蓄电池双向高频充放电装置研究

王海英

（海南大学 机电工程学院，海南 儋州 271737）

全球能源日益紧张，有效地利用现有能源成为人们关注和研究的热点。风能、太阳能等清洁能源受环境影响较大，功率不稳定，致使传统的电网无法承载，大量的风能和太阳能发电被浪费掉。造成这一问题的主要原因是：储能技术落后，现有的电站无法实现功率补偿，无法满足功率平滑的要求，储能技术已成为新能源开发的核心之一。

建立储能电站后，用电低谷时电池组充电储能，用电高峰时电池组放电回馈电网，对电网进行局部错峰调谷，均衡用电负荷，还可存储太阳能电站的电能，实现太阳能的有效存储，突破时间和气候的限制，解决全天候使用太阳能的难题。蓄电池双向高频充放电装置是储能电站的重要的组成部分，它在交流电网和蓄电池之间搭建一个桥梁，实现交流能量与直流能量的双向流动。本文主要讨论蓄电池双向高频充放电装置的技术方案和控制方式［1］。

1 蓄电池双向高频发电装置组成及原理

图1为蓄电池双向高频充放电装置的系统结构图。该装置由双向高频半桥DC－DC电路和PWM整流器电路级联而成，可以实现高频方式下的能量双向流动。这种高频方案减小了整机的体积和重量，降低了系统成本，对小功率蓄电池充放电具有一定的竞争力。双向高频半桥DC－DC电路和PWM整流器电路均是能量可双向流动的拓扑电路［2］。VS 1—VS 4、T 1和C 1—C 4构成双向高频半桥 DC－DC拓扑电路，VS 5—VS 8、L2和 C5构成 PWM 整流器拓扑电路［3］。

双向高频半桥DC－DC拓扑电路的结构很简单，隔离变压器的原边和副边都是由半桥电路构成。图1中Lr1和Lr2分别为DC－DC隔离变压器的原边和副边漏感，它们是变换器能量传输的重要元件［4］。开关器件VS 1—VS 4的占空比固定为0.5，通过控制变压器原边电压和副边电压之间的移相角φ1来调节变压器两端间的能量传输。在漏感不变的情况下，当φ1为正值，即原边电压超前副边电压时，能量从原边传递到副边；反之，当φ1为负值，即副边电压超前原边电压时，能量从副边传递到原边。另外，电路里没有大的延时器件存在，因此变换器的动态响应比较快［5］。

图1 蓄电池双向高频充放电装置的系统结构图

图2分别是双向半桥高频DC－DC变压器原副边电压与电流波形图。变压器原边电压的正负值分别为V1和－V2，变压器副边电压的正负值分别为V3和－V4，当原边的方波电压与副边的方波电压幅值匹配时，即V1＝NV3（N 为变压器的匝比），变换器电流的应力最小。可以看出V1＝V2＝ Vdc／2，V3＝V4＝Vbus／2，Vdc为直流侧电压，Vbus为母线电压。则变压器所能双向传递的功率P可由下式得出：

图2 双向半桥高频DC－DC变压器电压与电流波形图

式中ω为开关角频率。

由式（1）可以看出，当占空比与开关频率恒定时，输出功率与移相角φ1和变压器漏感Lr1有关系。在输出功率固定情况下，漏感小会导致移相角增大。为了减少电流和提高效率，要使漏感尽可能小。

2 控制原理

图3为双向半桥高频DC－DC拓扑电路的控制框图。此控制为双环控制，电压环为外环，电流环为内环。当装置工作在充电状态时，可以把平均的充电压值赋给udc，平均的充电流值赋给电压环输出的限幅值。反馈电压Udcf低于Udc时，电压环输出idc为最大限幅值（限幅值为均充电流值给定），此时处于蓄电池恒流充电状态；随着充电电压增加，电压环输出减小，这就意味着电流环基准idc下降，所以充电电流下降，充电电压基本不变，此时工作在蓄电池恒压均充状态；随着充电电流下降，浮充电压值赋给udc，蓄电池电压会慢慢下降到浮充电压，这一段时间为蓄电池浮充充电状态。这样，一个控制双环就可以自动实现蓄电池的三阶段充电功能［6－7］。

图3 双向半桥高频DC－DC的控制框图

当装置工作在放电状态时，可以使udc小于Udcf，目的是让电压环输出为负的最大值，即电流环基准idc为负的最大值，电流方向反向，电流幅值为给定放电电流值，这样就可以实现恒流放电。

综上所述，通过对图3的电压和电流双环控制就可以实现能量的双向流动［8］。

PWM整流器部分的主要功能是：保持母线电压稳压；电网功率因数为1或－1。图4为PWM整流器的控制框图，它由电压外环和电网电流内环构成。电压外环功能是保持母线电压稳定，电流内环的主要功能是保持电网电流与电网电压相位相同或相反。在图4中，TPWM为PWM整流器的调制开关周期，KI为电网侧到母线侧的等效系数，PLL为电网锁相环［9－10］。

在功率因数为1或－1条件下，忽略损耗后有：Uac·Iac＝Ubus·Ibus，Uac和Iac分别为电网电压和电网电流的有效值。则电网侧和母线侧的稳态变比的关系［11－12］是

图4 PWM整流器的控制框图

通过调节流入、流出电网电流的大小，来恒定母线侧的电压，母线电压恒定也表示了母线侧和交流侧流入／流出功率相等。其工作原理是：母线电压参考值Ubus与母线电压反馈值Ubusf的差值为电网电流幅值给定，其正负决定电网电流的方向，此差值与电网同相的正弦波相乘即获得电网电流参考值iac，电网实际电流就可以跟踪此基准。

综上所述，电流内环的作用是控制电网电流相位，电压外环的作用是控制电网电流大小及方向［13］。

3 实验结果

为验证蓄电池双向高频充放电装置而搭建了实验平台。实验平台基本参数：额定功率为2kW，开关频率为15kHz，变压器变比为2∶15，漏感为50μH，蓄电池额定电压为48V，电网额定电压为220V，电网侧滤波电感为2mH。图5（a）和图5（b）分别为充电模式和放电模式下的电网电压波形和电流波形。从图5中可以看出，充电和放电下的功率因数分别为－1和1［14］。图5（c）为充电模式下变压器原边电流波形［15］。

图5 波形图

4 结论

本文介绍了蓄电池双向高频充放电装置的系统结构。对双向高频半桥DC－DC电路和PWM整流器的拓扑结构及其控制方式都分别进行了详细的分析，它们通过各自的控制就可以实现能量在蓄电池侧和电网侧之间的双向流动，最后搭建了一台2kW的实验平台进行了验证，实验结果验证其理论分析是正确的［16］。

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