双向SPWM逆变整流蓄电池充放电维护装置

0 引言

铅酸蓄电池是使用最为广泛的储能元件之一，如在邮电、通信、电力部门等。蓄电池作为备用的应急能源，是保证系统正常工作的必不可少的部件之一。

作为备用电源应用时，正常情况下，蓄电池工作于浮充状态，随着浮充时间的积累，蓄电池极板会产生钝化现象，严重时会损坏蓄电池，因此，对蓄电池工作状态进行监控并定期进行均衡充放电维护，是延长蓄电池使用寿命及保证蓄电池正常工作的必不可少的手段之一。

对于蓄电池生产厂商来说，每个蓄电池在生产过程中都需要进行三充两放的老化和性能测试工作，因此，蓄电池的充放电设备必不可少。

目前，大容量蓄电池的放电维护通常采用两种方法进行：一是串接负载电阻放电，把蓄电池存储的电能耗散在大功率电阻的发热中，因此，每进行一次维护工作须消耗大量的电能，并且要及时监视蓄电池电压的变化，以防过放的发生，其放电电流控制也不方便；另一种是采用晶闸管有源逆变方式进行放电维护，该方式将电能馈送电网，以达节能降耗目的，该方式虽然可将能量返回给电网起到节能作用，但由于其反馈给电网的电流波形为方波，含有大量的高次谐波成分，对电网造成谐波污染，且运行时电磁噪声较大，并网功率因数也较低，会损失大量的无功电能。

随着电力电子技术与计算机技术的发展，采用先进的SPWM双向整流逆变技术可以实现蓄电池组的充放电控制，采用该技术的装置在充放电时不会对电网产生任何谐波污染，并网电流波形是完美的正弦波，且功率因数可控制为1，不仅如此，其运行时噪声低，且体积小、效率高。由于其采用先进的计算机控制和管理，可以方便各类用户需求，并具有蓄电池充放电曲线的优化设定控制，有助于延长蓄电池使用寿命，也方便蓄电池的生产和管理。在节能降耗方面可以得到大大提高。

1 系统的主电路结构

双向SPWM逆变整流装置一般采用电压型逆变主电路，其功率开关器件为绝缘栅型双极晶体管（IGBT），采用电流控制方式，该逆变主电路如图1所示。

图1 系统主电路

该主电路适用于三相电网，而对于单相电网其主电路结构类似，但充放电电流脉动较大。其BP端与BN端分别接蓄电池的正极和负极，电阻R_s为软启动电阻，以防止在合闸瞬间由于滤波电容的初始零电压，产生大的短路冲击电流，在软启动完毕后，接触器KM₁闭合，短路R_s。其电容的选择与逆变器输出额定功率、母线电压有关，若电容量选择过小，逆变器直流母线电压的波动幅度将较大，同时也会引起大的蓄电池直流充放电电流脉动。

系统中的主变压器一方面起安全隔离作用，保证蓄电池的正负极与电网隔离，另一方面，也是为了充放电蓄电池的电压匹配。若无隔离变压器，直流母线的电压幅值应大于交流电网电压，否则，难以实现双向电流充放电，但如果蓄电池的直流母线电压匹配过高则会影响系统的效率。

系统中滤波电抗的设计选择是至关重要的，它涉及到并网电流波形的脉动幅度和跟踪正弦电流幅值的范围，若电抗器L值选择过大，则在同样开关频率下，输出电流纹波会较小，但蓄电池放电并网功率会受到限制；L值选择过小，输出电流纹波会较大，产生较大的电磁噪声和干扰。所以，电感值的设计选择应以满足并网功率为前提条件，以电流脉动纹波幅度为设计条件，以得到满足设计指标的低失真、低谐波、高品质的正弦输出电流波形。滤波电抗器的设计和加工要保证在额定电流范围内稳定不变，即工作在线性区域内，同时还要防止在运行过程由于气隙松动产生的电磁力噪声。

虽然电流波形被控制为良好的正弦波形，但高频开关的影响，使电流波形中含有开关频率的高次谐波，将会产生传导干扰和空间电磁辐射。为了使系统满足电磁兼容及电磁干扰国家标准，系统必须配置专用的高频滤波器，并在主电路的工艺结构和机箱设计上采取预防措施。

2 系统的控制结构

蓄电池的充放电系统需要控制直流电流和直流电压，而交流并网电流也是需要控制的，因此，该系统的控制结构应包含有三闭环控制，其结构如图2所示。

图2 系统控制结构