)正弦波的幅值、相位和頻率進(jìn)行控制[1]。

圖5 SPWM波等效正弦波

3 雙向AC-DC控制策略

根據(jù)上述的分析，當(dāng)系統(tǒng)處在蓄電池充電模式時(shí)，L、N接入電網(wǎng)。H1工作在可控整流狀態(tài)，對(duì)直流母線電壓和電網(wǎng)輸入電流s進(jìn)行控制。H2和H3工作在正向DC-DC變換狀態(tài)。根據(jù)蓄電池的充電特性，剛開始充電時(shí)為恒流源充電，對(duì)電池電流進(jìn)行控制，當(dāng)達(dá)到浮充狀態(tài)時(shí)變?yōu)楹銐涸闯潆姡瑢?duì)電池電壓進(jìn)行控制。控制框圖如圖6所示。

圖6 蓄電池充電模式控制框圖

圖6中DC是直流母線參考電壓，S是電網(wǎng)輸入電流的參考值，B是電池電壓的參考值， B是電池電流的參考值。從圖中可以看出，整個(gè)充電控制過(guò)程由兩個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)控制，分別為AC-DC閉環(huán)控制和DC-DC閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了充電解耦控制。在AC-DC整流控制過(guò)程中，以電網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)和直流母線電壓外環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，將直流母線電壓偏差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后，乘以電網(wǎng)電壓相位，作為電網(wǎng)電流的參考值，電流偏差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)，再加上電壓前饋來(lái)調(diào)節(jié)SPWM波。在控制過(guò)程中，由于電網(wǎng)輸入電流相位始終跟隨電網(wǎng)電壓相位，所以實(shí)現(xiàn)的是單位功率因數(shù)整流。在正向DC-DC控制過(guò)程中，當(dāng)恒流源充電時(shí)，將電流偏差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)來(lái)控制PWM波，當(dāng)恒壓源充電時(shí)，將電壓偏差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)來(lái)控制PWM波。

當(dāng)系統(tǒng)處在蓄電池供電模式時(shí)，L、N接用電負(fù)載。H2和

H3工作在反向DC-DC變換狀態(tài)，對(duì)直流母線電壓和電池電流進(jìn)行控制。H1工作在SPWM逆變狀態(tài)，對(duì)輸出電壓的有效值和相位進(jìn)行控制?？刂瓶驁D如圖7所示。

圖中可以看出，整個(gè)供電控制過(guò)程同樣由兩個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)控制，分別為DC-DC閉環(huán)控制和DC-AC閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了供電解耦控制。在反向DC-DC控制過(guò)程中，以電池電流內(nèi)環(huán)和直流母線電壓外環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，直流母線電壓產(chǎn)生偏差，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)，輸出作為電池電流的參考值，電池電流的偏差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后，來(lái)控制PWM波。在DC-AC逆變控制過(guò)程中，以有效值外環(huán)和瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，將有效值偏差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后，乘以正弦相位來(lái)作為輸出電壓瞬時(shí)值的參考值，瞬時(shí)值的偏差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后，來(lái)控制SPWM波。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)波形分析

4.1 仿真波形分析

為了驗(yàn)證拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的可行性，本文運(yùn)用PSCAD軟件進(jìn)行仿真模擬，模擬的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

圖8 蓄電池充電模式仿真波形

圖8為蓄電池充電模式仿真波形。(a)表示H1處在整流過(guò)程中，電網(wǎng)側(cè)電壓與電流波形，從圖中可以看出，輸入電流按正弦規(guī)律變化，且與輸入電壓同相位，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)整流，減少了對(duì)電網(wǎng)的污染。(b)表示在正向DC-DC工作模式時(shí)電壓的波形和流經(jīng)電感的電流波形，圖中超前一個(gè)相位，說(shuō)明功率從直流母線側(cè)傳到蓄電池側(cè)，給蓄電池充電。(c)表示直流母線電壓400 V和蓄電池電壓24 V的波形，實(shí)現(xiàn)DC-DC變換。(d)表示由5 A的恒流源切換到24 V恒壓源的瞬態(tài)電池電壓電流波形，根據(jù)蓄電池的充電特性，實(shí)現(xiàn)了恒流源與恒壓源相互轉(zhuǎn)換。

圖9為蓄電池供電模式仿真波形。(a)表示全橋H1在逆變模式下，負(fù)載為20 Ω，輸出的電壓電流波形，圖中輸出為標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓，實(shí)現(xiàn)了逆變過(guò)程。(b)表示在反向DC-DC工作模式時(shí)電壓、的波形和流經(jīng)電感的電流波形，從圖中可以看出超前一個(gè)相位，與充電模式的相位相反，實(shí)現(xiàn)了功率的反向傳輸。(c)表示為當(dāng)負(fù)載從20 Ω降到10 Ω時(shí)的電壓電流波形，從圖中可以看出，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能良好且運(yùn)行比較穩(wěn)定。

圖9 蓄電池供電模式仿真波形

4.2 實(shí)驗(yàn)波形分析

為驗(yàn)證理論分析與仿真波形的正確性，搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，主控制器選用TMS320F2812，開關(guān)管選用三菱公司的IPM，其它電氣參數(shù)見表1。

圖10所示為蓄電池充電模式下的實(shí)驗(yàn)波形。(a)為充電時(shí)電網(wǎng)輸入的電壓電流波形，從圖中可以看出電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流同相位，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)整流，電網(wǎng)電流按正弦規(guī)律變化沒有畸變，使變換器對(duì)電網(wǎng)而言成為一“綠色”用戶。(b)為蓄電池充電模式下的、及流經(jīng)電感的電流波形，圖中相位超前于，功率從直流母線側(cè)傳到蓄電池側(cè)，這與式(3)的理論分析以及圖8(b)的仿真結(jié)果完全一致。(c)為恒壓源充電時(shí)直流母線電壓與蓄電池電壓波形，直流母線電壓400 V，蓄電池電壓24 V，實(shí)現(xiàn)了正向DC-DC變換。(d)表示恒流源充電時(shí)的電池電壓電流波形，圖中以5 A的恒定電流給蓄電池充電，蓄電池電壓為30 V，隨著時(shí)間的推進(jìn)電池電壓逐漸升高，當(dāng)達(dá)到浮充狀態(tài)以后，系統(tǒng)變?yōu)楹銐涸唇o蓄電池充電。

圖11所示為蓄電池供電模式下的實(shí)驗(yàn)波形。(a)為直流母

圖11 蓄電池供電模式實(shí)驗(yàn)波形

根據(jù)以上的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，理論分析正確，裝置運(yùn)行可靠，且動(dòng)態(tài)性能良好，實(shí)現(xiàn)雙向AC-DC變換功能。

5 結(jié)論

本文給出了基于蓄電池儲(chǔ)能的雙向AC-DC裝置，它是通過(guò)控制各電壓源之間的幅值和相角來(lái)改變功率的大小和方向，并運(yùn)用AC-DC與DC-DC相互獨(dú)立的控制方式，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)和蓄電池側(cè)變流環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)完全解耦。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該雙向AC-DC裝置可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流、電網(wǎng)側(cè)電流正弦化，減少對(duì)電網(wǎng)的污染。在蓄電池供電時(shí)，可以為負(fù)載提供高質(zhì)量的電能，且具有良好的動(dòng)態(tài)性能，較以往的蓄電池充電和供電裝置，具有更高的可靠性和推廣價(jià)值。

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[2]李瑾，杜成剛，張華，等.智能電網(wǎng)與電動(dòng)汽車雙向互動(dòng)技術(shù)綜述[J].供用電，2010,27(3):12-14.

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[4]趙彪，于慶廣，王立雯，等.具有饋電功能的新型并網(wǎng)UPS系統(tǒng)及其分散邏輯控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011,31(31):85-94.

Design of bidirectional AC-DC system for battery energy storage

The bidirectional AC-DC equipment was designed for the battery energy storage,the topological structure of the main circuit was given.Independent control links were owned by the topological structure.The control system was completely realized decoupling between power grid side and battery side.The principle for bidirectional converter was analyzed.The system control diagram base on the battery charging mode and supply mode was given.The simulation and experiment results show that Current sine and Unit power factor on power grid side are achieved, when the battery supply,standard sine voltage is output，dynamic performance is well of the system.

AC-DC;DC-DC;bidirectional converter;decoupling

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2215-03

2015-03-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51177067)；教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目 (2009-1341)；遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20102092)

楊玉崗(1967—)，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及高頻磁集成技術(shù)。