基于双向变流技术的蓄电池充放电装置的研究

摘要

随着蓄电池的广泛应用，如何能安全、快速、有效的对蓄电池进行充放电成为重要内容。传统的晶闸管整流充电机，技术成熟、价格低廉，但是存在许多的缺点。本文中针对实际需求，对蓄电池充放电系统进行研究，设计一种高效、高功率因数、节能的蓄电池充放电系统。
　　本文首先研究蓄电池的工作原理和充放电特性，在此基础上提出适合蓄电池的最佳充放电技术。针对本文的蓄电池装置，采用LCL滤波的三相PWM变流器来实现能量的双向流动。详细分析PWM变流器的四象限工作原理。由于整流、逆变状态下网侧电流的方向相反，故通过控制指令电流的方向可以控制整流、逆变状态。因此，本文中变流器的数学模型仅研究逆变过程。
　　其次，提出一种限制总滤波电感压降，并保证滤波电容和网侧电感电流的高频分流效果的参数选择方法。针对LCL滤波器的谐振问题，文中分别采用无源阻尼方法和有源阻尼方法。提出电容串电阻的无源阻尼方法和电容并电阻的阻尼方法，并对其谐波阻抗、谐振峰抑制效果和功率损耗进行研究。由于单环控制的稳定性差的问题，提出电容电流反馈的双环控制和逆变器电流反馈的双环控制的有源阻尼方法，并对电容电流反馈方式的双环控制器的参数进行设计。
　　针对蓄电池充放电特性，文中采用电压/电流外环的控制方法稳定直流侧电流/电压来实现恒流/恒压模式。为了提高电流环的稳态精度，提出重复控制和滞后一拍控制结合的双环控制方法，保证动态响应和稳态精度。仿真结果表明，复合控制方法比单环控制稳态性能和动态响应效果好。
　　最后，研制一台50KW的实验样机，在56800F8356控制器中进行软硬件设计。实验结果表明复合控制的正确性。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.1.1 蓄电池的广泛应用

1.1.2 电力电子装置的谐波污染

1.2 蓄电池充放电技术和充放电装置的研究现状

1.2.1 蓄电池充放电技术的研究现状

1.2.2 蓄电池充放电装置的研究现状

1.3 LCL滤波器的PWM变流器

1.4 本文主要内容

第二章 LCL滤波的三相PWM变流器的原理和数学模型

2.1 铅蓄电池充放电工作原理和充放电特性

2.2 基于LCL滤波的三相PWM变流器的原理

2.2.1 主电路拓扑选择

2.2.2 PWM变流器四象限运行原理

2.3 双向变流器的数学模型

2.4 本章小结

第三章 LCL滤波器的设计及阻尼方法的研究

3.1 LCL滤波器的频率特性和设计原则

3.1.1 LCL滤波器的频率特性

3.1.2 LCL滤波器参数设计

3.2 LCL滤波器电流反馈控制策略分析

3.2.1 反馈变流器侧电流的稳定性分析

3.2.2 反馈网侧电流控制稳定性分析

3.3 LCL滤波器的无源阻尼方法的研究

3.3.1 电容串联电阻方法的无源阻尼方法

3.3.2 电容并联电阻的无源阻尼方法

3.4 基于电流双环的有源阻尼方法

3.4.1 采用单环控制和电流双环控制的比较

3.4.2 基于电容电流反馈的电流双环控制

3.5 本章小结

第四章 双向交流器控制策略的研究

4.1 电压/电流外环控制

4.1.1 软启动过程

4.1.2 蓄电池的充放电控制方式

4.2 重复控制

4.2.1 重复控制原理

4.2.2 重复控制器的结构

4.2.3 重复控制器稳定性分析

4.2.4 重复控制器的设计

4.3 复合控制方法

4.3.1 PI控制器参数设计

4.3.2 双环控制器设计

4.3.3 双环控制器稳态性能

4.4 仿真结果

4.5 本章小结

第五章 蓄电池充放电装置的样机设计

5.1 装置的基本功能及技术要求

5.1.1 基本功能

5.1.2 技术要求

5.2 样机设计

5.2.1 控制芯片的选型

5.2.2 电源电路

5.2.3 调理电路

5.2.4 驱动电路设计

5.2.5 保护电路

5.3 系统软件设计

5.3.1 软件规划

5.3.2 软件流程

5.4 实验结果及分析

5.5 本章小结

第六章 工作总结和展望

6.1 本文研究工作总结

6.2 今后工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文