摘要：为适应储能电池的应用场合，设计了一种适用于并网的新型充放电机。采用AC／DC，DC／DC的两级结构，采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术实现逆变与整流，在DC／DC变换侧采用二重化形式，在提高最大充放电功率的同时，有效抑制了直流纹波。实验结果表明装置在直流侧与交流侧均得到较为理想的波形。
关键词：储能电池；充放电机；二重化
1 引言
随着电池技术进步和电力电子器件性能提升，如何利用电池储能技术成为新能源领域的重要议题。充放电机作为储能电池的核心设备在电池能与电能的相互转化中起决定作用。目前最常见的较大功率充电设备多采用三相相控或不控整流方式，这会给电网带来大量低次谐波，严重污染供电电网。且电池充、放电大多采用两套独立装置，不仅浪费了资源．也极大增加了运行和维护费用。
为解决目前充放电设备普遍存在的问题，在此介绍了一种储能电池用充放电机，采用并网逆变与整流的双向结构，集充、放电于一体。该设备采用SVPWM技术和DC／DC二重化结构，在增加一路升降压电路结构的情况下，成倍提高直流输入输出功率，大幅削弱直流纹波。
2 工作原理
图1为充放电机主拓扑结构图。系统通过变压器与电网相连，再通过软启动电路、LCL滤波器和三相桥式IGBT模块相连，最后通过二重化直流升降压电路接电池。电池与网侧能量可进行双向流动。充电时，三相交流电经变压器降压、LCL滤波器滤波，再经SVPWM整流和Buck变换给电池充电；放电时，电池经Boost电路和SVPWM逆变、LCL滤波器滤波，最后经由变压器将能量回馈电网。为分析方便，将二重化直流升降压电路称为直流侧，其余部分称作交流侧，两者分开讨论。
3 系统实现
3．1 充放电机中的交流控制算法实现
为方便分析，简化变流结构，如图2所示。
式中：ud，uq为三相电网电压合成矢量的d，q轴分量；id，iq为三相电流合成矢量的d，q轴分量，由软件锁相和三相电流坐标变换得到；urd，urq为三相空间矢量交流侧电压的d，q轴分量，由PI环输出。
经上述理论分析后建立如图3所示整流与逆变模型框图。
由图可知，整流与逆变具有相同的控制过程。只要将控制直流母线电压Udc的PI环的输出idref限定在正值范围，则交流电流会从电网流向直流母线，反之直流侧电能就会流向电网。通常情况下，q轴PI控制的目标参数给定值iqref=0，这使得充放电机运行在功率因数为1的状态下。但在逆变情况下，若将iqref设定为有效的正值或负值，则充放电机将会向交流侧发出电流超前或滞后电压的无功，根据需要调节电网侧的电能质量。
3．2 充电机中的直流控制的实现
充放电机的直流侧主电路结构由两对IGBT、两只储能电感L1，L2和滤波电容C组成。该电路采用二重化结构。效果图如图4所示，两路直流输出合成后得到纹波更小的输出电流，同时使充放电电流与功率都得到成倍提高。
充电时，两对IGBT的下管关断，通过对充电电流与电压的双闭环控制输出上管导通的占空比，实现Buck控制，将高频整流后的母线电压降低后给电池充电；放电时，两对IGBT的上管关断，通过对放电电流与电压的双闭环控制输出下管导通的占空比，实现Boost控制，使电池对电网放电。升降压控制采用双闭环结构，外环是电压环，内环是电流环，电压环的输出作为电流环的基准值。设计时要求内环响应速度比外环快，这样整个结构在该控制策略下具有较大的系统增益及快速的电流跟随性能，从而使系统获得很好的动态性能和抗干扰能力。
3．3 系统充放电实现
交流侧经SVPWM后发出6路PWM驱动维持Udc稳定，电池充电时母线上的电能经过双闭环PI控制降压，得到目标充电电流与电压；放电时电池侧经过双闭环控制升压，得到目标放电电流与电压。需要说明的是，交流侧工作状态(整流或逆变)完全不受自身算法控制，它与直流侧电池状态(放电或充电)有关，可认为此时交流侧为电池与电网能量交换的媒介，能量流动完全由电池的充放电方向决定，实现过程如图5所示。
4 实验
图6为充放电机实验运行结果。可见，图6a中高频整流的波形平滑，无明显畸变，功率因数近似为1；图6b中纹波电流较大；图6c中电流纹波明显小于各桥臂单独工作时的情形；图6d中交流侧电流正弦度较好，Udc平稳，电池侧控制电流稳定、无明显纹波波动。
5 结论
介绍了储能电池用充放电机的拓扑结构和工作原理，对交流侧高频整流与逆变过程作了理论描述，并针对蓄电池充放电要求对升降压电路进行二重化，该方法极大削弱了直流纹波，并成倍提升了充放电电流与功率。由充放电装置的实验结果可见，设计的储能电池用充放电机能成功并网运行，并能实现电池与电网两侧能量的双向流动，交流侧电流正弦度良好，功率因数近似为1，直流电流稳定、纹波小。