趙錦成，解璞，劉金寧，劉偉

（軍械工程學(xué)院電力工程教研室，河北 石家莊 050003）

供電系統(tǒng)的作戰(zhàn)任務(wù)是在野戰(zhàn)條件下向武器裝備提供連續(xù)安全、可靠、有效的電能。作為武器裝備的能量保障，系統(tǒng)任何短暫的中斷，都可能導(dǎo)致不堪設(shè)想的嚴(yán)重后果，因此能量形式的多樣化與武器系統(tǒng)用電特性相匹配并可掌控的供電直接影響武器裝備的可靠性、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性和生存能力。

目前我軍武器裝備野戰(zhàn)條件下多采用內(nèi)燃動(dòng)力發(fā)電機(jī)供電，存在以下不足：

1）油料保障壓力大[1]。當(dāng)前我軍油料保障情況不容樂觀，戰(zhàn)時(shí)或重大自然災(zāi)害，油料供應(yīng)無法有力掌控。平時(shí)對(duì)位于交通運(yùn)輸不便的高山、海島來說油料的儲(chǔ)運(yùn)成本高。

2）戰(zhàn)場(chǎng)安全性低。內(nèi)燃動(dòng)力發(fā)電機(jī)排放大量高溫有害煙氣體且噪音高，極易被中遠(yuǎn)紅外和聲探測(cè)裝置探測(cè)到而暴露武器裝備準(zhǔn)確位置[2]，其自身具有難以克服的強(qiáng)目標(biāo)特征信號(hào)（噪聲、紅外輻射、電磁輻射等）、弱目標(biāo)隱身能力的安全缺陷。

3）制約軍事意圖的實(shí)現(xiàn)。對(duì)石油的過度依賴和存在的安全隱患成為軍事意圖實(shí)現(xiàn)的制約因素，武器裝備的戰(zhàn)斗力將無法發(fā)揮，甚至成為一堆廢鐵。無論從國家安全，還是軍事與經(jīng)濟(jì)角度，目前我軍過度依賴石油的武器裝備供電保障系統(tǒng)的現(xiàn)狀，已無法滿足部隊(duì)?wèi)?yīng)對(duì)多種威脅、完成多樣化任務(wù)的需要。

針對(duì)目前我軍裝備供電保障系統(tǒng)存在油料保障壓力大、戰(zhàn)場(chǎng)安全性低、制約軍事意圖實(shí)現(xiàn)等不足，必須尋求更加適合的新型能源，使裝備供電系統(tǒng)的能源形式多樣化。因此，發(fā)展與裝備特點(diǎn)相匹配的供電保障系統(tǒng)，研究適應(yīng)于裝備作戰(zhàn)需要的可靠性高、隱蔽性好的新型混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)已成為當(dāng)務(wù)之急。

1 混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)

混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)中能源互補(bǔ)體現(xiàn)在2方面，一方面是傳統(tǒng)能源和可再生能源的互補(bǔ)，另一方面是可再生能源之間的互補(bǔ)利用。在可再生能源當(dāng)中，太陽能和風(fēng)能是目前應(yīng)用比較廣泛的2種可再生能源，也是目前全球在新能源利用方面技術(shù)最成熟、最具規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化的行業(yè)。

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)整合了太陽能和風(fēng)能優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了風(fēng)能供電或太陽能供電的單一性，將是21世紀(jì)能源結(jié)構(gòu)中一個(gè)新的增長點(diǎn)[3-5]。但由于裝備對(duì)供電保障系統(tǒng)的要求是可靠、高效、持續(xù)工作時(shí)間長、性能穩(wěn)定并能滿足裝備自身的用電特性，并隨著武器裝備的信息化、智能化的發(fā)展，武器裝備對(duì)供電容量要求越來越大，供電質(zhì)量要求越來越高。太陽能和風(fēng)能發(fā)電具有很大的隨機(jī)性和不確定性，單純的風(fēng)光互補(bǔ)供電很難滿足裝備供電保障的可靠性和持續(xù)性，將其應(yīng)用于裝備供電保障系統(tǒng)時(shí)仍然要依賴傳統(tǒng)能源的補(bǔ)充，需裝備一定容量的柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。

風(fēng)-光-柴-蓄混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)作為一種新型集成能源裝備，典型的風(fēng)-光-柴-蓄混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其突出特點(diǎn)在于將新能源發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)能源發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)固定站點(diǎn)的風(fēng)光資源條件，利用太陽能、風(fēng)能電源作為供電電源，與柴電、蓄電等多種能源形式互聯(lián)形成混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)，替代或者補(bǔ)充蓄電和柴電所提供的電力，減少戰(zhàn)時(shí)對(duì)石油資源和國家電網(wǎng)的依賴，具有無污染、無噪聲、節(jié)省柴油燃油消耗、減少物資供給、減輕運(yùn)輸壓力、保障安全供電、延長供電時(shí)間、節(jié)約軍事經(jīng)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，從而緩解油料后勤保障壓力，并提高裝備供電系統(tǒng)的安全性、可靠性和連續(xù)性。

圖1 混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)組成

2 混合能源互補(bǔ)供電應(yīng)用研究現(xiàn)狀

2.1 民用方面

國外在新能源領(lǐng)域的研究主要集中于大型并網(wǎng)發(fā)電場(chǎng)及單獨(dú)風(fēng)力發(fā)電、單獨(dú)太陽能光伏發(fā)電的控制，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電方面的研究比較少。國內(nèi)進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)研究的大學(xué)主要有中科院電工研究所、內(nèi)蒙古大學(xué)、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等。當(dāng)前，國內(nèi)外對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的研究大多集中于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的優(yōu)化設(shè)計(jì)、底層發(fā)電裝置研制及控制、蓄能設(shè)備的配置、系統(tǒng)仿真等。

風(fēng)/光互補(bǔ)發(fā)電作為一種清潔的、可再生的新型能源，受到我國和世界其他許多國家的重視，并進(jìn)行了大量的相關(guān)研究。

文獻(xiàn)[6]提出了采用迭代技術(shù)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定風(fēng)光蓄的最佳容量組合。

文獻(xiàn)[7]開發(fā)了用來配置風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電場(chǎng)發(fā)電裝置單機(jī)容量與數(shù)量的計(jì)算機(jī)程序。

文獻(xiàn)[8]用遺傳算法對(duì)發(fā)電裝置的容量進(jìn)行優(yōu)化配置，指出風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電比單獨(dú)風(fēng)力發(fā)電或單獨(dú)光伏發(fā)電更經(jīng)濟(jì)有效。

國內(nèi)各科研單位主要在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化匹配計(jì)算、系統(tǒng)控制等方面進(jìn)行研究。目前，中科院電工研究所的生物遺傳算法的優(yōu)化匹配和內(nèi)蒙古大學(xué)新能源研究中心所推出來的小型戶用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)匹配的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，都在匹配計(jì)算方面有著領(lǐng)先的地位。而合肥工業(yè)大學(xué)智能控制在互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用也處于前沿水平。

文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一套風(fēng)光混合發(fā)電系統(tǒng)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約了一次性投資費(fèi)用。

文獻(xiàn)[10]研制開發(fā)了一種新型實(shí)用的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，并用統(tǒng)一滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)現(xiàn)了發(fā)電系統(tǒng)的快速電壓調(diào)節(jié)、諧波抑制、功率因數(shù)補(bǔ)償和非線性負(fù)荷的三相平衡。

文獻(xiàn)[11]給出了一套利用CAD對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，并用設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

文獻(xiàn)[12-13]提出一種基于分級(jí)模糊算法的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電場(chǎng)的能量管理控制系統(tǒng)，并作了一定的研究。

通過以上分析，當(dāng)前我國對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在風(fēng)光互補(bǔ)路燈、風(fēng)光互補(bǔ)庭院燈、送電到鄉(xiāng)、照明示范工程及建筑等民用領(lǐng)域。并在互補(bǔ)發(fā)電場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、底層發(fā)電裝置研制及控制、蓄能設(shè)備的配置、系統(tǒng)仿真等方面開展了大量的研究[14-16]，風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)技術(shù)已相對(duì)成熟、并已具有規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化。

2.2 軍事方面

目前軍隊(duì)新能源的開發(fā)與利用正逐步推廣，風(fēng)能太陽能的利用率顯著提高，很多新能源技術(shù)已經(jīng)投身到軍事行動(dòng)中。近年美國的風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、垃圾發(fā)電等都得到很大發(fā)展。預(yù)計(jì)10 a后，新型能源方面取得的進(jìn)步可提高美軍裝備的速度、射程和持續(xù)作戰(zhàn)能力；一些軍用無線電、手持GPS接收機(jī)等裝備已經(jīng)開始采用太陽能電池，這些電池非常適合小分隊(duì)在野外和遠(yuǎn)離充電設(shè)備的地方使用；另外美國及英國的公司還在研制可用于偵察、監(jiān)視以及通信中繼的太陽能無人機(jī)，英國公司研制的“西風(fēng)”無人機(jī)創(chuàng)造了連續(xù)飛行54 h的記錄。

我軍已于近期研制成功軍用野戰(zhàn)太陽能電源車（見圖2）及單兵太陽能通訊電臺(tái)（見圖3）等新式裝備。在邊遠(yuǎn)地區(qū)的哨所、海島雷達(dá)站等已部分運(yùn)用新能源進(jìn)行供電，一定程度上緩解了我軍對(duì)油料需求的壓力。

圖2 野戰(zhàn)太陽能電源車

3 混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)計(jì)算配置

在保證系統(tǒng)供電具有較高可靠性的前提下，充分利用當(dāng)?shù)仫L(fēng)光資源的產(chǎn)生規(guī)律，合理搭配太陽能和風(fēng)能利用比例，為確保對(duì)武器裝備供電的可靠性，混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)應(yīng)以當(dāng)?shù)仫L(fēng)、光能量較差的季節(jié)為設(shè)計(jì)依據(jù)，使系統(tǒng)趨近于以風(fēng)-光交替供電為主、蓄電池補(bǔ)充供電為輔的最佳工作狀態(tài)[17]。

圖3 單兵太陽能通訊電臺(tái)

3.1 設(shè)計(jì)步驟

1）查閱當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，了解其風(fēng)光資源的發(fā)生規(guī)律，確定每日有效日照時(shí)數(shù)、風(fēng)能利用率及風(fēng)光搭配比率，依據(jù)氣象情況確定系統(tǒng)最大持續(xù)供電時(shí)間和系統(tǒng)補(bǔ)足蓄電池的最大能耗時(shí)間。

2）按照太陽能和風(fēng)能計(jì)算公式，確定太陽能電池、風(fēng)機(jī)和蓄電池容量，依據(jù)氣象情況，選擇合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能、風(fēng)能控制設(shè)備，確定太陽能電池安裝模式。

3.1.1 太陽能電源配置

太陽能電源配置按式（1）計(jì)算

式中，S為太陽能電池功率；J為氣候指數(shù)（根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚨ǎ话阍?～1.45之間）；U為系統(tǒng)輸出電壓；I為負(fù)載電流；T為蓄電池持續(xù)供電時(shí)間；N為要求補(bǔ)足蓄電池極限能耗時(shí)間；H為當(dāng)?shù)厝掌骄行照諘r(shí)間；籽為控制系統(tǒng)效率。

3.1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)配置

風(fēng)能利用率與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能和安裝環(huán)境有關(guān)。不同廠家不同型號(hào)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其額定風(fēng)速、工作風(fēng)速范圍和工作特性曲線各不一樣。

從實(shí)際計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)的配置是采用一種概算模式，按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率伊24 h伊（13%～18%）的風(fēng)能系數(shù)，確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)每天發(fā)出的電能W，kW·h；W=24伊P伊（13%～18%），式中，P是風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率。

3.1.3 蓄電池組計(jì)算

蓄電池起著存儲(chǔ)電能的關(guān)鍵作用。蓄電池組的最大持續(xù)供電時(shí)間，就是整個(gè)電源系統(tǒng)的最大持續(xù)供電時(shí)間。蓄電池組最大持續(xù)供電時(shí)間的選定，需要參考當(dāng)?shù)剡B續(xù)無風(fēng)陰雨天天數(shù)和通訊設(shè)備的重要等級(jí)。此值選擇太小，系統(tǒng)供電可靠性會(huì)降低；選擇太大，系統(tǒng)造價(jià)會(huì)過高。

降低蓄電池組的持續(xù)供電時(shí)間，雖可降低電源系統(tǒng)的整體建設(shè)成本，但蓄電池持續(xù)供電時(shí)間選擇偏小，卻會(huì)使蓄電池組充放電相對(duì)頻繁，從而降低了系統(tǒng)工作可靠性和蓄電池組使用壽命，增加了系統(tǒng)使用維護(hù)成本。

蓄電池組容量計(jì)算公式為

式中,Q為蓄電池容量；K為保險(xiǎn)系數(shù) (一般在取1～1.25)；I為負(fù)載電流；T為蓄電池最大持續(xù)供電時(shí)間(依當(dāng)?shù)剡B陰天而定)；濁為蓄電池容量系數(shù)；t為環(huán)境溫度(依當(dāng)?shù)刈铋L低溫時(shí)間而定)。

工程上也常用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來快速估算太陽能電源的配置情況，即

采用電位式太陽能控制器：太陽能電池功率=10伊負(fù)載功率。

采用含MPPT的DC-DC太陽能控制器：太陽能電池功率=9伊負(fù)載功率。

蓄電池組容量=100伊負(fù)載電流。

3.1.4 控制器配置

智能控制器是混合能源供電系統(tǒng)最關(guān)鍵的組成部件，系統(tǒng)使用功能和可靠性幾乎全由太陽能-風(fēng)能控制器決定，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池僅起到將風(fēng)能和太陽能轉(zhuǎn)換為電能的作用。

智能控制器由中控模塊管理下的DC-DC太陽能控制模塊、DC-DC風(fēng)能控制模塊和DC-DC交流（油機(jī)）控制模塊組成。

DC-DC式控制模塊利用開關(guān)電源工作模式設(shè)計(jì)，控制器本身具備穩(wěn)壓功能，可在脫離蓄電池組的情況下為負(fù)載正常供電。DC-DC式太陽能控制模塊不需要將太陽能電池按矩陣方式甩接，全部太陽能電池始終與系統(tǒng)相聯(lián)，以N+1的模塊化方式組合系統(tǒng)容量。

風(fēng)能控制模塊在性能上可分為自穩(wěn)壓（AC-DC）型和依靠蓄電池穩(wěn)壓的電位型，性能差異與前述太陽能控制系統(tǒng)類似，只是風(fēng)能控制器不必具備MPPT功能。風(fēng)能控制器基本上與風(fēng)力發(fā)電機(jī)單臺(tái)配套使用，僅需選擇控制器類型。

智能控制器使混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)具有按太陽能（風(fēng)能）—市電（油機(jī)）—蓄電池的先后次序自動(dòng)選擇使用能量，當(dāng)上一級(jí)能量不足時(shí)，不足部分由下一級(jí)能量自動(dòng)補(bǔ)足，充分利用了風(fēng)光資源，保證了只有在最關(guān)鍵時(shí)才使用蓄電池的能量，最大限度地延長了蓄電池的供電時(shí)間，節(jié)約了電能。

為了降低逆變器的損耗，采用太陽能油機(jī)切換互補(bǔ)方式：當(dāng)蓄電池組電壓降低到設(shè)定值時(shí)，油機(jī)啟動(dòng)，待輸出穩(wěn)定后，自動(dòng)切換到系統(tǒng)輸出端直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。在太陽能將蓄電池組恢復(fù)到飽滿狀態(tài)時(shí)，停止油機(jī)發(fā)電，由太陽能和蓄電池組供電。為了保證蓄電池的使用壽命，蓄電池組每次放電不超過容量的30%?？蛇x擇在220 V油機(jī)端子上接入開關(guān)電源，在必要時(shí)將220 V油機(jī)發(fā)電時(shí)多余的能量補(bǔ)給蓄電池組，提高系統(tǒng)應(yīng)急供電性能。

4 武器裝備混合能源互補(bǔ)供電關(guān)鍵技術(shù)

從裝備用電設(shè)備角度來講，它們是典型的獨(dú)立、有限容量、非線性系統(tǒng)，特別是對(duì)于我軍裝備野戰(zhàn)供電離網(wǎng)式有限容量供電系統(tǒng)，能量的轉(zhuǎn)移、分配及切換均會(huì)造成線路潮流和節(jié)電電壓發(fā)生變化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生改變。武器裝備用電特性對(duì)能量的有效管理、動(dòng)態(tài)可用能量、穩(wěn)定性與受電規(guī)模關(guān)系、多電能切入?yún)f(xié)調(diào)控制等方面提出了相應(yīng)的要求，因此離網(wǎng)式系統(tǒng)與無限容量系統(tǒng)在計(jì)算理論及結(jié)構(gòu)體系等方面存在很大的不同，是裝備混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)所特有的，為了使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在軍事裝備中得到推廣應(yīng)用，還應(yīng)在以下幾方面進(jìn)行研究。

4.1 體系結(jié)構(gòu)研究

風(fēng)光混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)按照系統(tǒng)是否并入電網(wǎng)可劃分為并網(wǎng)型系統(tǒng)和離網(wǎng)型系統(tǒng)，離網(wǎng)型系統(tǒng)按照母線類型又可分為直流母線系統(tǒng)和交流母線系統(tǒng)。基于直流母線系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：只需對(duì)母線電壓進(jìn)行控制，容易滿足系統(tǒng)性能要求，控制算法簡單；系統(tǒng)容易擴(kuò)展，容易滿足用電設(shè)備和發(fā)電設(shè)備增加的需求，因此廣泛應(yīng)用于中小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中。

本文主要針對(duì)離網(wǎng)型直流母線系統(tǒng)進(jìn)行研究，即獨(dú)立運(yùn)行的以直流母線為總線構(gòu)建的風(fēng)光混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)，該型風(fēng)光混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)主要由發(fā)電單元（光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)）、儲(chǔ)能單元、能量控制單元（光伏控制器、風(fēng)能控制器、充放電控制電路）、能量變換單元（變換器）、能量消耗單元（交直流負(fù)載）及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等組成。典型的離網(wǎng)型直流母線風(fēng)-光-柴-蓄混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 混合互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

另外離網(wǎng)型風(fēng)光混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)還可以是交直流混合母線系統(tǒng)或純交流母線混合發(fā)電系統(tǒng)[15-18]。其中交直流母線混合互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電單元或通過整流單元變換為直流電對(duì)蓄電池充電或直接通過電力電子裝置變換為交流電；純交流母線系統(tǒng)中，光伏發(fā)電單元和風(fēng)力發(fā)電單元均通過電力電子變換裝置直接變換為交流電并入交流電網(wǎng)，柴油發(fā)電機(jī)組在外部信號(hào)控制下發(fā)電后并入交流母線，蓄電池儲(chǔ)能單元通過充放電控制器不僅可以以獨(dú)立逆變的方式提供弱電網(wǎng)，而且還可以以充放電的方式并入交流電網(wǎng)。

混合能源供電系統(tǒng)從技戰(zhàn)術(shù)角度來看，整個(gè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)必須采用集成的模塊化設(shè)計(jì)，具備良好的兼容性和冗余性，根據(jù)自然環(huán)境條件和裝備的電力消耗情況，對(duì)發(fā)電單元進(jìn)行有機(jī)組合、合理配置，風(fēng)-光-柴-蓄、風(fēng)-柴-蓄、光-柴-蓄、柴-蓄等多種結(jié)構(gòu)均可自由組合，或可從技戰(zhàn)術(shù)的角度，考慮采用不同的發(fā)電單元為不同重要程度的負(fù)荷供電，提高混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)的抗打擊能力和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力[19]。

4.2 能量管理與控制技術(shù)研究

離網(wǎng)型混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)是典型的獨(dú)立、有限容量、非線性系統(tǒng)，能量的轉(zhuǎn)移、分配及切換均會(huì)造成線路潮流和節(jié)電電壓發(fā)生變化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生改變。武器裝備用電特性對(duì)能量的有效管理、動(dòng)態(tài)可用能量、穩(wěn)定性與受電規(guī)模關(guān)系、多電能切入?yún)f(xié)調(diào)控制等方面提出了相應(yīng)的要求，因此離網(wǎng)式系統(tǒng)與無限容量系統(tǒng)在計(jì)算理論及結(jié)構(gòu)體系等方面存在很大的不同，是裝備混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)所特有的。

在混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)中，由于日照強(qiáng)度及氣候條件的變化，太陽電池陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的功率都存在著較大范圍的波動(dòng)，從能量產(chǎn)生的角度對(duì)混合能源互補(bǔ)供電能量管理系統(tǒng)提出了較高要求?；旌夏茉椿パa(bǔ)供電系統(tǒng)屬分布式發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行的最優(yōu)控制與穩(wěn)定性決定了該系統(tǒng)在裝備供電時(shí)的成敗，合理的能量管理策略對(duì)提高混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量和可靠性具有重要意義。

當(dāng)混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)用于裝備供電時(shí)，武器裝備電力系統(tǒng)容量不斷增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題更加突出，特別是對(duì)于我軍裝備野戰(zhàn)供電離網(wǎng)式有限容量供電系統(tǒng)。能量的轉(zhuǎn)移、分配及切換均會(huì)造成線路潮流和節(jié)電電壓發(fā)生變化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生改變，對(duì)能量存儲(chǔ)、大功率釋放、能量高效高速控制的技術(shù)要求都是前所未有的。如何使信息化裝備具備高度的機(jī)動(dòng)能力和突擊能力，如何發(fā)揮好信息化裝備的效能，武器裝備用電特性對(duì)能量的有效管理、動(dòng)態(tài)可用能量、穩(wěn)定性與受電規(guī)模關(guān)系、多電能切入?yún)f(xié)調(diào)控制等方面提出了相應(yīng)的要求。離網(wǎng)式系統(tǒng)與無限容量系統(tǒng)在計(jì)算理論及結(jié)構(gòu)體系等方面存在很大的不同，是裝備混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)所特有的。

為了滿足武器裝備對(duì)混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)安全性、可靠性和連續(xù)性的要求，混合能源互補(bǔ)供電是典型的交直流系統(tǒng)，多能源饋入相互作用強(qiáng)、功率支持的控制等，運(yùn)行時(shí)影響性能的主要操作參數(shù)包括溫度、電壓、電流、功角等參量都要維持在穩(wěn)定的理想狀態(tài)，避免由于負(fù)載變化引起操作參數(shù)偏離理想范圍而導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，甚至永久性損壞系統(tǒng)?；旌夏茉椿パa(bǔ)供電系統(tǒng)包含多設(shè)備、多調(diào)節(jié)變量以及復(fù)雜的能量管理，進(jìn)行完整的能量控制與協(xié)調(diào)管理設(shè)計(jì)是滿足裝備用電所必須的。

從系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性角度來考慮，在獲得安裝地點(diǎn)的氣候數(shù)據(jù)、負(fù)載需求后，通過選擇不同的發(fā)電單元組合方式確定系統(tǒng)容量，然后選擇在給定系統(tǒng)容量下的最優(yōu)運(yùn)行策略，通過選擇不同的運(yùn)行策略會(huì)影響到系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)性，最終會(huì)影響到系統(tǒng)的全壽命周期成本。必須一方面進(jìn)行單機(jī)控制以提高單機(jī)運(yùn)行效率，另一方面采用能量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備的動(dòng)態(tài)優(yōu)化組合及能源的最優(yōu)功率匹配，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

通過上節(jié)的分析可看出，能量的管理與控制是風(fēng)-光-柴-蓄混合能源實(shí)際應(yīng)用到武器系統(tǒng)供電時(shí)最需解決的關(guān)鍵問題之一。合理的能量管理與控制系統(tǒng)不僅能夠提高系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，而且能夠?qū)崿F(xiàn)互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備的動(dòng)態(tài)優(yōu)化組合，提高電能質(zhì)量，使風(fēng)-光-柴-蓄混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)成為一種穩(wěn)定可靠的電源，滿足武器裝備對(duì)混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)安全性、可靠性及連續(xù)性的要求。

應(yīng)針對(duì)系統(tǒng)不同的運(yùn)行狀態(tài)及體系結(jié)構(gòu)，在研究風(fēng)、光、柴、蓄等各部件能量管理策略的基礎(chǔ)上，基于多目標(biāo)優(yōu)化控制理論與方法提出風(fēng)-光-柴-蓄混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)的能量管理策略，開展系統(tǒng)指標(biāo)與能量管理策略的關(guān)系研究，確定不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式下系統(tǒng)最優(yōu)能量管理策略，如光-柴系統(tǒng)能量管理策略、風(fēng)-柴系統(tǒng)能量管理策略、風(fēng)-光-柴系統(tǒng)能量管理策略等等，以適應(yīng)不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的需要。

4.3 儲(chǔ)能設(shè)備及充放電控制策略

目前在混合能源供電領(lǐng)域所采用的儲(chǔ)能裝置一般仍采用鉛酸蓄電池，其充電技術(shù)主要還是沿用其傳統(tǒng)充電方式。對(duì)蓄電池的充電關(guān)心更多的是充電效率和速度，對(duì)循環(huán)使用壽命的考慮倒在其次，從而導(dǎo)致鉛酸蓄電池在混合能源供電系統(tǒng)中不能很好地應(yīng)用。

當(dāng)前國內(nèi)風(fēng)/光互補(bǔ)系統(tǒng)中普遍采用的控制策略是對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充充電的控制模式，也就是讓負(fù)載盡可能多地消耗由太陽電池方陣和風(fēng)力機(jī)組發(fā)出的電，若有盈余，則給蓄電池充電；若不足，則蓄電池放電以保證負(fù)載運(yùn)行。一般是通過電壓監(jiān)控蓄電池，確定其荷電狀態(tài)。有的控制器設(shè)計(jì)中采用了電流、溫度因素來補(bǔ)償內(nèi)阻損耗引起的蓄電池狀態(tài)變化。

在混合能源供電領(lǐng)域內(nèi)，國外在蓄電池充放控制策略上有所改進(jìn)，文獻(xiàn)[20-21]表明已有一些卓有成效的研究。在傳統(tǒng)浮充充電模式的基礎(chǔ)上，將剩余容量（SOC）作為蓄電池充放電管理的判斷準(zhǔn)則，從負(fù)荷用電與系統(tǒng)供電平衡的方面來改善控制器性能和系統(tǒng)性能。在SOC計(jì)算方面，根據(jù)有關(guān)資料顯示，較為普遍接受的方法采用多參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確度補(bǔ)償，綜合專家知識(shí)，運(yùn)用智能控制的算法，通過對(duì)蓄電池的在線學(xué)習(xí)和適應(yīng)，逐漸得到SOC與電流、電壓以及溫度的關(guān)系模型。在供電與用電平衡方面，嘗試從對(duì)自然資源發(fā)電量的預(yù)測(cè)以及系統(tǒng)負(fù)荷的預(yù)測(cè)方面加強(qiáng)對(duì)能量的管理，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化。

裝備混合能源供電系統(tǒng)中重點(diǎn)考慮儲(chǔ)能設(shè)備的充/放電控制策略，不僅關(guān)心其充電速度，而且重點(diǎn)研究如何既能最大限度地利用太陽能或風(fēng)能，又能合理地實(shí)現(xiàn)充電的最小損耗和蓄電池的最長壽命，研究以太陽能/風(fēng)能電壓、電流和蓄電池電壓、電流、容量同時(shí)作為變量和對(duì)象的綜合的充/放電控制策略[22-23]。

4.4 符合裝備用電特點(diǎn)的補(bǔ)償技術(shù)

目前武器裝備的信息化、智能化，需要提供高功率電力；武器裝備系統(tǒng)為了提高射程和機(jī)動(dòng)能力，需要提供更多的能量；一些新概念武器要大功率脈沖電源，因此對(duì)能量存儲(chǔ)、大功率釋放、能量高效高速控制的技術(shù)要求都是前所未有的。如何使信息化裝備具備高度的機(jī)動(dòng)能力和突擊能力，如何發(fā)揮好信息化裝備的效能，必須依靠電氣補(bǔ)償技術(shù)才能滿足武器裝備對(duì)電力及能量管理系統(tǒng)的需求。

根據(jù)裝備對(duì)電能質(zhì)量和電氣指標(biāo)的要求，對(duì)多種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置進(jìn)行特性分析，通過采取不同的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方案，由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)對(duì)補(bǔ)償效果對(duì)比分析，配置補(bǔ)償裝置的參數(shù)，評(píng)估其綜合補(bǔ)償后的效果，確保補(bǔ)償方式的有效性，避免因電能質(zhì)量問題影響裝備技戰(zhàn)術(shù)水平，使供電保障系統(tǒng)滿足裝備用電要求，從而保障裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮[24-25]。

5 結(jié)論

分析了目前混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)在武器裝備中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)發(fā)展裝備混合能源互補(bǔ)供電的若干關(guān)鍵技術(shù)及其可能的解決方案進(jìn)行了闡述。研究表明，為解決高原海防部隊(duì)對(duì)空情報(bào)、對(duì)海偵察雷達(dá)應(yīng)用混合能源互補(bǔ)供電時(shí)的適應(yīng)性、可靠性及安全性難題，開展多饋入有限容量的能量管理與控制技術(shù)研究是系統(tǒng)高效、可靠運(yùn)行的前提和保證，構(gòu)建協(xié)調(diào)高效的能量管理系統(tǒng)，提高供電系統(tǒng)性能，依靠電氣補(bǔ)償技術(shù)滿足武器裝備對(duì)供電品質(zhì)的要求。

混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)除應(yīng)用于武器裝備供電保障系統(tǒng)外，還可適用于軍事指揮、作戰(zhàn)、電子對(duì)抗、電子偵察、電子跟蹤等所有的固定的或者移動(dòng)的軍事行動(dòng)，以及兵站、海島、哨所、野戰(zhàn)醫(yī)院、炊事等固定的或者移動(dòng)的軍事場(chǎng)所。

混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)安裝快捷、移動(dòng)方便，是軍隊(duì)?wèi)?zhàn)時(shí)和和平時(shí)期最為理想的軍事能源供電裝備。混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化和使用推廣，可以提升新時(shí)期我軍現(xiàn)代化軍事裝備作戰(zhàn)能力，并減輕軍用物資供給和運(yùn)輸壓力。另外，在和平時(shí)期也能夠在引領(lǐng)全社會(huì)增強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，促進(jìn)綠色能源發(fā)展意識(shí)等方面將起到非常積極的示范作用。

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