基于Cuk电路的蓄电池恒流放电装置及其控制设计

宋星，冯秋辉，周多思，黄璐，李畅

(国网湖南省电力公司湘潭供电分公司，湖南 湘潭 411100)

基于Cuk电路的蓄电池恒流放电装置及其控制设计

宋星，冯秋辉，周多思，黄璐，李畅

(国网湖南省电力公司湘潭供电分公司，湖南 湘潭 411100)

本文设计一种采用Cuk电路来实现蓄电池恒流放电的装置，该装置具有电路结构简单，稳流能力强，设定范围宽的特点。在分析该电路工作原理的基础上，对其控制系统进行设计，最后进行仿真验证。仿真结果表明在滞环控制下，基于Cuk电路的放电装置具有很好动态和稳态性能，且在蓄电池电压变化时，依然具有很好的稳流能力。

Cuk电路；放电；恒流；蓄电池

变电站的直流蓄电池组负责全站失电情况下的直流供电和冲击性负荷下的短时供电。由于蓄电池组极其重要，所以在日常的运行维护中需要对其定期进行放电，以核对其实际容量是否满足要求〔1〕。

在变电站蓄电池组放电工作中放电装置应具有放电电流可设定、恒流能力强和良好的动态和稳态特性。当前放电装置都支持放电电流设定功能，所以，设定范围宽也是对放电装置的基本要求。传统的电阻放电装置，是在装置中放置了多个电阻，通过投切电阻来满足设定的放电电流〔2〕，蓄电池放电过程中电池电压下降时，其电流不能稳定在设定值。此外，还有许多文献提到利用整流逆变电路来实现〔4－5〕，这些电路虽然都具有各自的优点，但使用的元器件多，且控制设计十分复杂，性价比、可靠性不高。而文献 〔6〕采用了Boost电路来实现恒流放电，由于该电路电感电流连续，所以能很好地实现恒流放电，但Boost电路是升压电路，其输出电压大于输入电压，所以能实现的恒流放电范围是有限的。

文中提出一种采用Cuk电路来实现蓄电池恒流放电的装置，该电路是一种升降压电路，且电感电流连续，既能在宽范围内实现恒流放电，又具有电路结构简单、控制设计简便、性价比和可靠性高的特点。

1 Cuk电路放电装置的基本工作原理

基于Cuk电路的蓄电池恒流放电装置如图1所示。 图中L1，L2为电感， C1， C2为电容， uL1，uL2，uC1，uC2分别为电感电压和电容电压； iL1， iL2，iC1，iC2分别为电感电流和电容电流；S为功率开关管；D为二极管；R为电阻；Uin为蓄电池组的电压。

图1 基于Cuk电路的蓄电池放电装置

在一个开关周期该电路分为2个工作模态，当功率开关管 S闭合时，为模态Ⅰ，其等效电路如下:

图2 模态Ⅰ

在该模态Ⅰ下，有如下关系成立:

当功率开关管S为断开时，为模态Ⅱ，其等效电路如图3。

图3 模态Ⅱ

在模态Ⅱ下，有如下关系成立:

定义功率开关管动作周期为TS，导通时间为ton的则将占空比D做如下定义:

为讨论方便，定义电感电压和电容电压的稳态值为UL1，UL2，UC1，UC2，感电流和电容电流的稳态值为IL1，IL2，IC1， IC2，当电路进入稳定后根据小纹波近似原理可得到如下关系:

(1)模态Ⅰ时关系如下:

(2)模态Ⅱ时关系如下:

根据电感电压伏秒平衡原理，可得如下关系:

根据电容电流安秒平衡原理，可得如下关系:

联立公式 (6)和 (7)，可以得到电感电流和电容电压稳态值的关系如下:

图1中电感L1的电感电流iL1即是蓄电池的放电电流，通过公式 (8)可以知在电池电压稳定时，蓄电池的输出电压与电阻的比值恒定，此时放电电流与占空比D成一定的函数关系，可以得出其缩放倍数B如下:

其函数曲线如图4。

图4 缩放倍数B与占空比D的关系

用Cuk电路蓄电池放电装置放电时，蓄电池组的输出电流与电感电流相等，由式 (8)和图4可以看出该电路放电时理论上可设定的恒流范围为[0，＋∞)，其可设定范围比Boost电路要宽得多。

2 控制设计

由于滞环控制具有很好的动态和稳态特性，且其物理实现方式比较简单，故在放电装置中采用滞环控制。设电感电流参考值为iL∗，则滞环控制的误差电流为:

对误差电流求导可得:

定义开关动作规律为:

可得电感L1电流的瞬态表达式如下:

滞环控制必须满足如下约束条件:

满足式 (14)的约束条件则说明此时在控制系统作用下电流能朝着减小电流误差的方向变化。

根据公式 (13)和 (14)可得到滞环控制的开关动作规律如下:

根据分析，可知Cuk电路蓄电池放电仪的滞环控制可以实现，且其控制电路如图5。

图5 滞环控制电路

3 仿真分析

为了验证该放电装置的可行性及性能，利用仿真软件搭建电路模型，进行了仿真验证，电路参数设置为直流蓄电池组电压 (按变电站的实际情况设置)Uin＝220 V；电感L1＝L2＝0.5 mH，电容C1＝8 μF，C2＝5 μF；负载电阻R＝22 Ω。

以110 kV变电站的蓄电池组为例，其放电电流一般设置为20 A，在滞环控制下设置电感电流参考值为iL∗＝20 A，其仿真波形如图6，这说明滞环控制下，放电电路能按照设定值实现蓄电池恒流放电，具有很好的稳态性能。

图6 放电装置稳态时的放电曲线

考虑到实际放电过程中，蓄电池电压会缓慢下降，为检验该电路在蓄电池电压变化时的稳流能力，在10 ms时设置一个蓄电池电压突降，以这种极端情况来检验其性能，仿真波形如图7所示，可以看出在蓄电池电压突降时，电感电流没有受到扰动，这说明其稳流能力强，具有很好的动态性能。

图7 放电装置在输入电压扰动时的放电曲线

由于放电过程中电阻发热，会导致电阻值变化，为检验放电仪在负载变化时的动态性能，通过设置电阻突变这种极端情况来检验其动态特性。从图8可以看出当电阻突变时，其放电电流基本不变，这也说明放电电路具有很好的动态特性。

图8 放电装置电阻扰动时的放电曲线

4 结论

文中提出了一种基于Cuk电路的蓄电池恒流放电装置，装置电路结构简单，稳流能力强，设定范围宽。在分析该电路工作原理的基础上，对其控制系统进行了设计。最后进行了仿真验证，仿真结果表明在滞环控制下，基于Cuk电路的放电装置具有很好动态和稳态性能，且在蓄电池电压变化时，依然表现出很好稳流能力，是一种具有很好的实用价值的蓄电池放电电路。

〔1〕陈庆军.直流设备检修 〔M〕.北京:中国电力出版社，2010.

〔2〕易映萍，王国志，姚为正.电力系统中蓄电池放电技术的探讨 〔J〕.湖南工程学院学报，2006，16(1):1-4.

〔3〕蔡子亮，马俊朋.一种新型电力系统蓄电池放电装置的设计〔J〕.继电器，2007，35(14):38-41.

〔4〕李伟，邹积岩.蓄电池放电能量并网装置 〔J〕.电力系统自动化，2003，27(6):80-83.

〔5〕米高祥，陈世锋，张建光，等.一种大容量智能型能馈式蓄电池放电装置 〔J〕.电力系统保护与控制，2010，38(9): 89-91.

〔6〕刘亚龙，李匡成，王福光，等.应用升压电路的蓄电池放电设备 〔J〕.电源技术，2004，28(7):425-432.

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

SONG Xing，FENG 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，工程师，硕士，从事继电保护、电力电子技术在电力系统中应用等方面的研究。

2015-06-16

冯秋辉 (1985)，男，湖北荆门人，工程师，从事继电保护、状态检修和电力系统运行与控制等方面的研究。

周多思 (1971)，男，湖南湘潭人，高级工程师，从事电力设备运行管理及电力系统运行与控制等方面的研究。