CN102751772B - 一种蓄电池充放电电路拓扑 - Google Patents
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Abstract
一种蓄电池充放电电路拓扑，包括：第一级电路、第二级电路和DSP控制器；第一级电路包括三相交流电网、逆变电路；逆变电路具有三相桥的六个晶体管，第二级电路包括第一转换电路、变压器、第二转换电路、电池；DSP控制器控制逆变电路和两个DC-DC转换电路的输出电压和电流及开关方向，控制整个电路的充电或放电。采用本发明装置，对电网侧来说，可以实现单位功率因数充电和放电；给电网造成的污染小；通过采用一定的控制方法，可以让PWM整流器实现SVG的功能；能实现宽电压范围的输出；充放电效率也比较高。
Description
技术领域：
本发明属于电气领域，具体涉及一种蓄电池充放电电路拓扑。
背景技术：
以前的充放电装置一般采用文章《秦海鸿，朱德明与严仰光，电动汽车充电器电路拓扑的设计考虑.电源技术应用，2004(2)：第97-104页.》提到的几种拓扑，这些拓扑很少能同时实现蓄电池的充电和放电（能量回馈电网）两种功能。
以该文章提到的谐振变换器拓扑为例，如图4所示，都是通过LC谐振来实现H桥软开关，然后通过二极管整流来实现充电控制，无法对电网进行放电。
发明内容：
针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提出一种可以同时实现充放电的蓄电池充放电电路拓扑。具体如下：
一种蓄电池充放电电路拓扑，包括：第一级电路、第二级电路和DSP控制器；第一级电路包括三相交流电网、逆变电路；逆变电路具有三相桥的六个晶体管，电源的三相实现星形连接后，每一相输出到三相桥的三个桥臂；第二级电路包括第一转换电路、变压器、第二转换电路、电池；
所述逆变电路的直流高压母线和低压母线输出到第一转换电路的高压母线和低压母线；第一转换电路为H桥电路,具有四个晶体管，其两个桥臂的输出端输出的交流电连接到变压器的原边的两端；第二转换电路为H桥电路，具有四个晶体管，变压器副边的输出连接到第二转换电路的两个桥臂上；第二转换电路的输出的直流高压母线和低压母线连接到电池，给电池充电；
DSP控制器控制逆变电路和两个DCDC转换电路的输出电压和电流及开关方向，控制整个电路的充电或放电。
进一步地，逆变电路和第一DC-DC转换电路之间并联一滤波电容。
进一步地，第二DC-DC转换电路与电池之间并联一滤波电容CL；所述电池的正极与第二DC-DC转换电路的高压母线之间还连接有滤波电感L1。
进一步地，所述变压器可以是两端口变压器或者多端口变压器。
进一步地，当采用多端口变压器时，每个副边都与一个DC-DC转换电路相连，每个DC-DC转换电路的高压母线和低压母线分别连接一个电池。
所述的蓄电池充放电电路拓扑的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采样逆变器输出的直流电压和三相交流电网的电流及电压；
2)电压环控制：根据直流电压的指令值和逆变器输出的直流电压即反馈信号进行PI控制；
3)电流环控制：将上述电压环的输出作为电流环的有功电流的给定信号，用户规定的电流作为无功电流进行控制，电流环的输出作为最终的PWM波形，控制逆变器的六个晶体管的导通与关断；
4)采样所述变压器原边和副边的电压及电流，将其与电压及电流的指令值进行比较后进行PI控制，输出占空比和移相角度，控制两个DC-DC变换器的晶体管的导通与关断。
本发明的有益效果是：
采用本发明装置，对电网侧来说，可以实现单位功率因数充电和放电。
给电网造成的污染小。部分充电器采用二极管或者晶闸管整流电路对蓄电池进行充放电，会对电网造成比较大的谐波。而本发明采用的前级采用的是PWM整流器因此对电网的谐波污染小。
本发明的前级PWM整流器可以也实现SVG的功能，调节电网无功。由于PWM整流器拓扑和静止无功发生器（SVG:Static Var Generator）的拓扑相似，通过采用一定的控制方法，可以让PWM整流器实现SVG的功能。
输出电压范围宽。本发明拓扑前级是PWM整流器，后级是宽范围的双向DCDC充电器，这种充电器的一个很大的优势是能实现宽电压范围的输出。
采用本发明的话，由于DCDC环节是全范围内的软开关，因此充放电效率也比较高。
附图说明：
图1是本发明的主电路拓扑。
图2是三相PWM整流器电路图。
图3是双向DCDC电路图。
图4是现有技术中的谐振变换器拓扑。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做详细描述。
如图1所示，为本发明的电路图，其包括：第一级电路、第二级电路和DSP控制器。
如图2所示，第一级电路包括三相交流电网（ea、eb、ec）、与三相交流电网输出端分别连接的滤波电感（La、Lb、Lc）、逆变电路。逆变电路由三相桥的六个晶体管V1,V2,V3,V4,V5,V6组成，电源的三相实现星形连接后，每一相输出经滤波电感La、Lb、Lc后连接到三相桥的三个桥臂。
如图3所示，第二级电路包括第一DC-DC转换电路、变压器、第二DC-DC转换电路、滤波电容、电池；
逆变电路的高压母线和低压母线输出到第一DC-DC转换电路的高压母线和低压母线；逆变电路和第一DC-DC转换电路之间并联一滤波电容；第一DC-DC转换电路为H桥电路,具有四个晶体管V7,V8,V9,V10，其两个桥臂的输出端连接到变压器的原边N1的两端。第二DC-DC转换电路为H桥电路，具有四个晶体管V11,V12,V13,V14，变压器副边N2的输出连接到第二DC-DC转换电路的两个桥臂上；第二DC-DC转换电路的高压母线和低压母线连接到电池，给电池充电或接收电池的放电。第二DC-DC转换电路N2与电池之间并联一滤波电容CL；所述电池的正极与第二DC-DC转换电路的高压母线之间还连接有滤波电感L1用于减小充电时候的电流纹波：
所述变压器可以是两端口变压器或者多端口变压器，当采用多端口变压器时，每个副边都与一个DC-DC转换电路相连，给电池充电或接收其放电。
DSP控制器控制逆变电路和两个DC-DC转换电路的输出电压和电流。
本发明的控制方法如下所述：
本拓扑的前一级采用三相PWM整流器，如图2所示。通过采样直流侧电压、三相交流电网电压和电流在PWM整流器的内部实现电压电流的双闭环控制，来稳定直流侧电压以及实现无功功率补偿的功能。本拓扑的后一级变压器可以是两端口变压器或者多端口变压器，每个通过占空比加移相的控制来实现全负载范围内的软开关。后级双向DCDC采样原副边的直流侧电压，根据需要的输出功率（电流）大小和反馈的功率（电流）大小，来动态改变输出的占空比和移相角度，实现直流侧功率的双向流动。
以采用本拓扑研制一台7-40V300A充放电装置为例，说明实施的过程：
第一部分采用PWM整流器将高频变压器一次侧的直流电压稳定在650V，实施的框图如图2所示。数字信号处理器DSP采样直流侧电压和三相交流电网电流以及电网电压，采用直流侧电压外环、电网电流内环的双闭环控制方法来稳定直流侧电压：首先根据直流侧电压的指令和反馈信号进行PI控制，电压环的输出当作电流环有功电流的给定信号，无功电流的给定可以根据用户的需要来进行选择，而电流环的输出是最终的PWM波形，调制方法可以选用SVPWM和SPWM两种调制方法。总之，前部分PWM整流器实现了将电压稳定在650V，兼调节电网无功电流的功能。
第二部分双向DCDC（即上文中的第一DC-DC转换电路和第二DC-DC转换电路）将整个拓扑电路的输出电压变换到7-40V，输出电流在±300A之间连续调节，对电池进行充电，实施框图如图3所示。此部分的数字信号处理器DSP采样一次侧和二次侧的电压，以及输出的电流。DSP采样得到输出电流与电流指令进行比较，然后进行PI调节，输出移相角度。当输出电流为正时候，移相角度也为正，当输出电流需要为负（电池放电）时候，将移相角度朝着负的方向调节即可。
Claims (1)
1.一种蓄电池充放电电路拓扑，包括：第一级电路、第二级电路和DSP控制器；其特征在于：第一级电路包括三相交流电网、逆变电路；逆变电路具有三相桥的六个晶体管，电源的三相实现星形连接后，每一相输出到三相桥的三个桥臂；第二级电路包括第一转换电路、变压器、第二转换电路、电池；
所述逆变电路的直流高压母线和直流低压母线输出到第一转换电路的高压母线和低压母线；第一转换电路为H桥电路,具有四个晶体管，其两个桥臂的输出端输出的交流电连接到变压器的原边的两端；第二转换电路为H桥电路，具有四个晶体管，变压器副边的输出连接到第二转换电路的两个桥臂上；第二转换电路的输出的直流高压母线和直流低压母线连接到电池，给电池充电；
DSP控制器控制逆变电路和第一、第二转换电路的输出电压和电流及开关方向，控制整个电路的充电或放电；
第二转换电路与电池之间并联一滤波电容CL；所述电池的正极与第二转换电路的高压母线之间还连接有滤波电感L1；
所述变压器为两端口变压器或者多端口变压器；
逆变电路和第一转换电路之间并联一滤波电容；
当采用多端口变压器时，每个副边分别连接一个所述的第二转换电路，每个第二转换电路的高压母线和低压母线之间连接一个电池；
所述的蓄电池充放电电路拓扑的控制方法包括如下步骤：
1)采用直流侧电压外环、电网电流内环的双闭环控制方法来稳定直流侧电压，采样逆变器输出的直流电压和三相交流电网的电流及电压；
2)电压环控制：根据直流电压的指令值和逆变器输出的直流电压即反馈信号进行PI控制；
3)电流环控制：将上述电压环的输出作为电流环的有功电流的给定信号，用户规定的电流作为无功电流进行控制，电流环的输出作为最终的PWM波形，控制逆变器的六个晶体管的导通与关断；
4)采样所述变压器原边和副边的电压及电流，将其与电压及电流的指令值进行比较后进行PI控制，输出占空比和移相角度，控制第一、第二转换电路中的晶体管的导通与关断。
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