基于SPWM的高效能电网充放电控制算法研究

上海市机械设备成套（集团）有限公司 祝晟卿 张 翔 王军民 谢英杰

1 引言

能源需求的增加和可再生能源的普及，电网充放电技术成为了解决能源储存和供需平衡的关键。在电网充放电系统中，控制算法的设计对系统的效率和性能起着至关重要的作用。因此，研究高效能的电网充放电控制算法具有实际意义和应用价值。

2 电网充放电控制存在问题

2.1 过载问题

电网过载是指电网承载的负荷超过其能力所造成的现象。当充电和放电的负荷超过电网的承载能力时，可能导致电网频率下降、电压波动、电能供应不稳定等问题。如果这种情况持续存在，并且没有及时采取措施进行调整和平衡, 电网可能会崩溃，即引发严重的电力故障或事故，对电网设备、用户设备和人员安全造成严重影响。

2.2 电压波动问题

不合理的充放电控制可能导致电网电压波动较大。电压过高会超过设备的额定电压，使其工作在过大负荷下，可能导致设备损坏，例如电机烧毁、绝缘击穿等。而电压过低则可能导致某些设备无法正常运行，例如启动不成功、传感器误判等。

2.3 系统失衡问题

充放电不平衡会导致电网频率和电压波动较大，使整个电力系统的运行变得不稳定。频率的不稳定可能引发电力负荷无法匹配，造成供电不足或过剩；电压的不稳定则可能影响连接的设备，甚至导致设备损坏。

3 针对电网充放电控制问题的解决对策

3.1 加强电网监测与管理，实施负荷控制机制

为了确保电网的稳定运行，应加强对电网负荷和储能系统的实时监测。通过建立有效的监测系统和数据采集设备，及时获取电网和储能系统的负荷状况和运行情况[1]。同时，制定合理的负荷调度机制，避免短时间内大规模的充放电行为，减轻电网的压力。根据监测数据和负荷需求的变化，合理安排充放电计划，避免过度集中的充放电活动，以平稳控制负荷波动，确保电网的承载能力不超过所设计的范围。

3.2 设备调整和优化，控制充电速度

针对充放电设备进行调整和优化，以提高其响应速度和稳定性，减少电网电压波动。在充电过程中，控制充电速度，避免突然大量充电引起电网电压波动。采用智能充放电管理系统，根据电网负荷情况和能源供需平衡原则，合理分配充放电功率，平滑充放电操作，减轻电网负担，提高电网稳定性。

3.3 实施平衡策略，系统监测与控制

系统通过合理的充放电策略和技术手段，保持分布式发电和储能系统的充放电平衡，避免系统失衡。采用技术手段来实现充放电平衡。例如，利用智能调度和控制系统，结合先进的算法和模型预测，实时监控和调整充放电行为。通过精确的功率调节和能量管理，进行动态优化协调，避免系统不平衡造成的问题。

4 基于SPWM 的高效能电网充放电控制的实际应用

基于上述解决对策的方案设计，设计关于SPWM 方面的充放电控制算法，解决电网充放电控制存在的异常现状。

4.1 设计基于SPWM 的充放电控制算法

4.1.1 频率和占空比调整原理

基于可调谐谐波发生器（Tunable Harmonic Generator，THG）的正弦波脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM） 技术是电网充放电频率和占空比调整的一种高效能方法[2]。SPWM 技术基于电力电子技术的应用，在储能系统中被广泛采用，以实现高效准确的电能调控。在SPWM 技术中，通过调整波形的频率和脉宽占空比来控制电网的充放电行为。首先，SPWM 技术采用可调的THG 来产生谐波波形，在储能系统中应用主要是三次谐波。这样可以使谐波信号具有较高的频率，使得储能系统的充放电更加平滑，减少功率损耗和电压波动。

4.1.2 电池充放电过程的准确控制

电池充放电过程的准确控制对于电池的性能和寿命至关重要。在电动车、储能系统等领域，确保电池的稳定运行和高效能利用是关键目标。为了实现准确控制，需要关注几个方面。首先，对于充电过程，准确控制充电电流和电压是必要的。充电电流的准确控制可以通过电流传感器和反馈控制实现。根据充电需求和电池特性，设定合适的电流大小，以避免过大过小的充电电流带来的问题。不同充电需求和电池特性下的电流设置值范围见表1。

表1 不同充电需求和电池特性下的电流设置值范围

通过使用电流传感器和反馈控制技术，可以监测和调整充电电流，确保其控制在设定的范围内。当充电电流超出设定范围时，控制系统可以采取相应的措施，如自动降低电流或中断充电过程，以保护电池的安全性和延长寿命。

同时，电压的监测与控制能够确保充电时电压不超过设定范围，保护电池的安全性。其次，电池放电过程的准确控制也尤为重要。为了满足电网接入规范以及保护电池的安全性，在电池逆变器系统中，应满足以下条件。一是逆变器输出的频率要与电网频率相同；二是逆变器输出电压与电网电压相匹配，在最大误差范围内不超过5%；三是发电机的相序与系统的相序一致；四是发电机的电压相位与系统的电压相位保持一致。

为了达到这些条件，可以采用一种技术方案，即通过获取电网波形和三角波进行比较来产生使MOS 管工作的SPWM（正弦脉宽调制）信号。这种方案能够确保逆变器输出的频率与电网频率保持一致，从而实现稳定的电网接入[3]。在升压回路方面，由于电池在输出过程中电压会逐渐降低，为了保证入网电压的质量，对于电池充电过程的电压监测与控制，一种常见的方式是使用电压传感器来实时测量电池的电压，并通过反馈控制系统来调节充电电流，以确保充电时电压不超过设定范围。利用自然采样法来实现SPWM，其基本原理是将基准正弦波与一个三角载波进行比较，通过交点的方式确定逆变器的开关模式。其中，采样周期Ts 等于三角波的周期Tt 的1/2。

利用自然采样法可以得到举例公式：

式中，d（t）为输出的PWM 信号。

通过比较基准正弦波与三角波的相位差，得到最终的开关模式。当基准正弦波的幅值大于三角波，在交点之前的时间段内，PWM 信号为高电平；当基准正弦波的幅值小于三角波，在交点之后的时间段内，PWM 信号为低电平。三角波产生电路如图1所示。

图1 三角波产生电路

对于不对称规则采样法来实现SPWM，采样点在三角波的顶点位置和底点位置进行采样，从而形成阶梯波形。由采样点与三角波的交点位置确定脉冲宽度，但在一个三角波周期内，这些交点的位置是不对称的。举例公式：

式中，Ts 为采样周期；P 为相位偏移。采样点分别在三角波的顶点位置和底点位置，根据采样点与三角波的交点位置，确定PWM 信号的脉冲宽度。当基准正弦波的幅值大于三角波时，在交点之前的时间段内，PWM 信号为高电平；当基准正弦波的幅值小于三角波时，在交点之后的时间段内，相比于对称规则采样法，SPWM 的高效能电网充放电控制可以更灵活地调整采样点的位置和脉冲宽度，以满足具体需求。这种采样方法在实际应用中常用于调节电力系统输出功率。

4.2 仿真实验验证算法效果

4.2.1 精确控制高效能电网充放电功率的脉冲宽度调节算法

首先，根据需要调节的电网输出功率以及系统要求，确定采样点在三角波的顶点位置和底点位置。这个过程可以根据实际需求进行灵活调整。根据采样点与三角波的交点位置，可以确定PWM 信号的脉冲宽度。当基准正弦波的幅值大于三角波时，在交点之前的时间段内，PWM 信号为高电平；当基准正弦波的幅值小于三角波时，在交点之后的时间段内，PWM 信号为低电平。根据电网输出功率需求和系统要求，可以通过调整三角波的频率和幅值来影响脉冲宽度。较高的频率可以提供更高的精度和响应速度，而较大的幅值可以提供更大的功率范围,以实现对电网充放电功率的精确控制。

4.2.2 高效能电网充放电控制算法与传统控制方案的比较

在高效能电网充放电控制算法的性能指标下，电网充放电系统的效率和性能指标可能会有所变化。通过分析电芯充放电功率特性，并结合动力电池在不同环境、不同工况下的充放电能力，提出合理的充放电条件及阈值。根据电池特性和系统需求，设定适当的放电电流上限和下限，确保电池在安全范围内进行放电。监测电池的输出电压和温度，当达到设定的上限时采取相应的措施，如降低放电电流或停止放电，以保护电池的安全性。监测电池组的总电压、单体电压、电流和温度。高效能电网充放电控制算法与传统充放电控制对比见表2。

表2 高效能电网充放电控制算法与传统充放电控制对比

通过调节脉冲宽度，充放电系统可以根据电网需求实时调整充放电功率，以满足不同负荷条件的要求。这确保了电网能够稳定运行，并避免因充放电功率波动引起的能量浪费或电网瞬态过载。该算法的性能对比分析主要包括与传统充放电控制的比较以及不同SPWM 调制方式的对比。与传统的充放电控制算法相比，基于SPWM 的算法具有更高的精度和稳定性。传统算法容易受到干扰和参数变化的影响，导致充放电过程的不稳定性和效率较低。而基于SPWM 的算法利用精确的信号调制技术，可在实时动态环境下迅速响应电网的变化，并准确控制充放电过程，提高了电池的使用效率和寿命。

5 结语

基于SPWM 的充放电控制算法在电网充放电系统中具有一定的技术优势。该算法能够提高充放电效率、减少能源损耗并保证电网运行的稳定性。未来可以进一步优化和改进该算法，结合智能化和自适应控制技术，以满足不断发展的能源领域的需求，并提高电网充放电系统的效能和可靠性。