蓄電池雙向高頻充放電裝置研究

王海英

（海南大學 機電工程學院，海南 儋州 271737）

全球能源日益緊張，有效地利用現有能源成為人們關注和研究的熱點。風能、太陽能等清潔能源受環境影響較大，功率不穩定，致使傳統的電網無法承載，大量的風能和太陽能發電被浪費掉。造成這一問題的主要原因是：儲能技術落后，現有的電站無法實現功率補償，無法滿足功率平滑的要求，儲能技術已成為新能源開發的核心之一。

建立儲能電站后，用電低谷時電池組充電儲能，用電高峰時電池組放電回饋電網，對電網進行局部錯峰調谷，均衡用電負荷，還可存儲太陽能電站的電能，實現太陽能的有效存儲，突破時間和氣候的限制，解決全天候使用太陽能的難題。蓄電池雙向高頻充放電裝置是儲能電站的重要的組成部分，它在交流電網和蓄電池之間搭建一個橋梁，實現交流能量與直流能量的雙向流動。本文主要討論蓄電池雙向高頻充放電裝置的技術方案和控制方式［1］。

1 蓄電池雙向高頻發電裝置組成及原理

圖1為蓄電池雙向高頻充放電裝置的系統結構圖。該裝置由雙向高頻半橋DC－DC電路和PWM整流器電路級聯而成，可以實現高頻方式下的能量雙向流動。這種高頻方案減小了整機的體積和重量，降低了系統成本，對小功率蓄電池充放電具有一定的競爭力。雙向高頻半橋DC－DC電路和PWM整流器電路均是能量可雙向流動的拓撲電路［2］。VS 1—VS 4、T 1和C 1—C 4構成雙向高頻半橋 DC－DC拓撲電路，VS 5—VS 8、L2和 C5構成 PWM 整流器拓撲電路［3］。

雙向高頻半橋DC－DC拓撲電路的結構很簡單，隔離變壓器的原邊和副邊都是由半橋電路構成。圖1中Lr1和Lr2分別為DC－DC隔離變壓器的原邊和副邊漏感，它們是變換器能量傳輸的重要元件［4］。開關器件VS 1—VS 4的占空比固定為0.5，通過控制變壓器原邊電壓和副邊電壓之間的移相角φ1來調節變壓器兩端間的能量傳輸。在漏感不變的情況下，當φ1為正值，即原邊電壓超前副邊電壓時，能量從原邊傳遞到副邊；反之，當φ1為負值，即副邊電壓超前原邊電壓時，能量從副邊傳遞到原邊。另外，電路里沒有大的延時器件存在，因此變換器的動態響應比較快［5］。

圖1 蓄電池雙向高頻充放電裝置的系統結構圖

圖2分別是雙向半橋高頻DC－DC變壓器原副邊電壓與電流波形圖。變壓器原邊電壓的正負值分別為V1和－V2，變壓器副邊電壓的正負值分別為V3和－V4，當原邊的方波電壓與副邊的方波電壓幅值匹配時，即V1＝NV3（N 為變壓器的匝比），變換器電流的應力最小。可以看出V1＝V2＝ Vdc／2，V3＝V4＝Vbus／2，Vdc為直流側電壓，Vbus為母線電壓。則變壓器所能雙向傳遞的功率P可由下式得出：

圖2 雙向半橋高頻DC－DC變壓器電壓與電流波形圖

式中ω為開關角頻率。

由式（1）可以看出，當占空比與開關頻率恒定時，輸出功率與移相角φ1和變壓器漏感Lr1有關系。在輸出功率固定情況下，漏感小會導致移相角增大。為了減少電流和提高效率，要使漏感盡可能小。

2 控制原理

圖3為雙向半橋高頻DC－DC拓撲電路的控制框圖。此控制為雙環控制，電壓環為外環，電流環為內環。當裝置工作在充電狀態時，可以把平均的充電壓值賦給udc，平均的充電流值賦給電壓環輸出的限幅值。反饋電壓Udcf低于Udc時，電壓環輸出idc為最大限幅值（限幅值為均充電流值給定），此時處于蓄電池恒流充電狀態；隨著充電電壓增加，電壓環輸出減小，這就意味著電流環基準idc下降，所以充電電流下降，充電電壓基本不變，此時工作在蓄電池恒壓均充狀態；隨著充電電流下降，浮充電壓值賦給udc，蓄電池電壓會慢慢下降到浮充電壓，這一段時間為蓄電池浮充充電狀態。這樣，一個控制雙環就可以自動實現蓄電池的三階段充電功能［6－7］。

圖3 雙向半橋高頻DC－DC的控制框圖

當裝置工作在放電狀態時，可以使udc小于Udcf，目的是讓電壓環輸出為負的最大值，即電流環基準idc為負的最大值，電流方向反向，電流幅值為給定放電電流值，這樣就可以實現恒流放電。

綜上所述，通過對圖3的電壓和電流雙環控制就可以實現能量的雙向流動［8］。

PWM整流器部分的主要功能是：保持母線電壓穩壓；電網功率因數為1或－1。圖4為PWM整流器的控制框圖，它由電壓外環和電網電流內環構成。電壓外環功能是保持母線電壓穩定，電流內環的主要功能是保持電網電流與電網電壓相位相同或相反。在圖4中，TPWM為PWM整流器的調制開關周期，KI為電網側到母線側的等效系數，PLL為電網鎖相環［9－10］。

在功率因數為1或－1條件下，忽略損耗后有：Uac·Iac＝Ubus·Ibus，Uac和Iac分別為電網電壓和電網電流的有效值。則電網側和母線側的穩態變比的關系［11－12］是

圖4 PWM整流器的控制框圖

通過調節流入、流出電網電流的大小，來恒定母線側的電壓，母線電壓恒定也表示了母線側和交流側流入／流出功率相等。其工作原理是：母線電壓參考值Ubus與母線電壓反饋值Ubusf的差值為電網電流幅值給定，其正負決定電網電流的方向，此差值與電網同相的正弦波相乘即獲得電網電流參考值iac，電網實際電流就可以跟蹤此基準。

綜上所述，電流內環的作用是控制電網電流相位，電壓外環的作用是控制電網電流大小及方向［13］。

3 實驗結果

為驗證蓄電池雙向高頻充放電裝置而搭建了實驗平臺。實驗平臺基本參數：額定功率為2kW，開關頻率為15kHz，變壓器變比為2∶15，漏感為50μH，蓄電池額定電壓為48V，電網額定電壓為220V，電網側濾波電感為2mH。圖5（a）和圖5（b）分別為充電模式和放電模式下的電網電壓波形和電流波形。從圖5中可以看出，充電和放電下的功率因數分別為－1和1［14］。圖5（c）為充電模式下變壓器原邊電流波形［15］。

圖5 波形圖

4 結論

本文介紹了蓄電池雙向高頻充放電裝置的系統結構。對雙向高頻半橋DC－DC電路和PWM整流器的拓撲結構及其控制方式都分別進行了詳細的分析，它們通過各自的控制就可以實現能量在蓄電池側和電網側之間的雙向流動，最后搭建了一臺2kW的實驗平臺進行了驗證，實驗結果驗證其理論分析是正確的［16］。

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