雙向SPWM逆變整流蓄電池充放電維護裝置

0 引言

鉛酸蓄電池是使用最為廣泛的儲能元件之一，如在郵電、通信、電力部門等。蓄電池作為備用的應急能源，是保證系統(tǒng)正常工作的必不可少的部件之一。

作為備用電源應用時，正常情況下，蓄電池工作于浮充狀態(tài)，隨著浮充時間的積累，蓄電池極板會產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，嚴重時會損壞蓄電池，因此，對蓄電池工作狀態(tài)進行監(jiān)控并定期進行均衡充放電維護，是延長蓄電池使用壽命及保證蓄電池正常工作的必不可少的手段之一。

對于蓄電池生產(chǎn)廠商來說，每個蓄電池在生產(chǎn)過程中都需要進行三充兩放的老化和性能測試工作，因此，蓄電池的充放電設(shè)備必不可少。

目前，大容量蓄電池的放電維護通常采用兩種方法進行：一是串接負載電阻放電，把蓄電池存儲的電能耗散在大功率電阻的發(fā)熱中，因此，每進行一次維護工作須消耗大量的電能，并且要及時監(jiān)視蓄電池電壓的變化，以防過放的發(fā)生，其放電電流控制也不方便；另一種是采用晶閘管有源逆變方式進行放電維護，該方式將電能饋送電網(wǎng)，以達節(jié)能降耗目的，該方式雖然可將能量返回給電網(wǎng)起到節(jié)能作用，但由于其反饋給電網(wǎng)的電流波形為方波，含有大量的高次諧波成分，對電網(wǎng)造成諧波污染，且運行時電磁噪聲較大，并網(wǎng)功率因數(shù)也較低，會損失大量的無功電能。

隨著電力電子技術(shù)與計算機技術(shù)的發(fā)展，采用先進的SPWM雙向整流逆變技術(shù)可以實現(xiàn)蓄電池組的充放電控制，采用該技術(shù)的裝置在充放電時不會對電網(wǎng)產(chǎn)生任何諧波污染，并網(wǎng)電流波形是完美的正弦波，且功率因數(shù)可控制為1，不僅如此，其運行時噪聲低，且體積小、效率高。由于其采用先進的計算機控制和管理，可以方便各類用戶需求，并具有蓄電池充放電曲線的優(yōu)化設(shè)定控制，有助于延長蓄電池使用壽命，也方便蓄電池的生產(chǎn)和管理。在節(jié)能降耗方面可以得到大大提高。

1 系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)

雙向SPWM逆變整流裝置一般采用電壓型逆變主電路，其功率開關(guān)器件為絕緣柵型雙極晶體管（IGBT），采用電流控制方式，該逆變主電路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主電路

該主電路適用于三相電網(wǎng)，而對于單相電網(wǎng)其主電路結(jié)構(gòu)類似，但充放電電流脈動較大。其BP端與BN端分別接蓄電池的正極和負極，電阻R_s為軟啟動電阻，以防止在合閘瞬間由于濾波電容的初始零電壓，產(chǎn)生大的短路沖擊電流，在軟啟動完畢后，接觸器KM₁閉合，短路R_s。其電容的選擇與逆變器輸出額定功率、母線電壓有關(guān)，若電容量選擇過小，逆變器直流母線電壓的波動幅度將較大，同時也會引起大的蓄電池直流充放電電流脈動。

系統(tǒng)中的主變壓器一方面起安全隔離作用，保證蓄電池的正負極與電網(wǎng)隔離，另一方面，也是為了充放電蓄電池的電壓匹配。若無隔離變壓器，直流母線的電壓幅值應大于交流電網(wǎng)電壓，否則，難以實現(xiàn)雙向電流充放電，但如果蓄電池的直流母線電壓匹配過高則會影響系統(tǒng)的效率。

系統(tǒng)中濾波電抗的設(shè)計選擇是至關(guān)重要的，它涉及到并網(wǎng)電流波形的脈動幅度和跟蹤正弦電流幅值的范圍，若電抗器L值選擇過大，則在同樣開關(guān)頻率下，輸出電流紋波會較小，但蓄電池放電并網(wǎng)功率會受到限制；L值選擇過小，輸出電流紋波會較大，產(chǎn)生較大的電磁噪聲和干擾。所以，電感值的設(shè)計選擇應以滿足并網(wǎng)功率為前提條件，以電流脈動紋波幅度為設(shè)計條件，以得到滿足設(shè)計指標的低失真、低諧波、高品質(zhì)的正弦輸出電流波形。濾波電抗器的設(shè)計和加工要保證在額定電流范圍內(nèi)穩(wěn)定不變，即工作在線性區(qū)域內(nèi)，同時還要防止在運行過程由于氣隙松動產(chǎn)生的電磁力噪聲。

雖然電流波形被控制為良好的正弦波形，但高頻開關(guān)的影響，使電流波形中含有開關(guān)頻率的高次諧波，將會產(chǎn)生傳導干擾和空間電磁輻射。為了使系統(tǒng)滿足電磁兼容及電磁干擾國家標準，系統(tǒng)必須配置專用的高頻濾波器，并在主電路的工藝結(jié)構(gòu)和機箱設(shè)計上采取預防措施。

2 系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

蓄電池的充放電系統(tǒng)需要控制直流電流和直流電壓，而交流并網(wǎng)電流也是需要控制的，因此，該系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)應包含有三閉環(huán)控制，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)