卓 秀，郭 燚，李 闖

（上海海事大學物流工程學院，上海201306）

隨著對艦船綜合電力系統(tǒng)研究的不斷深入以及艦船電力設備技術的發(fā)展，未來戰(zhàn)艦負載不僅包括必須的推進負載和日常用電負荷，還包括電磁彈射器、電磁軌道炮、激光炮等先進的電磁武器，且這些先進的電磁設備都需要依靠極大的電流產生電磁力［1］，發(fā)電機組卻不能快速跟隨脈沖負載的需求功率。為了有效解決所面臨的問題，在艦船中壓直流（Medium Voltage Direct Current，MVDC）電力系統(tǒng)中接入儲能系統(tǒng)來快速響應脈沖負載需求成為現代及未來戰(zhàn)艦的重要舉措［2］。而飛輪儲能系統(tǒng)具有輸出功率大，充電時間短，結構緊湊，工作溫度要求低，使用壽命長和綠色無污染等優(yōu)點，與其他儲能技術相比具有很大的優(yōu)越性，是目前最有發(fā)展前景的儲能技術之一。

由于發(fā)電機不能夠及時響應脈沖負載的功率需求，文獻［3］比較了飛輪儲能系統(tǒng)的接入對脈沖型負載的投切所造成的母線電壓波動是否有抑制作用。文獻［4］提出了一種基于雙向DC-DC的飛輪儲能系統(tǒng)控制策略，驗證了所提出的控制策略在充電方面解決了傳統(tǒng)控制策略的局限性，控制靈活；在放電方面具有更好的抗負載干擾和目標值跟隨能力。文獻［5］提出了雙模式雙閉環(huán)控制策略，以及相應的飛輪工作模式自動切換流程，可以有效抑制艦船綜合電力系統(tǒng)的電壓波動。文獻［6］設計了一種基于矢量控制的綜合控制策略，實現了飛輪儲能裝置的工作模式平滑快速切換以及功率控制的快速響應。文獻［7］利用永磁無刷直流電動機和獨立的充放電電流變換器搭建了飛輪儲能系統(tǒng)的充放電電路，驗證了所采用電路拓撲和控制方法的可行性。

本文針對艦船MVDC電力系統(tǒng)中脈沖型負載的投切造成的母線電壓波動，設計了基于DC-DC變換器的飛輪儲能系統(tǒng)，采用平抑波動的脈沖功率控制策略提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及運行效率，并通過仿真驗證了飛輪儲能系統(tǒng)的接入能夠抑制母線電壓的波動。

1 新型環(huán)形艦船MVDC電力系統(tǒng)模型

為了使艦船動力系統(tǒng)配置得到優(yōu)化，節(jié)省能源，進一步減小艦船體積、提升效率，克服大規(guī)模發(fā)電、配電和優(yōu)化有關的技術挑戰(zhàn)，文獻［8］提出了環(huán)型艦船MVDC電力系統(tǒng)模型，如圖1所示。該系統(tǒng)模型分為左、右舷，每舷配置了一個額定功率主發(fā)電機和一個額定功率輔助發(fā)電機，發(fā)電機電壓調節(jié)器和二極管整流器相互配合，為MVDC母線提供能量，確保直流母線實現5 kV穩(wěn)壓。斷路器位于船頭與船尾，連接左、右舷直流母線，當至少一個斷路器閉合時，左、右舷母線公共運行，MVDC呈環(huán)形；當兩個斷路器均斷開時，MVDC分離為兩條直流母線，左、右舷母線獨立工作。艦船負載包括4個區(qū)域負載中心和1個高功率雷達負載區(qū)域中心，各自通過獨立的DC-DC變換器分別與左、右舷母線相連，實現電壓等級的變換工作，此外還有儲能裝置與脈沖負載分別配置于MVDC左、右舷，因此新型環(huán)形艦船MVDC電力系統(tǒng)即使處于極端惡劣的工作環(huán)境中，也能保持最佳的工作狀態(tài)。

圖1 新型環(huán)形艦船MVDC電力系統(tǒng)模型

2 飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理

通常飛輪儲能系統(tǒng)工作時分為3個狀態(tài)：充電、放電和保持。當系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時，飛輪電機作為電動機形式運行，直流母線輸入的電能通過驅動電路加快飛輪的旋轉，把電能轉化為機械能存儲在飛輪中；當系統(tǒng)處于保持狀態(tài)時，飛輪儲能系統(tǒng)釋放與吸收能量，但由于飛輪自身存在損耗，所以飛輪轉速略微下降；當系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時，飛輪的轉速下降，電機作為發(fā)電機將機械能轉換成電能，通過驅動電路將電能輸送到直流母線，滿足脈沖型負載的需求。由此，實現了整個系統(tǒng)電能的存儲、保持和釋放［9-10］。飛輪儲能系統(tǒng)工作原理如圖2所示。其中，Udc、Idc為母線電壓與電流。

圖2 飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理

基于d/q坐標系下永磁同步電動機的數學模型如下所示：

忽略損耗，有

式中：ufd、ufq為電機側電壓dq軸分量；ifd、ifq為定子電流dq分量；ψfd、ψfq為定子磁鏈dq軸分量；Lfd、Lfq為定子電感dq軸分量；Rfs為定子電阻；ωf為電動機同步角速度；ψf為氣隙磁通；Tem為電磁轉矩；Pn為極對數；J為電機轉動慣量；Pe為飛輪儲能的功率；W為飛輪存儲和釋放的能量；p=d/dt為微分算子。

由圖2可知，飛輪儲能系統(tǒng)的核心部件是帶動飛輪旋轉的電動機，有

為了提高飛輪的壽命，通常會讓飛輪轉速控制在最低轉速ωmin和最高轉速ωmax之間，那么飛輪儲存或釋放的能量大小為

3 飛輪儲能系統(tǒng)的控制策略

飛輪儲能系統(tǒng)處于電動狀態(tài)時，永磁同步電動機的控制方式一般分為轉速控制、功率控制、母線電壓控制3種，當用于具有強直流電壓源的系統(tǒng)時，飛輪儲能系統(tǒng)控制器多采用功率控制方式，跟蹤當前飛輪儲能吸收的功率。充電控制系統(tǒng)如圖3所示，功率指令通過功率控制器生成q軸電流參考值，根據永磁同步電動機的數學模型可以得到d、q軸電壓參考值，通過dq/αβ變換后可轉換為永磁同步電動機在α、β兩相靜止坐標系下的參考控制電壓值，經過空間矢量脈寬調制單 元（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）產生的脈沖信號輸送給三相脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）變換器，將直流電逆變成交流電，電動機轉速增加，將剩余的電能以電動機的機械能儲存起來［11］。

圖3的功率控制器內部控制框圖如圖4所示，主要目的是利用飛輪的參考功率與飛輪輸出的電壓得到飛輪輸出電流的給定值和測量值Idc的誤差，經過PI控制器，對開環(huán)生成的進行校正，最終使飛輪儲能快速地吸收存儲外部提供的能量，穩(wěn)定母線電壓。

圖3 飛輪儲能系統(tǒng)充電框圖

圖4 功率控制器框圖

3.1 DC/DC變換器控制方式

圖5的雙向半橋DC-DC變換器是連接飛輪儲能和母線的紐帶，實現能量的雙向流動以及穩(wěn)定母線電壓在5 kV，可被看作由一個Buck電路和一個Boost電路組合而成的變換器。它由兩個開關管S1、S2，兩個二極管D1、D2，電感L以及電容C1和C2構成。當Udc為輸入，U為輸出時，此時變換器為Boost升壓電路；當U為輸入，Udc為輸出時，此時變換器為Buck降壓電路。

圖5 雙向半橋DC-DC變換器拓撲結構

DC-DC變換器的控制方式一般有直接功率閉環(huán)控制、電壓閉環(huán)控制和輸出電流閉環(huán)控制等。其中直接功率控制［12］能提高變換器動態(tài)響應速度，快速響應負載功率需求，及時穩(wěn)定母線電壓。DC/DC直接功率控制原理如圖6所示。根據脈沖負載所需要的飛輪儲能釋放的功率Pfw與DC-DC變換器電壓反饋值Ufw得到電流參考值Ifw，ref；當Pfw＞0，飛輪處于放電狀態(tài)時，Ifw，ref＞0，飛輪儲能通過DC-DC變換器釋放能量；當Pfw＜0，飛輪處于充電狀態(tài)時，Ifw，ref＜0，飛輪儲能通過DC-DC變換器吸收能量；當Pfw=0，飛輪處于保持狀態(tài)時，Ifw，ref=0，飛輪儲能與艦船MVDC電力系統(tǒng)沒有能量交換。將得到的Ifw，ref與當前變換器電流Ifw作比較，生成PWM脈沖控制變換器開關管的導通和關斷，穩(wěn)定系統(tǒng)中脈沖型負載的投入和切除帶來的波動。

圖6 直接功率控制

3.2 平抑波動的脈沖功率控制方法

該控制方法遵循能量守恒定律，以飛輪儲能輸出功率為正、輸入功率為負，可得功率變量關系式為

式中：Pge為發(fā)電機經整流器輸出到母線的功率；Ppl為脈沖負載需求功率；Pl為系統(tǒng)中除脈沖負載之外的所有恒功率負載消耗功率之和；Pfw為飛輪儲能系統(tǒng)輸出的功率。

為減少脈沖負載功率對系統(tǒng)穩(wěn)定性及運行效率的影響，需研究合適的策略對脈沖負載需求功率進行控制。首先對脈沖負載需求功率曲線進行傅里葉變換，得到其功率頻譜圖，可以初步確定截止頻率的范圍，再根據發(fā)電機和飛輪儲能各自的特性需求，可以確定發(fā)電機與飛輪儲能之間的截止頻率fc，頻率大于截止頻率的脈沖負載功率由飛輪儲能提供，頻率低于截止頻率的脈沖負載功率由發(fā)電機提供［13］。

根據脈沖負載功率的頻譜分布圖，結合發(fā)電機和飛輪儲能特性需求，可知低通濾波器的截止頻率fc的取值范圍，從而得出發(fā)電機和飛輪儲能輸出參考功率值，Tc為fc所對應的時間常數。對功率進行頻域分析可得

式中：s為拉普拉斯變換后的微分算子。

由于脈沖負載的低頻分量波動較大，帶限制的低通濾波控制策略可以對低通濾波后的發(fā)電機參考功率進行限值修正，超出其限制的功率由飛輪儲能來提供。脈沖負載需求功率經限值修正后得出發(fā)電機輸出參考功率Pge，ref，曲線平緩，波動小，滿足發(fā)電機的輸出功率特性。由于限值修正策略引入了高頻波動的功率分量，因此，需對Pge，ref再次濾波，最終得到發(fā)電機和飛輪實際釋放的功率值［14］，帶限制的低通濾波控制策略框圖如圖7所示。

圖7 帶限制的低通濾波控制策略框圖

4 建模和仿真分析

4.1 建模

為驗證所提出方法的有效性，根據圖1建立了Matlab/Simulink仿真模型，包括1個發(fā)電機模型（經二極管整流接入MVDC母線上），1個脈沖負載，1個恒功率負載，1個飛輪儲能模型和1個DC/DC變換器模型。系統(tǒng)模型的仿真參數：發(fā)電機的額定功率36 MW，線電壓4.16 kV，頻率240 Hz，額定轉速3 600 r/min；二極管整流器交流側串聯電感0.124 mH，交流側串聯電阻7.5 mΩ，直流側電容1 mF；三相測試負載功率為5 MW，恒功率負載功率為15 MW；永磁同步電動機的定子電阻R=0.15Ω，定子d相和q相電感L d=L q=1 mH，極對數P=2，轉動慣量J=400 kg·m2，永磁磁鏈ψf=0.8 V·s，額定轉速n=5732 r/min。

艦船電力系統(tǒng)中脈沖型負載主要包括電磁彈射裝置、軌道炮、脈沖雷達等周期性瞬時大功率負載［15］。脈沖負載模型的建立是利用模塊輸出的脈沖負載需求功率除以電壓表測得的端口實時電壓，獲得實際需求電流，輸入受控電流源中，恒功率負載模型的建立與此類似。

圖8所示為脈沖型負載仿真波形，1.00～1.01 s和3.00～3.01 s 3 MW脈沖負載投入，功率變化率為300 MW/s，2.00～2.01 s和4.00～4.01 s內脈沖負載切除，功率變化率和投入時相同，可見脈沖負載投入切除的功率變化率非常大，且具有周期性。

圖8 脈沖型負載仿真波形

圖9所示為脈沖負載功率分配波形圖，飛輪儲能輸出的功率為脈沖負載功率的高頻分量，發(fā)電機輸出的是脈沖負載的低頻分量，由于對發(fā)電機的輸出功率進行了限幅修正，發(fā)電機的輸出功率相對平滑且穩(wěn)定在1 MW。

圖9 功率分配波形圖

4.2 仿真分析

4.2.1 恒功率負載 為驗證所建立的艦船MVDC電力系統(tǒng)模型的穩(wěn)定性，對只有恒功率負載的情況進行仿真，得出如圖10所示發(fā)電機輸出的有功功率波形和圖11所示恒功率負載時的母線電壓波形。

圖10 發(fā)電機輸出有功功率波形

圖11 恒功率負載時的母線電壓波形

由圖10可知，當系統(tǒng)中只接入恒功率負載時，通過有功功率控制環(huán)，發(fā)電機在極端的時間內輸出功率就可以達到20 MW，進入穩(wěn)態(tài)后，輸出的有功功率幾乎沒有波動。

由圖11可知，當系統(tǒng)中只接入恒功率負載時，通過發(fā)電機電壓控制環(huán)，母線電壓在0.2 s時就可以達到參考值5 kV，進入穩(wěn)態(tài)后，母線電壓的波動很小，可得出所建立模型的穩(wěn)定性很高。

4.2.2 同時接入恒功率負載和脈沖型負載的仿真結果分析 為了更加清楚脈沖型負載對電力系統(tǒng)的影響，同時接入常規(guī)型負載和脈沖型負載并對其進行仿真，得出如圖12所示接入脈沖型負載后的母線電壓波形。

圖12 接入脈沖負載后的母線電壓波形

從圖12可以看出，系統(tǒng)接入15 MW的恒功率負載時，母線電壓通過發(fā)電機系統(tǒng)中電壓控制環(huán)，經0.2 s就可以穩(wěn)定在5 kV；在1.00～1.01 s和3.00～3.01 s時間段內接入3 MW的脈沖型負載，發(fā)電機所發(fā)出的功率不能及時響應脈沖負載功率需求，導致直流母線電壓劇烈跌落至4 kV；在2.00～2.01 s和4.00～4.01 s時間段內脈沖型負載切除，由于發(fā)電機提供的脈沖負載功率的低頻分量的存在，母線電壓將會上升至5.3 kV。

綜上可知，脈沖型負載對系統(tǒng)的影響很大：脈沖型負載投入會引起母線電壓的跌落，脈沖型負載的切除會引起母線電壓的上升。

4.2.3 減小母線電壓巨幅震蕩的仿真驗證 脈沖負載的投切會導致母線電壓的波動，為研究飛輪儲能系統(tǒng)對電壓波動的抑制作用，接入飛輪儲能系統(tǒng)進行仿真如圖13所示，飛輪轉速變化如圖14所示。

圖13 接入飛輪儲能系統(tǒng)時母線電壓波形

圖14 飛輪轉速變化曲線

由圖13可知，在1.0～2.0 s和3.0～4.0 s投入脈沖型負載時，發(fā)電機與飛輪儲能釋放能量滿足脈沖負載功率需求，母線電壓為4.9 kV，抑制了電壓降落。

由圖14可知，在0～1.0 s，飛輪和外界沒有能量交換，由于飛輪本身內阻的存在，飛輪的轉速還是會略微下降；在1.0～2.0 s，脈沖負載的投入，飛輪提供能量，轉速從7 630 r/min下降至7 285 r/min；在2.0～3.0 s，脈沖負載切除，飛輪儲能吸收發(fā)電機輸出的脈沖負載的低頻分量，飛輪轉速從7 285 r/min升高至7 330 r/min；在3.0～4.0 s，脈沖負載再次投入，飛輪提供能量，轉速從7 330 r/min下降至7 052 r/min；在4.0～5.0 s脈沖負載切除，飛輪轉速從7 052 r/min升高至

7 123 r/min。

5 結 論

本文基于環(huán)形艦船MVDC電力系統(tǒng)，解決了脈沖型負載瞬時投切造成的母線電壓波動問題，并在Matlab/Simulink上搭建了帶飛輪儲能系統(tǒng)的艦船MVDC電力系統(tǒng)仿真模型。仿真結果表明，飛輪儲能系統(tǒng)的接入可以顯著抑制母線電壓的波動，提高能量的利用率。本文不足之處在于，采用的儲能方式過于單一，不利于更好地維持直流電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在此基礎上可以進一步研究混合儲能系統(tǒng)對母線電壓波動的抑制情況。