基于DSP的蓄电池充放电装置研究

1 引言

　　在蓄电池生产过程中，为了保证产品质量，常需对成品蓄电池进行几次充放电处理。传统充放电设备通常采用晶闸管作为整流逆变功率器件。装置比较复杂，交流输入、输出的功率因数较低。对电网的谐波污染也比较大。为此，设计了一种三相SPWM整流逆变蓄电池充放电装置。它采用IGBT作为功率变换器件。交流侧以精密锁相的正弦波电流实现电能变换。可获接近于1的功率因数，实现对蓄电池的充放电处理，显著降低了对电网的谐波污染，满足了绿色环保和节能的设计要求。

2 系统结构及工作原理

　　图1示出设计的蓄电池生产用充放电控制系统结构[1]。该系统从原理上可划分为SPWM双向逆变和DC／DC变换充放电两个子系统。前者，在蓄电池充电时，通过三相PFC升压控制实现AC／DC变换。将交流电网电压转换成蓄电池充电所需的直流电压；在蓄电池放电时，通过三相PFC恒压逆变控制实现DC／AC变换，将蓄电池释放的能量回馈电网。后者，完成逆变直流电能与蓄电池电能的转换，以保证蓄电池充放电过程中所要求的电流、电压和时间的控制。各子系统采用单独的DSP管理，DSP部分以模板化直插结构直接插入工控机的主板，工控机承担整个系统的监控管理。系统由1个逆变子系统和n个(实验样机设计为15个)充放电子系统组成。系统工作时，可通过工控机编组，使后路蓄电池工作于充电状态；n-k路工作于放电状态，这样蓄电池能量就可直接在系统内部进行交换，从而显著提高了节能效果。图2示出三相SPWM双向逆变电路采用的典型电压型结构主电路[2]。

　　三相反馈电流iuf，ivf，iwf用于跟踪由DSP产生的电流给定信号，从而控制直流端电压Ud的稳定；Ud的反馈电压Ut的值经DSP采样后通过电压调节得到作用于电流内环的电流给定值。

　　图3示出单相PWM整流电路的相量图[2]。虽然该系统采用的是三相PWM整流电路．但其工作原理与单相电路相似，只是从单相扩展到三相。对电路进行SPWM控制，在桥的交流输入端A，B，C可得到三相桥臂的SPWM电压uiu，uiv，uiw。对其各相按图3的相量图进行控制，就可使各相电流iu，iv，iw为正弦波。且与电压同相位，功率因数近似为1。

　　由此可知，控制uiu的大小和相位δ即可控制电流的大小和流向，从而控制功率的大小和方向。通过对Ud的恒压控制，实现逆变器的功率流向，从而实现能量的自动双向流动。

3 电压控制器的设计

　　图4示出AD／DC逆变控制框图。该系统采用电压、电流双闭环控制结构，其电压控制对象为直流量；电流控制对象为交流量。电压外环采用数字算法予以实现；电流内环采用模拟电路予以实现，以确保快速进行电流控制，提高系统工作的可靠性。同时，为了使误差电流与给定相位保持一致。电流调节器采用比例控制。

　　蓄电池充电时，输出电压Ud低于给定值Ud*，则电压调节器输出正的uc，输入电压Uin经过一个比例因子Ku后得到一个与Uin同相的单位正弦us，uc与us的乘积作为给定电流i*，与Uin同相，控制i跟随i*，则能量就以单位功率因数从电网流向蓄

电池。此时，变流器工作在整流状态。蓄电池放电时，Ud高于Ud*，则uc为负值，uc与us相乘得到与Uin反向的给定电流i*，控制i跟随i*，能量就能以单位功率因数从蓄电池流向电网。此时，变流器工作在逆变状态。电压外环产生输入给定电流i*，其幅值表明了功率的大小；符号决定了功率的流向；相位决定了能量传递的功率因数。电流内环使输入电流跟踪给定，从而实现可逆的单位功率因数变换。

　　系统采用TMS320LF2407A DSP作为主处理器，因其有丰富的外设和较高的运算速度。由此可实现较复杂的控制及高精度的数据处理。在此，通过对PI控制、IP控制和变速积分PI控制三种电压调节器算法的实验得出其优劣，从而选择最适合该系统的控制算法进行电压调节。

　　(1)PI控制算法和IP控制算法

　　图5a示出PI调节器结构图。由图可得其传递

　　比较式(5)和式(6)可见，两种系统的传递函数分母相同，故IP调节器可持有与PI相同的无静差调节和稳定特性，同时因它在传递函数上比PI少一个零点，因此具有比PI更好的高频衰减特性，容易满足较长采样周期数字调节的稳定性要求，能有效抑制混迭现象。系统实验证明，采用IP调节，调节器参数很容易整定。可使系统达到稳定、无静差和很小的超调。不过在快速性方面将有损失。

(2)变速积分PI控制算法[3]

　　在传统的PI算法中，因积分增益Ki为常数，在整个调节过程中，其值不变。但系统对积分的要求是偏差大时，积分作用减弱，否则会产生超调，甚至出现积分饱和；反之则加强，否则不能满足准确性的要求。引进变速积分PI控制算法能使控制性能得以满足。其基本思路是偏差大时，积分累积速度慢，积分作用弱；偏差小时，积分累积速度快，积分作用强。为此，设置系数f[E(k)]，它是偏差E(k)的函数，当E(k)增大时，f[E(k)]减小；反之则增大。每次采样后，用f[E(k)]乘E(k)，再进行累加。f[E(k)]与E(k)的关系可表示为：

　　在该系统中，采用简单的变速积分PI控制，取A=32，B=8，当误差大于40时，系统相当于采用纯比例调节，因此响应速度加快；当误差小于40并减小到8的过程中，积分作用开始并逐渐增强，响应过程快速平滑；当误差小于8时，完全引入积分作用，能快速有效地消除静差。该方法可有效抑制系统的超调，同时也可兼顾系统的响应速度。

4 实验结果

　　利用PI，IP和变速积分PI数字电压调节器的逆变子系统对该设计方案进行了大量实验。结果可见，采用变速积分PI数字电压调节器的综合性能优于前两种算法。图6示出采用PI调节、IP调节，以及变速积分PI调节时用100M-Tektronix TDS220存储示波器获取的一组直流母线电压Ud的实验对比波形。逆变器起动时Ud由150V升至200V。由图6可见。3种调节器在无静差调节方面的性能相同，而IP的上升时间明显大于另外两种算法；在抑制超调及高频噪声诱发振荡方面，变速积分PI法有着明显的优势，PI系统的起动超调超过20V，IP系统的超调不到10V，而变速积分PI系统则无超调。无振荡，能很快进入稳定状态：在抗干扰性能方面，变速积分PI系统也具有同样的特点。

5 结论

　　介绍的逆变器采用了直流母线电压的恒压数字调节，可方便地实现电网能量和蓄电池能量的双向流动，精密锁相的SPWM控制可获得接近于1的功率因数，理论分析和系统实验表明，在DSP控制采样周期等于交流电源周期的交流控制系统中，采用变速积分PI调节更易获得小超调、无振荡、无静差的控制性能指标。该设计系统可携带15路3A蓄电池组(每组12V蓄电池15节串联)进行充放电子系统工作，每路工作由工控机编程独立控制。通过对充电组和放电组的合理配置，可获得显著的节能效果。