陈代威, 唐雄民，杜芳洲，冯锵健

(广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006)



一种新型单相高功率因数的蓄电池充放电装置的研究

陈代威, 唐雄民，杜芳洲，冯锵健

(广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006)

设计了一种新型单相高功率因数的蓄电池充放电装置，该装置包括单相PWM整流器和双向DC/DC变换器两部分.单相PWM整流器采用基于dq坐标系的简化控制，并结合单相锁相环使充放电装置实现了网侧电流正弦化和单位功率因数充放电.双向DC/DC变换器不仅能实现装置中能量的双向流动，而且能对蓄电池进行恒流、恒压充电，恒流放电.实验结果验证了该装置的有效性.

蓄电池； 整流器； DC/DC； 充放电装置

随着“微电网”[1-3]的发展 ，使可再生能源实现就地产生、就地储存和就地消化成为可能.微电网中，电源总供给功率和负荷总需求功率都处于动态变化中，当电源总发电功率与负荷总需求功率不平衡时，则由储能系统[1]吸收系统富余的能量或释放储存的能量来维持微电网中功率平衡.蓄电池储能是目前微网中应用最广泛的储能方式.蓄电池储能不仅可以解决系统中能量供需平衡问题，而且可用来抑制微电网中的电压波动和突变.

目前对蓄电池充放电装置的研究主要集中在三相系统和直流系统中，其中出现了三相PWM整流蓄电池充放电装置[4-7]，三相双向DC/DC变换器组成两级功率结构充放电装置[8-10]和适合直流系统中使用的双向DC/DC充放电装置[11-13]等.由于单相装置的检测和控制与三相装置差异较大，因此对单相蓄电池充放电装置进行研究很有必要.

本文探讨了单相蓄电池充放电一体装置的构成及控制方法.充放电装置使用三相逆变器作为载体，简化了系统结构，减少了硬件投资.控制方法采用基于dq坐标系的电流环简化控制，算法简单，易于实现.

1 蓄电池充放电装置的拓扑结构

1.1 蓄电池充放电装置的需求

单相蓄电池充放电装置应实现以下两个主要功能：

(1) 不论蓄电池处于何种状况，充放电装置应运行在高功率因数状态；

(2) 根据接收到的上一级控制指令，充放电装置能使蓄电池实现恒流充电、恒压充电和给定电流放电.

根据需求，蓄电池充放电装置应包括如图1所示的I、II两部分.其中，I部分为高功率因数的AC/DC单元，在AC/DC控制器的控制下实现充放电装置的高功率因数运行；II部分为能实现蓄电池能量的双向流动的DC/DC单元，在DC/DC控制器的控制下实现蓄电池不同工作状态的控制.

图1 蓄电池充放电装置的系统构成图

1.2 蓄电池充放电装置的电路实现拓扑

在考虑图1的基础上，并结合现有模块的主流封装形式，提出了如图2所示的单相高功率因数蓄电池充放电装置的拓扑电路.

图2 装置拓扑图

在图2中I部分用于构建单相PWM整流器、II部分构成为双向DC/DC环节，其中us为单相电网电压，L1为补偿电感,功率开关管S1～S4和滤波电容C1共同组成单相PWM整流器；滤波电容C1、功率开关管S5～S6、滤波电感L2和滤波电容C2共同组成双向DC/DC环节、 D1～D6为功率开关管S1～S6的体内反并联二极管.

2 基于dq坐标变换的单相PWM整流器的实现

单相电压型PWM整流器拓扑[14]如图3所示.图中，is为电网电流，uab为整流器交流侧矢量，Udc为直流侧电压，RL为单相整流器负载.

图3 单相电压型PWM整流器电路拓扑图

dq坐标系向αβ坐标系的转化关系为

(1)

根据文献[15-16]，基于dq坐标系的电流环的控制模型为

(2)

其中,id、iq为is的dq轴分量，ud、uq为调制后uab的dq轴分量，Um为us的峰值，uid、uiq为PI输出.

(3)

在电流环中，根据式(1)有

(4)

(5)

(6)

于是有

(7)

结合式(2)、式(6)和式(7)，可得如图4所示的单相PWM整流器的控制框图.

图4 单相PWM整流器的控制框图

由图4可知，要实现单相PWM整流器的单位功率因数运行，关键在于实时获得电网电压的相位.为了与PWM整流控制器的控制方案保持一致，单相锁相环的设计也采用基于dq变换的两相正交变量的设计方法，其锁相环控制结构图如图5所示.通过微分法虚拟两相的算法由输入信号us构造一组正交信号，usq的值则反映了锁相环输出电压相位与实际电压相位的差值，将参考零值和usq相减，经过PI调节得到误差信号Δω，再与理论角频率ω0= 2πf相加得到实际的角频率.然后经过积分环节的输出就是电网电压相位θ.整个过程通过反馈最终达到锁相的目的.图6给出了跟踪波形为标准正弦信号时锁相环的输出波形，可以看出，这种结构的锁相环，只需两个工作周期就能实现输出信号对给定信号的跟踪.

图5 单相锁相环控制框图

图6 跟踪波形为标准正弦信号时锁相环的输出波形

is通过单相软件锁相环对us相位准确、快速的跟踪，使得充放电装置无论是充电还是放电始终工作在功率因数接近1的状态.图7给出了充电状态下us和is的实验波形，交流测电流为正弦且与电压同相位.图8给出了放电状态下us和is的实验波形，电流为正弦且与电压反相.表1为充放电装置主要参数.

图8 放电时us、is的波形

表1 充放电装置主要参数

3 双向DC/DC环节的实现

图9为双向DC/DC变换器拓扑，在图中蓄电池Uo的模型采用理想电压源E和一个电阻串联R的等效电路的内阻模型[17].通过对功率开关管S5和S6进行控制，便能在BUCK模式和BOOST模式(图10和图11分别给出了这两种模式)进行切换.当DC/DC变换器工作在BUCK模式下，实现蓄电池的充电；当DC/DC变换器工作在BOOST模式下，实现蓄电池的放电.

图9 双向DC/DC变换器拓扑

图10 Buck模式

图11 Boost模式

图12 蓄电池控制框图

蓄电池为光合硅能免维护铅酸蓄电池，额定电压为12 V，容量为15 Ah.在蓄电池恒流充电阶段，充电电流Io为1.5 A，如图13所示，此时充电电压Uo=12 V.随着充电的进行，Uo缓慢增大，当Uo达到14.5 V时，对蓄电池以14.5 V的电压进行充电，如图14所示，此时Io=0.2 A.随着充电的继续进行，Io缓慢减小，当Io减小到0.15 A时停止充电.当蓄电池工作在放电阶段时，放电电流为-1.5 A，如图15所示，此时Uo=12 V.

图13 恒流充电时Uo、Io的波形

图14 恒压充电时Uo、Io的波形

图15 放电时Uo、Io的波形

4 结论

根据实验结果可知，本装置采用单相PWM整流器在满足充放电的同时，实现网侧电流的正弦化和单位功率因数充放电，降低了装置对电网的污染.装置还可按照装置的需求对蓄电池进行恒流、恒压充电，恒流放电，有效延长了蓄电池使用寿命，节约了能量.

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A Research on a New Type of Single-Phase High Power Factor Charging and Discharging Equipment for Accumulator

Chen Dai-wei, Tang Xiong-min, Du Fang-zhou, Feng Qiang-jian

(School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

A new type of single-phase high power factor charging and discharging equipment for accumulator is presented. The equipment is comprised of two parts, i.e., single-phase PWM rectifier and bidirectional DC/DC converter. The single phase PWM Rectifier is controlled on the basis of d-q reference frame, and it is combined with PLL so that the charging and discharging equipment can achieve sinusoidal current at the network side and unit power factor charging and discharging. The bi-directional DC/DC converter can not only achieve bidirectional flow of energy in the equipment, but can also charge the accumulator at a constant current and a constant voltage, and discharge it at a constant current. Experimental results verifies the effectiveness of the equipment.

accumulator; rectifier; DC/DC; charging and discharging equipment

2015- 07- 01

国家自然科学基金资助项目(51307025)

陈代威(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为智能电网技术.

10.3969/j.issn.1007- 7162.2016.06.010

TM912

A

1007-7162(2016)06- 0057- 05