1 引言
近年来，蓄电池在大功率UPS、电力操作系统及通讯系统中的应用越来越广泛。为了延长电池寿命和提高供电质量，必须通过定期放电来消除极化效应[1]。传统的对蓄电池的放电一般采用电阻放电和晶闸管有源逆变充放电装置，电阻放电体积庞大，而且造成能源的极大浪费。晶闸管有源逆变充放电装置控制复杂，可靠性差，功率因数低、对电网污染严重。
三相电压型：PWM变换器具有可实现单位功率因数、能量双向流动等特性，是当今的电力电子的研究热点[2-6]。将三相电压型PWM变换器用做蓄电池充放电的拓扑结构，既可用于蓄电池的充电，又可用于蓄电池的放电，还可作为回馈型负载使用；交流侧功率因数为1或-1，大大减少了对电网的谐波污染；放电能量几乎全部回馈到电网，减少了能源浪费。
2 电压型三相PWM变换器模型
图1是三相电压型PWM变换器电路拓扑，(a)为整流工作状态，(b)为逆变工作状态。其中um(m=a，b，c)是交流侧电源相电压，im(m=a，b，c)是交流侧电源相电流，Rs是回路电阻，Ls是升压电感，Cs是直流侧滤波电容，Udc是直流母线电压，R是直流侧等效负载电阻，Io是输出直流电流。E为逆变工作时直流侧等效电动势，RL为直流侧电动势内阻及线路等效电阻。
由图1得：PWM变换器交流侧的低频方程为：
(1)
式中ucm(m=a，b，c)为变换器调制信号。
三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的变换矩阵为：
(2)
通过坐标变换，得PWM变换电路在两相同步旋转坐标系下的数学模型为：
(3)
式中ud、uq表示三相电网电压合成矢量的d轴和q轴分量；id、iq表示三相电流合成矢量的d轴和q轴分量；urd、urq表示变换器交流输入端基波相电压合成矢量的d轴和q轴分量。将d轴定向于a轴旋转ωt的电角度后的矢量方向上，q轴与之垂直，且超前d轴90°，如图2所示，当三相电量对称时，ud为幅值Um的直流量，uq为0。当三相电压和电流相位一致，即单位功率因数运行的情况下，id为幅值Im的直流量（整流运行时，id为正，逆变运行时，id为负），iq为0。通过坐标变换，可以将三相静止坐标系下时变的交流量变换为同步旋转坐标系下恒定的直流量，从而简化系统描述和分析。[page]
3 充放电工作模式分析
变换器单相等效电路及其向量图如图3所示。
PWM变换器交流输入端电压(即变换器桥臂中点对三相电网中点O的电位)基波分量可表示为：
urm=Urmcos(ωt-ξ) (4)
式中Urm(m=a，b，c)为变换器前端电压的基波幅值，ξ是urm滞后于um的电角度，图3(b)中ULS为升压电感两端电压幅值。忽略交流侧回路电阻Rs，得到变换器平均输入功率[3]
(5)
由式(5)可知，控制urm的大小和相位ξ就可以控制电流的大小和流向，从而控制功率的大小和流向。当ξ>0时，um和im同向，能量从交流侧流向直流侧，变换器工作在整流模式，蓄电池充电；当ξ<0时，um和im反向，能量从直流侧流向交流侧，变换器工作在逆变模式，蓄电池向电网放电。其矢量图如图4所示。
4 变换器控制原理
本文采用基于d-q坐标系的矢量控制方法。在dq同步旋转坐标系下，被控制量由交流量变为直流量，可以消除电流稳态跟踪误差，同时可以很方便的引入电流状态反馈，实现dq轴电流的解耦控制。控制器采用电流内环与电压外环的双闭环控制结构，控制原理图如图5所示，电压外环稳定直流侧电压(整流运行)，电流内环控制交流侧输入电流跟踪正弦输入电压(整流与逆变运行)。图5中GV(s)表示电压控制器，GC(s)表示电流控制器。电压控制器的输出作为d轴电流给定值，同时控制滞后角ξ，从而控制功率流向及大小；当系统工作在单位功率因数时，q轴电流给定iq*=0；d、q轴的给定与反馈比较后送入电流控制器进行解耦控制，然后将电流控制器的输出进行空间矢量调制产生PWM驱动波形。
在进行电压外环设计时，将电流内环已实现完全跟踪，近似等效为“1”。电压环设计为PI调节器，其传递函数为[6]：
GV(s)=ma(1+TpS)/KTZS (6)
式中Tp=0.5RCs，TZ=Ls/Rs，K=3RUm/4Udc。
由(6)式可写出PI调节器中的P、I参数为：
(7)
当输入电压与输出负载在波动范围内时，电压环应能调节输出电压使其稳定于规定值，但电压外环的调节速度也不能太快，否则正常的输出电压波动也会导致输入电流畸变，因此电压环的设计应折衷考虑。为了保证电压环的带宽远低于电流跟踪控制环的带宽，以实现电流的完全跟踪，一般取电压环的开环带宽小于开关频率的1/5，根据式(7)确定电压PI环的Kpv和Ki。
电压控制器通过对Udc的恒压控制实现变换器的功率流向。整流运行时，负载从变换器抽取能量，Udc有下降的趋势，控制器在电压环的恒压调节作用下，自动改变urm的大小和相位ξ，形成与电源电压同相的电流im，从电网获得能量补充，维持Udc不变；逆变运行时，直流侧电源向变换器注入能量，使Udc有升高的趋势，控制器同样将通过电压环的调节自动改变urm的大小和相位ξ，形成与电源电压反相的电流im，将注入的能量回馈电网，维持Udc不变，从而自动实现能量的双向流动。
5 实验结果与分析
实验样机主要参数：Ls=7.8mH，Cs=1880μF，交流侧相电压幅值Um=110V，直流侧母线电压Udc=360V，外加电动势E=365V(逆变)，整流输出功率Po=1kW，开关频率fs=20kHz。利用TMS320F2808数字信号处理器，构建采样、计算、分析、控制电路，并采用SVPWM调制方式实现数字化控制。图6是整流运行时A相电压及电流波形，图7是逆变运行时A相电压及电流波形。从实验结果可以看出，实现了单位功率因数下的整流与逆变运行。
6 结语
本文通过电压调节器控制控制功率流向，使其实现了单位功率因数下的整流和有源逆变双向运行，并且可以根据直流侧母线电压在整流和逆变状态之间自动平滑的切换，从而将直流侧的能量回馈电网，减少能源浪费，在大功率UPS、电力操作系统及通讯系统中的蓄电池充放电装置中有重要的应用价值。
