基于SVPWM技術(shù)的雙向蓄電池充放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王家校

（杭州士蘭微電子股份有限公司，杭州 310000）

0 引 言

蓄電池作為一種儲能設(shè)備，它具有電壓穩(wěn)定、移動方便、供電可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛地被應(yīng)用于軍工及國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)各部門，如艦艇供電，電動交通車輛，不間斷電源等［1］。而蓄電池的充放電技術(shù)是與蓄電池相伴而生的，同蓄電池的發(fā)展和應(yīng)用有著密切的關(guān)系，且充、放電裝置的性能直接影響著蓄電池的技術(shù)狀態(tài)、使用壽命，也決定著系統(tǒng)充放電時對電網(wǎng)污染程度［2］。但傳統(tǒng)的蓄電池充放電系統(tǒng)大多采用晶閘管相控整流，雖技術(shù)成熟、價格低廉，但有很多缺點(diǎn)，比如網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低、能量只能單向傳遞等［3］，或者利用直流開關(guān)電源箱作為充電，功率電阻作為放電，這樣能量以熱量的形式耗掉，造成電能的極大浪費(fèi)。

本文采用SVPWM技術(shù)，通過設(shè)計(jì)可雙向運(yùn)行的整流、逆變大容量變換器，它集充，放電于一體，達(dá)到放電時能量回收；在實(shí)現(xiàn)常規(guī)充放電的同時也能提供脈沖充放電功能，并具有高功率因數(shù)、低諧波污染、能量雙向流動、恒定直流電壓控制等優(yōu)點(diǎn)，同時設(shè)備緊湊、器件使用率提高。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 三相PWM電壓型整流器一般數(shù)學(xué)模型

三相電壓源型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)圖1所示，假設(shè)電網(wǎng)電動勢為三相平衡的純正弦波電動勢（ea，eb，ec），并且網(wǎng)側(cè)濾波電感 L是線性的，且不考慮飽和［4］。首先定義單開關(guān)函數(shù)Sk為：

采用基爾霍夫KCL，KVL定律建立三相VSR回路電壓方程：

由文獻(xiàn)［5］可以得到三相電壓型PWM變換器在三相靜止對稱坐標(biāo)系（a，b，c）中的狀態(tài)方程，如式（3）所示：

再由數(shù)學(xué)變換進(jìn)一步得到在三相靜止對稱坐標(biāo)系（a，b，c）中的三相 VSR開關(guān)函數(shù)模型如式（4）：

式中sk為開關(guān)函數(shù) （k=a，b，c）；iL為 VSR直流側(cè)負(fù)載電流。

1.2 三相VSR的dq模型

由文獻(xiàn)［5］通過變換矩陣進(jìn)行三相靜止對稱坐標(biāo)系（a，b，c）到兩相αβ靜止垂直坐標(biāo)系下狀態(tài)方程如式（5）所示：

利用拉普拉斯變換把式（5）變換到S域中，系統(tǒng)傳遞函數(shù)變換如式（6）dq坐標(biāo)系模型所示：

PWM整流器最后的目的是為了得到以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型［6］。由文獻(xiàn)［5］進(jìn)一步得出三相VSR在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d，q）中的數(shù)學(xué)模型為 ：

最后綜上（5）、（6）、（7）式，結(jié)合文獻(xiàn)［5］可以得到三相 VSR在兩相（d，q）坐標(biāo)系下的線性方程如式：

其中Rs為電感的等效電阻和回路等效電阻之和。

圖1 三相電壓源型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology structure of three-phase voltage source PWM rectifier

1.3 雙向DC/DC模塊數(shù)學(xué)模型

如圖2雙向DC/DC模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所示。DC/DC是將一種固定的直流電源變換為另外一種具有不同輸出特性的直流電源，降壓（Buck）電路和升壓（Boost）電路是其中最基本也是最常用的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［7］。由拓?fù)涮匦钥梢灾啦捎媒祲簲夭娐纺軌驅(qū)崿F(xiàn)向蓄電池充電的功能，而采用升壓斬波電路能夠?qū)崿F(xiàn)由蓄電池放電，現(xiàn)分別作介紹。

1.3.1 降壓（Buck）電路

對并網(wǎng)充放電裝置，由設(shè)計(jì)要求知，其是工作在電感電流連續(xù)式［8］，如圖2虛線箭頭所示，在開通過程中，電感電流的模型為：

采用占空比表示為：

D為占空比，同理在關(guān)斷過程中電感電流模型為：

而當(dāng)BUCK電路處于穩(wěn)態(tài)時，由電路原理得到由ΔiL（+）=|ΔiL（-）|，聯(lián)立式（9）、（10）、（11）可以推得：E=DUdc

1.3.2 升壓（Boost）電路

當(dāng)充放電系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時，如圖2實(shí)線箭頭所示，DC/DC模塊處于升壓斬波（Boost）電路狀態(tài)。計(jì)算方法同降壓（Buck）電路推導(dǎo)得到：

圖2 雙向DC/DC模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure diagram of bidirectional DC/DCmodule

1.4 SVPWM的矢量分析

空間矢量技術(shù)（SVPWM）主要通過控制開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)而產(chǎn)生一個等效的電壓矢量去逼近三相電網(wǎng)電壓的電壓矢量，以達(dá)到同步電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)充放電功能［9］。電壓控制矢量U與磁鏈空間矢量定義如式（14）所示［10］：

由α=e-j2π/3，所以可推得式（15）：

式（15）表明，電壓控制矢量U的大小等于ψ變化率，其運(yùn)動方向與ψ的運(yùn)動方向是一致的［11］。如圖3表示出了這8種空間矢量的位置。每種開關(guān)狀態(tài)和輸出的電壓矢量是唯一對應(yīng)的［4］?，F(xiàn)以某種相關(guān)組合為例進(jìn)行分析，假設(shè)Sx=（x=a，b，c）=（001），此時UAN=UBN=0，UCN=Udc，

圖3 輸出電壓空間矢量圖Fig.3 Space vector diagram of output voltage

求解可以得到相關(guān)各參數(shù)，并歸入表1。

表1 各開關(guān)狀態(tài)下的輸出電壓Tab.1 Output voltage of each switch state

1.5 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本蓄電池充放電系統(tǒng)工作原理如圖4所示：其核心部分采用可逆充放電模塊。蓄電池組需充電時，系統(tǒng)采用三相380 VAC交流電壓直接輸入，經(jīng)變壓器降壓為交流240 VAC，采用SVPWM可控整流并濾波成400 VDC左右的直流高壓，再經(jīng)DC/DC變換模塊，將400 VDC降壓斬波為220 VDC，再經(jīng)濾波成高品質(zhì)的直流輸出供蓄電池充電以及負(fù)載使用，此外，該直流輸出電壓經(jīng)采樣放大至控制電路的DSP模擬量輸入，控制模塊改變DC/DC變換器的脈沖占空比，使得輸出的直流電壓保持穩(wěn)定。當(dāng)蓄電池需要維護(hù)保養(yǎng)時，啟動逆變并網(wǎng)模式對蓄電池放電。蓄電池的電壓經(jīng)DC/DC變換模塊，升壓為400 VDC左右的高壓直流，該直流經(jīng)SVPWM有源逆變橋逆變?yōu)槿?80 VAC交流，并且保證該交流與電網(wǎng)同頻同相，因而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，達(dá)到能量回饋的效果。為了在系統(tǒng)逆變放電時，能夠抑制輸出的三次諧波，變壓器在接法上采用Y/Δ接法。

其核心部件：：主回路功率轉(zhuǎn)換的IGBT模塊采用國產(chǎn)某公司生產(chǎn)的SGM300HF12A3V2，功能上能滿足要求，可靠性好，價格相對實(shí)惠，DSP采用TI的TMS320F28335，器件的精度高，功耗小，成本低，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲量大，A/D轉(zhuǎn)換更精確、快速等。

本文在該系統(tǒng)中加入了若干關(guān)鍵技術(shù)，如鎖相環(huán)，反孤島保護(hù)，過壓、過流保護(hù)，缺相保護(hù)等等，同時對鎖相環(huán)技術(shù)在三相電壓不平衡的情況下進(jìn)行了優(yōu)化應(yīng)用，使鎖相環(huán)的動態(tài)響應(yīng)以及鎖相準(zhǔn)確度非常明顯，本文在此不作具體分析。

圖4 系統(tǒng)原理框圖Fig.4 System principle block diagram

1.6 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)啟動運(yùn)行的同時，首先通過各個電壓、電流傳感器對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測，對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的缺相、短路、過壓、過流、孤島等故障進(jìn)行報(bào)警保護(hù)，同時將系統(tǒng)的各個工作狀態(tài)、電壓電流，故障狀態(tài)通過CAN模塊上傳至上位機(jī)的液晶觸摸屏進(jìn)行顯示及設(shè)置。系統(tǒng)框圖及系統(tǒng)流程圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 系統(tǒng)框圖Fig.5 System block diagram

圖6 系統(tǒng)流程圖Fig.6 Flow chart of the system

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)測試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)搭建完成的樣機(jī)如圖7所示，輸入三相380 VAC，直流母線電壓設(shè)定400 VDC，輸出直流電壓Vo=180～260 VDC，輸出電流Io=0～130 A，額定最大輸出功率Vop=Vo*Io=33 kW，設(shè)定整機(jī)輸出效率大于91%，設(shè)定開關(guān)頻率f=6 kHz，計(jì)算變壓器原副邊變比取K=1.1；原邊匝，副邊匝，計(jì)算電抗取L=計(jì)算 DC-Link取C=2 200μF。正常工作下經(jīng)由功率分析儀實(shí)際測試得到如圖8和圖9所示數(shù)據(jù)。

圖7 充放電系統(tǒng)樣機(jī)Fig.7 Charge and discharge system prototype

圖8 充電狀態(tài)下三相電壓電流檢測圖Fig.8 Detection diagram of voltage and current in charge state

圖9 放電狀態(tài)下三相電壓電流檢測圖Fig.9 Detection diagram of voltage and current in charging state

2.2 結(jié)果分析

從圖7可以看出，系統(tǒng)在額定充電時輸入電壓為378 VAC，輸入電流為52 A，視在功率S=34 kVA，有功功率P=33.85 kW，功率因數(shù)λ=0.993 4≈1，電流的總諧波失真ITHD=2.87%。從圖8可以看出，在額定50%放電時系統(tǒng)逆變輸出的電壓為402 VAC，輸出電流為I=21.1 A，視在功率S=15 kVA，有功功率P=-15 kW，功率因數(shù)近似λ=1，電流的總諧波失真ITHD=1.47%。實(shí)測結(jié)果完全符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，既實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動，同時實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流波形的正弦波控制，且網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)達(dá)到1。因此，對類似此類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)作用。

3 結(jié)束語

本文采用理論分析與實(shí)際樣機(jī)運(yùn)行測試相結(jié)合，對蓄電池充放電系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，分析了三相電壓型PWM整流器的工作原理、數(shù)學(xué)模型以及控制策略，并通過對主要功率器件進(jìn)行了計(jì)算和選型，最后通過搭建實(shí)際樣機(jī)并在實(shí)際情況下進(jìn)行測試分析，驗(yàn)證了所采用的技術(shù)的可行性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)單位功率因素運(yùn)行，同時交流網(wǎng)測諧波成分含量小，理論分析與實(shí)際測試相符，對今后設(shè)計(jì)類似產(chǎn)品提供了理論及技術(shù)支持。