基于SVPWM技术的双向蓄电池充放电系统设计

王家校

（杭州士兰微电子股份有限公司，杭州 310000）

0 引 言

蓄电池作为一种储能设备，它具有电压稳定、移动方便、供电可靠等优点，因此广泛地被应用于军工及国民经济生产各部门，如舰艇供电，电动交通车辆，不间断电源等［1］。而蓄电池的充放电技术是与蓄电池相伴而生的，同蓄电池的发展和应用有着密切的关系，且充、放电装置的性能直接影响着蓄电池的技术状态、使用寿命，也决定着系统充放电时对电网污染程度［2］。但传统的蓄电池充放电系统大多采用晶闸管相控整流，虽技术成熟、价格低廉，但有很多缺点，比如网侧功率因数低、能量只能单向传递等［3］，或者利用直流开关电源箱作为充电，功率电阻作为放电，这样能量以热量的形式耗掉，造成电能的极大浪费。

本文采用SVPWM技术，通过设计可双向运行的整流、逆变大容量变换器，它集充，放电于一体，达到放电时能量回收；在实现常规充放电的同时也能提供脉冲充放电功能，并具有高功率因数、低谐波污染、能量双向流动、恒定直流电压控制等优点，同时设备紧凑、器件使用率提高。

1 原理与设计

1.1 三相PWM电压型整流器一般数学模型

三相电压源型PWM整流器拓扑结图1所示，假设电网电动势为三相平衡的纯正弦波电动势（ea，eb，ec），并且网侧滤波电感 L是线性的，且不考虑饱和［4］。首先定义单开关函数Sk为：

采用基尔霍夫KCL，KVL定律建立三相VSR回路电压方程：

由文献［5］可以得到三相电压型PWM变换器在三相静止对称坐标系（a，b，c）中的状态方程，如式（3）所示：

再由数学变换进一步得到在三相静止对称坐标系（a，b，c）中的三相 VSR开关函数模型如式（4）：

式中sk为开关函数 （k=a，b，c）；iL为 VSR直流侧负载电流。

1.2 三相VSR的dq模型

由文献［5］通过变换矩阵进行三相静止对称坐标系（a，b，c）到两相αβ静止垂直坐标系下状态方程如式（5）所示：

利用拉普拉斯变换把式（5）变换到S域中，系统传递函数变换如式（6）dq坐标系模型所示：

PWM整流器最后的目的是为了得到以电网基波频率同步旋转的dq坐标系下的数学模型［6］。由文献［5］进一步得出三相VSR在两相同步旋转坐标系（d，q）中的数学模型为 ：

最后综上（5）、（6）、（7）式，结合文献［5］可以得到三相 VSR在两相（d，q）坐标系下的线性方程如式：

其中Rs为电感的等效电阻和回路等效电阻之和。

图1 三相电压源型PWM整流器拓扑结构Fig.1 Topology structure of three-phase voltage source PWM rectifier

1.3 双向DC/DC模块数学模型

如图2双向DC/DC模块系统结构所示。DC/DC是将一种固定的直流电源变换为另外一种具有不同输出特性的直流电源，降压（Buck）电路和升压（Boost）电路是其中最基本也是最常用的两种拓扑结构［7］。由拓扑特性可以知道采用降压斩波电路能够实现向蓄电池充电的功能，而采用升压斩波电路能够实现由蓄电池放电，现分别作介绍。

1.3.1 降压（Buck）电路

对并网充放电装置，由设计要求知，其是工作在电感电流连续式［8］，如图2虚线箭头所示，在开通过程中，电感电流的模型为：

采用占空比表示为：

D为占空比，同理在关断过程中电感电流模型为：

而当BUCK电路处于稳态时，由电路原理得到由ΔiL（+）=|ΔiL（-）|，联立式（9）、（10）、（11）可以推得：E=DUdc

1.3.2 升压（Boost）电路

当充放电系统处于放电状态时，如图2实线箭头所示，DC/DC模块处于升压斩波（Boost）电路状态。计算方法同降压（Buck）电路推导得到：

图2 双向DC/DC模块系统结构图Fig.2 System structure diagram of bidirectional DC/DCmodule

1.4 SVPWM的矢量分析

空间矢量技术（SVPWM）主要通过控制开关管的开关状态而产生一个等效的电压矢量去逼近三相电网电压的电压矢量，以达到同步电网实现并网充放电功能［9］。电压控制矢量U与磁链空间矢量定义如式（14）所示［10］：

由α=e-j2π/3，所以可推得式（15）：

式（15）表明，电压控制矢量U的大小等于ψ变化率，其运动方向与ψ的运动方向是一致的［11］。如图3表示出了这8种空间矢量的位置。每种开关状态和输出的电压矢量是唯一对应的［4］。现以某种相关组合为例进行分析，假设Sx=（x=a，b，c）=（001），此时UAN=UBN=0，UCN=Udc，

图3 输出电压空间矢量图Fig.3 Space vector diagram of output voltage

求解可以得到相关各参数，并归入表1。

表1 各开关状态下的输出电压Tab.1 Output voltage of each switch state

1.5 控制系统硬件设计

本蓄电池充放电系统工作原理如图4所示：其核心部分采用可逆充放电模块。蓄电池组需充电时，系统采用三相380 VAC交流电压直接输入，经变压器降压为交流240 VAC，采用SVPWM可控整流并滤波成400 VDC左右的直流高压，再经DC/DC变换模块，将400 VDC降压斩波为220 VDC，再经滤波成高品质的直流输出供蓄电池充电以及负载使用，此外，该直流输出电压经采样放大至控制电路的DSP模拟量输入，控制模块改变DC/DC变换器的脉冲占空比，使得输出的直流电压保持稳定。当蓄电池需要维护保养时，启动逆变并网模式对蓄电池放电。蓄电池的电压经DC/DC变换模块，升压为400 VDC左右的高压直流，该直流经SVPWM有源逆变桥逆变为三相380 VAC交流，并且保证该交流与电网同频同相，因而实现并网运行，达到能量回馈的效果。为了在系统逆变放电时，能够抑制输出的三次谐波，变压器在接法上采用Y/Δ接法。

其核心部件：：主回路功率转换的IGBT模块采用国产某公司生产的SGM300HF12A3V2，功能上能满足要求，可靠性好，价格相对实惠，DSP采用TI的TMS320F28335，器件的精度高，功耗小，成本低，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确、快速等。

本文在该系统中加入了若干关键技术，如锁相环，反孤岛保护，过压、过流保护，缺相保护等等，同时对锁相环技术在三相电压不平衡的情况下进行了优化应用，使锁相环的动态响应以及锁相准确度非常明显，本文在此不作具体分析。

图4 系统原理框图Fig.4 System principle block diagram

1.6 控制系统软件设计

在系统启动运行的同时，首先通过各个电压、电流传感器对系统运行状态进行检测，对系统可能出现的缺相、短路、过压、过流、孤岛等故障进行报警保护，同时将系统的各个工作状态、电压电流，故障状态通过CAN模块上传至上位机的液晶触摸屏进行显示及设置。系统框图及系统流程图分别如图5和图6所示。

图5 系统框图Fig.5 System block diagram

图6 系统流程图Fig.6 Flow chart of the system

2 实验与分析

2.1 实验测试

系统设计搭建完成的样机如图7所示，输入三相380 VAC，直流母线电压设定400 VDC，输出直流电压Vo=180～260 VDC，输出电流Io=0～130 A，额定最大输出功率Vop=Vo*Io=33 kW，设定整机输出效率大于91%，设定开关频率f=6 kHz，计算变压器原副边变比取K=1.1；原边匝，副边匝，计算电抗取L=计算 DC-Link取C=2 200μF。正常工作下经由功率分析仪实际测试得到如图8和图9所示数据。

图7 充放电系统样机Fig.7 Charge and discharge system prototype

图8 充电状态下三相电压电流检测图Fig.8 Detection diagram of voltage and current in charge state

图9 放电状态下三相电压电流检测图Fig.9 Detection diagram of voltage and current in charging state

2.2 结果分析

从图7可以看出，系统在额定充电时输入电压为378 VAC，输入电流为52 A，视在功率S=34 kVA，有功功率P=33.85 kW，功率因数λ=0.993 4≈1，电流的总谐波失真ITHD=2.87%。从图8可以看出，在额定50%放电时系统逆变输出的电压为402 VAC，输出电流为I=21.1 A，视在功率S=15 kVA，有功功率P=-15 kW，功率因数近似λ=1，电流的总谐波失真ITHD=1.47%。实测结果完全符合系统设计，既实现了能量的双向流动，同时实现网侧电流波形的正弦波控制，且网侧功率因数达到1。因此，对类似此类产品的设计具有很好的指导作用。

3 结束语

本文采用理论分析与实际样机运行测试相结合，对蓄电池充放电系统进行深入研究，分析了三相电压型PWM整流器的工作原理、数学模型以及控制策略，并通过对主要功率器件进行了计算和选型，最后通过搭建实际样机并在实际情况下进行测试分析，验证了所采用的技术的可行性，实现了系统单位功率因素运行，同时交流网测谐波成分含量小，理论分析与实际测试相符，对今后设计类似产品提供了理论及技术支持。