有源逆变在蓄电池放电中的应用

在国家推进节能减排和绿色制造大背景下，节能减排成为各行各业提及频率最高的词汇。电力行业作为耗能与排污的重点领域，面临着巨大的环保压力，其转换效率的高低和污染控制的好坏，对资源和环境都产生重要影响。有源逆变将直流电能转变为交流电能并反馈回电网中，实现了能源的回收和再利用，在建设节约型社会的背景下得到了广泛的应用。可用于电力、通信、铁路系统等蓄电池组放电试验或活化电池，可以作为高频开关电源厂的有源电子负载，用于调试电力系统、通讯系统及其它行业的相控式直流稳压电源或高频开关式直流稳压电源等。

2、有源逆变的原理

逆变可分为有源逆变和无源逆变，其区别在于有源逆变的交流侧接在电网上，将逆变的能量直接回馈到电网中，而无源逆变的交流侧接交流负载，将直流电能变换为某一频率或可调频率的交流电能供给负载。 下面通过单相全波变流电路对有源逆变的原理进行分析。

图 1  单相全波变流电路
(a)交流电网输出电功率      (b)直流电机输出电功率

　　图 a 中全波电路工作在整流状态，电动机运行，控制角 α 在0~π/2之间，由于Ud=U2 cosα，Ud 为正，且Ud > ED，才能输出 Id ,改变 α 大小可改变 Ud 大小。可看出整流过程中电路平均功率的流向是从交流电源流向直流负载。
　　当α=π/2时，电路处于中间状态，变流器输出电压波形中，正、负面积相等，电压平均值 Ud 为零，  电动机停转。此时，虽然 Ud 为零，但仍然有微小的直流电流存在，波形如图二(b)所示。此时变流电路处于动态平衡状态，与电路切断电机停转具有本质的不同。图 b 中直流电机回馈制动，因晶闸管单向导电性，Id 方向不变，欲改变电能输送方向，只能改变 ED极性。为防止两电动势顺向串联，Ud 极性也须为负值，且|ED|>|Ud|，才能把电能从直流侧送交流侧，实现逆变。如果变流器仍工作在 α＜π/2的整流状态，从上面曾分析过的电源能量流转关系不难看出，此时将发生电源间类似短路的情况。为此，只能让变流器工作在 α＞π/2的状态，因为当 α＞π/2时，其输出直流平均电压Ud 为负。此时电动机为发电状态，逆变过程中平均能量的流向是从直流侧流向交流侧。
　　以上单相全波变流器的三种工作状态波形如图 2 所示，随着控制角α 的变化电路从整流状态进行中间状态最后进入有源逆变状态。

图 2  单相全波变流电路的电压电流波形

(a)整流 (b)中间状态 (c)逆变

3、有源逆变的条件

上述可以看出，实现有源逆变必须满足两个条件：a)在变流器的直流侧必须有一个极性与晶闸管导通方向一致的直流电势，并且它的值应大于变流器直流侧平均电压。b)变流器中晶闸管的控制角α＞π/2，才能使 Ud 为负值，实现能量从直流向交流的逆变。需要注意的是，半控桥整流电路或者带有续流二极管的可控整流电路，在任何情况下Ud 均不可能为负电压，不满足逆变条件，所以不能实现有源逆变。

4、逆变失败与原因分析

在逆变运行时，一旦晶闸管发生换流失败，使整流电路由逆变工作状态进入整流工作状态，Ud 又重新变成正值，使输出平均电压和直流电势变成顺向串联，外接的直流电源通过晶闸管电路形成短路，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。

逆变失败主要有以下几点原因：

（1）触发电路的故障，如触发脉冲丢失、延时以及触发的功率不足等原因都会造成晶闸管触发的失误，导致换流失败。

（2）晶闸管的故障，除对触发电路需要高稳定性外，对晶闸管本身也要严格按照设计参数进行规格的选型，并保证质量。

（3）交流电源的故障，从上述直流侧电压、电流的计算公式可看出如果交流侧断电，或降低过大，会造成直流侧输出电压突降，造成电流过大。

（4）逆变角 β 过小，即换相裕量角不足，忽略了晶闸管的关断时间。

5、有源逆变在蓄电池放电中的应用

电力、通信行业直流系统中的铅酸蓄电池，其每组容量均在 100~3000Ah 左右，在进行检修维护时，通常是采用电阻放电，其原理是直接将电能转化为热能消耗掉，这种方式虽然简单，但会产生过大的温升，影响蓄电池检测，同时也是对能量的巨大浪费。利用相控有源逆变的原理进行放电，可将电能高效率的回馈入电网中，也消除了放电时温升过高伴随的缺陷。

图 3 为湖北万洲电气集团有限公司 WDY 系列产品主回路电气图，该产品主要用于蓄电池的化成生产、蓄电池充放电等场所。主回路工作原理为： KM1闭合，控制角 α 在 0~π/2之间时电路工作在整流状态，为铅酸蓄电池充电；KM2 闭合，控制角α 在 π/2~π之间时电路工作在逆变状态，为铅酸蓄电池放电， 将电池的直流电能逆变为交流电能回馈至电网中，大大减少了蓄电池生产中电能的使用。

该产品针对导致逆变颠覆的各种原因进行了全面而独到的设计：1）选用优质稳定的晶闸管，经过严格的老化实验，保证器件的可靠性和稳定性；2）采用专用数字芯片从硬件产生触发脉冲提高脉冲触发电路的稳定性；3）交流侧电源出现故障时，设备能自动断开充放电接触器，即断开直流侧电池组与晶闸管的连接，防止直流侧电流过大对设备和电池组造成损害；4）实际测量电路中电流重叠角和器件开关时间，准确计算最小逆变角并通过硬件对逆变角进行限制使其始终大于最小逆变角，确保换流正常。通过以上措施已完全保证了逆变的稳定性，防止换流失败对设备的损害甚至对工作现场带来的危险。然为防止意外事件的发生该设备直流侧仍设计了快熔，实际的使用情况也验证了该设备长期运行的稳定性。 该电路输入直流平均电压Ud=-2.34 U2 cosβ，U2 为变压器 TM 次级电压有效值，逆变角 β=π-α。输出的平均电流为Id =，U为蓄电池组电压，R为电路直流侧总电阻值。

6、结束语
　　在有源逆变电路的设计中逆变角的选取是至关重要的，选取过小易造成逆变失败，通常需要根据电路中电流重叠角以及器件开关时间等参数计算出能够正常换流的最小逆变角，依此对触发脉冲进行限制。此外，为保证有源逆变电路的稳定性，需要采用可靠的晶闸管和稳定的触发电路，同时在直流侧增加快速熔断器或快速开关也是必不可少的。