基于PI控制的蓄电池核容充电管理_任瑞军.pdf

基于 控制的蓄电池核容充电管理任瑞军，路涛涛，孙小娣，管鑫，陈亚琼（国网甘肃省电力公司培训中心，甘肃 兰州 ）摘要：变电站内蓄电池监测与核容的关键问题是对蓄电池充放电，采集电气参数来判定电池的状态。蓄电池参数的非线性、离散性和滞后性使得常规的能量管理系统无法准确快速控制核容时的充放电，特别是现有的恒压充电方式容易造成过度充电，温度骤升。通过反馈比例积分（）控制，采用反馈电压模式控制和分段电流模式方法将电池电压、电流和温度保持在安全范围内的同时，提升核容工作效率，保护电池健康。仿真显示，控制反馈参数可较快使蓄电池达到最佳充电状态。关键词：蓄电池核容；分段充电；电压反馈；调节中图分类号：，（，）：，（），：；收稿日期：作者简介：任瑞军（），研究方向为电气设备故障分析及设备检修；路涛涛（），工学硕士，研究方向为电力电子技术应用；孙小娣（），研究方向为电气设备故障分析及设备检修；管鑫（），研究方向为变电运行；陈亚琼（），研究方向为电网调度自动化。引言蓄电池作为变电站的后备电源，平时良好的维护才能使其在紧急情况下正常发挥出应有的作用，因此变电站蓄电池的监测与核容成为工程人员维护的重点。蓄电池的监测与核容过程需要依靠充放电电路，特别是充电电路是非线性和滞后的回路，即反馈显示的数据会滞后于真实的数据，使用的控制电路往往无法恒温恒压地进行充放电，使得效率低下，甚至出现蓄电池过充和过放状态，造成不可逆的损害。准确控制蓄电池的充电参数可以缩短充电时间，提高电池的充电效率，延长使用寿命，降低成本，因此控制蓄电池充放电电路参数具有重要意义。传统的充放电管理已经在工程中有很多应用，特别是在蓄电池充电方面，恒流充电的模式在蓄电池的充电前期是可接受且健康的方式，但随着充电时间的增加，蓄电池电容量的饱和使得其无法再继续接受恒定电流充电的方式。阶段性的恒流充电则做出了一些分阶段的电流控制，有较好的提升效率和保护电路的功能。文献 提出使用浮充运行方式来保持电池的热备用状态，且通过蓄电池监测模块监测来避免该过程可能产生的过充、欠充问题，提升效率。文献 通过调节 电路占空比来控制发电与蓄电池的关系，提出预充电、最大功率充电、恒压充电阶段来保护蓄电池的充电状态。文献 基于光伏 的脉冲充电控制，提高太阳能效率的同时，在充电效率和电池保护方面也有一定工作量。文献 在脉宽调制技术加持下采用 电路设计温度补偿和小电流修复充电的三阶段控制充电方法。随着技术的进步，智能充电技术有所应用，文献 将粒子群算法运用在充电控制算法中，协调控制整个社区的蓄电池充电。文献 结合模糊推导的适应度评估器，找到在最短充电时间内提供最大放电容量的最佳多级充电模式，以正确评估充电问题中的多个性能特征指标。在上述开环方式充电中，耗时自动控制电工技术较长，这导致电池需要相当长的时间充电，也不考虑充电过程中的任何温度变化。在蓄电池的充放电过程中，控制调节充电电压、电流和温度反馈是提升核容效率的关键，因此引入闭环方案，分阶段调整电流来填补其他充电方法的不足，能有效提升充电效率，维护电池健康。控制调节反馈电压和分段电流充电方式是一种闭环充电方式，通过监测电池瞬时电压和温度变化来控制充电电流的幅值。本文采用的反馈 控制机制用于反馈电压模式控制和分段电流模式，分阶段控制注入电池的电流和压降，同时维持温度的恒定，可有效提高充电速率。控制模型 控制是较成熟的控制方式，应用于蓄电池充电参数控制，可消除静态误差，随比例积分反馈充电电压、电流和温度，该控制方法简单可靠。蓄电池的充电状态是非线性和滞后的，及时给系统反馈电压、电流、温度和容量，再根据现阶段状态调节注入电流和电压，就能极大地提升充电效率。参数框图如图所示，（）为输入信号，（）为输出信号，输入信号和输出信号的差值为（）。图 控制结构图由图可得（）表达式为：（）（）（）（）控制的表达式为：（）（）（）（）（）输入为给定的充电电流或充电电压，输出为蓄电池的充电电流或充电电压值，回路采用 控制方法，确保充电系统具有更好的稳定性和动态响应性能。影响电池充电效率和寿命的另一个重要因素是温度，能量管理系统中加入温度传感器实时反馈温度参数，有助于进一步调整电气参数。经实际测试，环境温度为 时，充电电流、充电电压与充电时间的关系如图所示，温度一定的条件下充电状态有多阶段的明显变换，因此分阶段的参数调整十分必要。图充电电压电流曲线 调节系统中，输出信号又作为反馈输入信号发送到，在误差可控的情况下，占空比很小。如图所示，当以 控制器的增益为单位时，控制器的输出作为信号赋值模块，以便其可以生成有效的占空比。若反馈电流控制模式的输出占空比超过，则难以避免在次谐波频率附近振荡，所以在电路设置了斜坡补偿。在发生器与 斜坡电路共同作用下，提前控制器的输出时间，再通过比较发生器和 斜坡电路的参数设置，来实现 中的电压控制。当控制电压大于设置的 斜坡值时，比较器能有较高的输出，因此为了实现 的占空比，要求控制电压应等于最高 斜坡的高度。图 控制分段电流电路对于要闭合的控制回路，该占空比作为输入反馈到同样由功率级组成的 传递函数模块。为计算输出电压，传递函数表示为：（）（）（）电路产生一个信号，该信号与电流比较器输入端施加的锯齿信号进行比较。在电流环路中，分段电流控制使用高增益运算放大器，为了获得最佳性能，可以通过补偿器调整内环即电流环的增益带宽。分段电流控制的交叉频率与恒流控制相同，但即使在较低的频率下，增益也非常高。分段电流控制不需要任何斜率补偿，电路的传递函数参数为：（）（）（）（）（）反馈电压模式控制，用固定斜坡的锯齿波和误差放大器的输出进行比较，所以当选择的斜坡越来越大时，变换器就越来越趋近电压模式控制；当斜坡补偿的幅度与电流信号幅度之比趋于无穷大时，就完全变成了电流模式控制。有别于恒压技术环路，交流回路的外环采用电压控制技术，通过比较参考输入电压和输出电压来计算误差。内环计算平均电感电流，然后将其与参考电流进行比较，以计算误差电流，随后由补偿器进行处理，计算极点频率，电工技术自动控制且。变换的参数表示为：（）（）调节器的域传递函数定义为：（）（）（）（）（）（）式中，为积分增益；为阻尼比；为采样时间段；为控制器的固有频率；为取决于高频控制器增益的参数。且，（），（）。为了使系统稳定，需要限制开关频率下的环路增益，控制电路中产生的振荡通过振荡器斜坡最小化，所以提供了高斜率补偿值。在单极系统的情况下，放大电感电流的下降斜率不应超过比较器输入端的振荡器斜坡斜率，这会产生最高的交叉频率，影响电流环路增益。仿真试验调用 仿真模块，包含温度传感反馈、控制、电池模拟模块。使用功能块中的温度传感器，根据蓄电池电压定义了温升极限，限定温度在 ，避免功率增加带来的高温造成蓄电池损坏。控制器在前馈项域中寻找可能的解，以便将电池单元温度保持在设定值。如果模型中未使用前馈项，且控制器增益设置得非常高，那么高增益将无法处于有效区间。为了避免传感器数据有噪声，更高的增益值无效或不适用而使用了前馈项，充电时反馈电压将以脉冲的形式输出，如图所示。图 调节反馈电压图输出的电压脉冲信号趋于平稳，前期充电状态，电压调节较少；中期和后期随着饱和度的增加，调节频率增大。从理想情况出发，分阶段越多，曲线越平滑，控制效果越好，但在工程上一般不使用过于精细的控制于蓄电池充电，因此在仿真时电流被分为四阶段仿真，如图所示。图 分段调节电流电压图得益于温度反馈，较为恒定且适宜的温度使得分阶段电流有了可行空间。仿真了四阶段充电方法，在充电过程中，记录每个阶段的持续时间。当测得的电压达到阈值 时，充电过程将切换到下一阶段，产生新的充电电流。充电一直持续到第四阶段的充电过程结束。电池的充电状态逐渐饱和，电流的幅值也在每个阶段逐渐降低，到即将充满 的 第 四 阶 段 时，电 流 幅 值 降 到 最 低，以 涓 流 模 式工作。传统开环控制充放电输出与 控制优化后的输出对比如图所示。图 受控对象效果对比图蓄电池充电仿真输出曲线表明，在 控制下，蓄电池最佳充电状态到来的时间明显早于传统控制，反馈电压和分段电流能达到较好的控制效果。结语本文采用 控制机制用于反馈电压模式控制和分段电流模式，分阶段控制注入电池的电流和压降的方法，来改善传统能量管理系统对变电站蓄电池核容时充电过程存在的过度充电、效率不高、温度骤升等问题，同时可有效提高充电速率；建立了 控制蓄电池充电模型，分析了各参数的关联量。最后的仿真试验表明，反馈的电压信号以脉冲的形式作用于充电输出模块输出占空比来控制蓄电池的充电状态，同时接受温度传感器的反馈数据，分四阶段注入不同幅值的电流，蓄电池达到最佳充电状态的时间较传统充电方式早，有效提升了核容的效率。参考文献 马艳，吴航，周亚，等 能量回馈型变电站蓄电池组活化系统 电器与能效管理技术，（）：孙春虎，方愿捷 一种新颖的蓄电池组均衡充电装置设计 蚌埠学院学报，（）：任罡，季宁，胡晓丽，等基于和 的仿真变电站蓄电池剩余寿命预测 电源学报：尹强，庞浩，甘江华，等 超级电容器分段充电控制策略研究 控制与信息技术，（）：（下转第页）自动控制电工技术 ，（）加速起动、减速停车级数节拍控制。，（）加速起动、减速停车级数节拍控制。，（）加速起动 参数计算及传递。，（）减速停车 参数计算及传递。，（）执行 指令做加、减速和目标速度的运行。结语通过对基于西门子 系列 运动向导编制运动控制程序方法的探讨，本文给出了采用 指令控制步进电机的应用例程序。该应用例程序能够通过 实时修改运行参数，为高速脉冲编程提供一种编程思路和解决方案。在此应用例程序基础上，可方便地派生出多段速步进电机运行控制程序。参考文献 王愈凌 指令及其在步进电机控制系统中的应用机电信息，（）：杨友进，王卓君基于 的步进电机控制研究电工技术，（）：王雁博基于 的步进电机控制系统设计西安文理学院学报（自然科学版），（）：赵庆龙基于 步进电机运动控制系统设计电子技术与软件工程，（）：姜雷杰，邹兵兵，董少伟基于 实现步进电机的驱动控制电子世界，（）：（上接第页）宋涛智能变电站蓄电池状态监测系统的研究科技与创新，（）：王世明，董超基于潮流发电与蓄电池充电控制相结合的最大功率跟踪研究制造业自动化，（）：易磊，黄启元，李嘉泽，等基于 的光伏蓄电池脉冲充电技术研究电源技术，（）：杨金峰，苟利鹏，安二亮，等 一款新型三阶段铅酸蓄电池充电器的设计电子世界，（）：，：，（）：张兴，汪杨俊，余畅舟，等 采用 重复控制的并网逆变器控制耦合机理及其抑制策略 中国电机工程学报，（）：电工技术自动控制