范文晶, 王召利, 曾遠(yuǎn)帆 , 楊 幸 , 張 帥

(1.上海機(jī)電工程研究所,上海 201109; 2.上海無(wú)線電設(shè)備研究所,上海 201109)

新一代防空武器系統(tǒng)不斷朝著集成化的方向發(fā)展,一輛戰(zhàn)車(chē)可構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的武器系統(tǒng)[1]。供配電系統(tǒng)作為戰(zhàn)車(chē)的重要組成部分,需要時(shí)刻為戰(zhàn)車(chē)上用電設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的工作電源。傳統(tǒng)戰(zhàn)車(chē)中主要采用交流供配電方案,通常選用主機(jī)發(fā)電、市電、發(fā)電機(jī)組中的一種或者多種組合作為供能方式[2]。戰(zhàn)車(chē)作戰(zhàn)過(guò)程中存在短時(shí)大功率用電工況,例如雷達(dá)輻射、導(dǎo)彈發(fā)射點(diǎn)火、轉(zhuǎn)塔跟蹤調(diào)轉(zhuǎn)等,在傳統(tǒng)供配電方案中,由于主機(jī)、發(fā)電機(jī)組的輸出電壓動(dòng)態(tài)特性較差,突加突卸負(fù)載工況對(duì)母線電壓沖擊較大,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備輸入掉電重啟,從而影響作戰(zhàn)任務(wù)[3]。為了避免大功率負(fù)載將母線電壓拉低導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓,通常需要按正常用電量2～3倍的余量設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)。傳統(tǒng)供配電方案已經(jīng)不能滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)、靜默作戰(zhàn)和全天候戰(zhàn)備值班等新一代作戰(zhàn)方式的需求。

為了改善上述問(wèn)題,車(chē)載供配電方案逐漸開(kāi)始轉(zhuǎn)向高壓直流體系,并受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種高壓直流供配電系統(tǒng),分析了相關(guān)可靠性設(shè)計(jì)措施,主要通過(guò)在回路中串接熱敏電阻改善了由一次電源接口、容性負(fù)載接口和感性負(fù)載接口匹配引起的電流沖擊問(wèn)題,增加電氣隔離并減小了控制失效風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[4]提出了一種車(chē)載高壓分布式供配電系統(tǒng)健康管理的設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)了配電系統(tǒng)的通用化、信息化和智能化。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文研究了一種基于儲(chǔ)能單元并網(wǎng)供電的高壓直流供配電系統(tǒng),該系統(tǒng)選用較小額定功率的發(fā)電機(jī)組作為供電主能源,可滿(mǎn)足戰(zhàn)車(chē)的穩(wěn)態(tài)用電需求,采用基于鋰離子電池的儲(chǔ)能電池作為備份能源,可提供瞬時(shí)大功率。采用直流微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)組與儲(chǔ)能單元的并網(wǎng)供電,既匹配了發(fā)射平臺(tái)上的突加突卸負(fù)載,又降低了發(fā)電機(jī)組的額定功率,有效提高了戰(zhàn)車(chē)供電的可靠性,實(shí)現(xiàn)了發(fā)射車(chē)電氣系統(tǒng)故障的快速診斷定位。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為本文提出的高壓直流供配電方案系統(tǒng)框圖,主要包括電源轉(zhuǎn)換裝置、儲(chǔ)能單元和配電顯控單元。其中電源轉(zhuǎn)換裝置將整流得到的580 V高壓直流經(jīng)過(guò)配電開(kāi)關(guān)送給用電設(shè)備,各設(shè)備僅需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的DC/DC變換就能獲取所需的工作用電,極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的用電結(jié)構(gòu),同時(shí)減少了電能變換級(jí)數(shù),提高了效率;配電顯控單元可實(shí)現(xiàn)全車(chē)電網(wǎng)的電壓、電流監(jiān)測(cè),故障保護(hù)與報(bào)警以及健康管理功能;儲(chǔ)能單元用于滿(mǎn)足瞬時(shí)大功率負(fù)載的用電需求,充放電功能受配電顯控單元自動(dòng)控制。

圖1 帶有儲(chǔ)能單元的高壓直流供配電系統(tǒng)

圖2 直流微電網(wǎng)示意圖

由于母線電壓的提高,電能傳輸?shù)碾娏鳒p小,可以采用更細(xì)的供電電纜,從而減小了整車(chē)電纜布線的復(fù)雜程度。綜上所述,基于儲(chǔ)能單元并網(wǎng)的高壓直流供配電方案使供配電系統(tǒng)具有電能傳輸簡(jiǎn)單、并網(wǎng)策略簡(jiǎn)單、可靠性高、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)。本文主要針對(duì)該供配電體制下的直流微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制技術(shù)、基于鋰離子電池的儲(chǔ)能單元設(shè)計(jì)和軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析。

2 直流微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制技術(shù)

電力系統(tǒng)中廣義上微電網(wǎng)是將光伏、風(fēng)機(jī)、燃料電池、電池儲(chǔ)能、外部電網(wǎng)等產(chǎn)生的電能通過(guò)一定的適配進(jìn)行電力控制。本文設(shè)計(jì)的高壓直流供配電系統(tǒng)中,能源來(lái)源包括外供電、發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能裝置等多種類(lèi)型,是一種縮比型的直流微電網(wǎng)。

相比于交流電網(wǎng),直流微電網(wǎng)減少了中間直-交的電力變換環(huán)節(jié),直流母線段也減少了多級(jí)變流器的使用,更加節(jié)能且系統(tǒng)成本和損耗更低,更重要的是直流微電網(wǎng)中的分布式電源只受控于直流電壓,無(wú)須考慮同步問(wèn)題,且不存在頻率穩(wěn)定性、三相對(duì)稱(chēng)性和交流損耗等問(wèn)題,有效提高了整體效率。

本文設(shè)計(jì)的高壓直流供配電系統(tǒng)利用微電源參與功率平衡調(diào)節(jié),并利用電力電子接口控制算法改善了電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境。通過(guò)配置隔離變壓器、有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器等設(shè)備提高了直流配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。利用儲(chǔ)能單元可進(jìn)行快速的功率平衡調(diào)節(jié),保證了直流母線電壓的穩(wěn)定性。通過(guò)變流器控制策略和微電網(wǎng)控制模式優(yōu)化,可以提高直流配電網(wǎng)的抗擾動(dòng)能力,在電源電壓和負(fù)載大范圍變化時(shí),保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

直流微電網(wǎng)電壓控制策略主要采用下垂控制,在全控整流設(shè)備的降壓斬波電路(如圖3所示)與雙向DC/DC變換器(如圖4所示)內(nèi)均設(shè)定了電網(wǎng)功率下垂特性。由于全控整流單元能夠通過(guò)全控整流將電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),故在降壓斬波電路內(nèi)同樣設(shè)置了下垂系數(shù),當(dāng)負(fù)載增加到設(shè)定值時(shí),降壓斬波電路按照事先設(shè)定的下垂特性降低直流母線電壓。此時(shí),雙向DC/DC監(jiān)測(cè)到直流母線出現(xiàn)跌落,能夠根據(jù)設(shè)定的下垂特性向電網(wǎng)輸出相應(yīng)的功率。

圖3 全控整流器與降壓斬波電路拓?fù)鋱D

圖4 雙向DC/DC拓?fù)鋱D

本文設(shè)計(jì)方案采用基于直流母線的一次調(diào)壓方法進(jìn)行系統(tǒng)功率調(diào)節(jié),可依據(jù)直流母線電壓變化所屬區(qū)間對(duì)各電源的輸出功率分配進(jìn)行分段調(diào)節(jié),該方法能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)功率分配,動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)內(nèi)各電源設(shè)備輸出功率和負(fù)荷消耗功率之間的關(guān)系,無(wú)須單元間的相互通信。

當(dāng)負(fù)載需求小于發(fā)電機(jī)組額定功率的70%(可設(shè))時(shí),發(fā)電機(jī)組通過(guò)全控整流裝置維持母線電壓,儲(chǔ)能單元充電或離網(wǎng)狀態(tài)無(wú)須參與功率調(diào)節(jié)。當(dāng)負(fù)載需求大于發(fā)電機(jī)組額定功率的70%時(shí),儲(chǔ)能單元并網(wǎng)放電,發(fā)電機(jī)組與儲(chǔ)能單元按照事先設(shè)定的下垂特性曲線,保證系統(tǒng)功率分配。

3 基于鋰離子電池的儲(chǔ)能單元設(shè)計(jì)

不同儲(chǔ)能設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。由表1可見(jiàn),與其他儲(chǔ)能方式相比,鋰離子電池具有能量密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好、自放電率小、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[5-6],被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、電網(wǎng)供電等領(lǐng)域。同時(shí)鋰離子電池耐受極端溫度的能力更強(qiáng),相同體積條件下,可以提供更大的電量,適用于戰(zhàn)車(chē)等特種車(chē)輛用電場(chǎng)合。目前在車(chē)用儲(chǔ)能供電領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外主要使用鈷酸鐵鋰電池、三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池3種。其中,磷酸鐵鋰電池支持無(wú)級(jí)擴(kuò)展,組成儲(chǔ)能系統(tǒng)后可以進(jìn)行大規(guī)模電能存儲(chǔ)[7-8],因此本文儲(chǔ)能單元方案選用磷酸鐵鋰電池。

表1 不同儲(chǔ)能設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

圖5為磷酸鐵鋰電池單體的充、放電特性,常溫下(25 ℃)單體電池1 C放電容量為52.5 Ah,同時(shí)該電池組具有較寬的平臺(tái)電壓,通過(guò)將168個(gè)單體電池單元串連,可以支撐起560 V等級(jí)的高壓直流母線。圖6為磷酸鐵鋰電池在常溫條件下以不同倍率放電的放電曲線,可以看出該電池組能夠在并網(wǎng)供電時(shí)給瞬時(shí)大負(fù)載提供穩(wěn)定的母線電壓,避免母線電壓被拉低導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓。

圖5 磷酸鐵鋰電池單體電池容量測(cè)試曲線

圖6 磷酸鐵鋰電池不同倍率放電曲線

為了保證作戰(zhàn)系統(tǒng)用電的可靠性,本文設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能單元由磷酸鐵鋰電池組、電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)、加熱器和應(yīng)急電源等組成,如圖7所示。其中,BMS具有充放電開(kāi)關(guān)控制功能、電池組單體電壓采集功能、溫度采集功能、電壓均衡管理及二次保護(hù)功能,實(shí)現(xiàn)了電池組高可靠性的健康管理。同時(shí),通過(guò)采集電流進(jìn)行電池荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)積分計(jì)算,并通過(guò)電壓和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行SOC核算校準(zhǔn),并回告配電顯控單元,從而實(shí)現(xiàn)了電池組自動(dòng)充放電的控制,避免了電池組的過(guò)充和過(guò)放電,提高了系統(tǒng)可靠性。應(yīng)急電源在特殊條件下開(kāi)啟,可實(shí)現(xiàn)DC 540 V轉(zhuǎn)DC 24 V給電池管理系統(tǒng)模塊供電。加熱器安裝在電池堆內(nèi)部,當(dāng)電池組處于低溫環(huán)境時(shí),可先對(duì)電池堆加熱后再對(duì)外供電。

圖7 儲(chǔ)能單元系統(tǒng)框圖

儲(chǔ)能單元主要作用如下。

① 削峰填谷:平衡大功率短時(shí)間用電負(fù)載,利用儲(chǔ)能裝置可以降低發(fā)電機(jī)組的輸出功率,提高發(fā)電機(jī)組的使用率。

② 應(yīng)急電源:提高電能質(zhì)量和供電可靠性。在發(fā)電機(jī)組發(fā)電質(zhì)量下降和功能喪失時(shí),可以有效保護(hù)發(fā)射平臺(tái)用電設(shè)備的可靠運(yùn)行。

直流供配電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能單元主要采用鋰電池作為儲(chǔ)能元件,本身以直流電形式工作,可以方便地接入直流微電網(wǎng),接入設(shè)備和控制技術(shù)簡(jiǎn)單可靠。儲(chǔ)能單元可以在值班、靜默、應(yīng)急使用時(shí)為戰(zhàn)車(chē)用電設(shè)備供電。

4 軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)

用電設(shè)備通常會(huì)在輸入端并聯(lián)較多的電容以實(shí)現(xiàn)濾波、去耦和儲(chǔ)能[9],由于高壓直流供配電系統(tǒng)正常工作時(shí)母線電壓為580 V,若此時(shí)直接將負(fù)載接入,電容充電阻抗較小,會(huì)在直流母線端造成較大的電流沖擊,往往會(huì)導(dǎo)致輸入熔斷器燒斷或者開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)燒壞,影響系統(tǒng)的可靠性[10-11]。因此需要在用電端增加軟啟動(dòng)電路,減小該電流沖擊。

本文設(shè)計(jì)了一種軟啟動(dòng)電路如圖8所示,通過(guò)在供電回路中增加預(yù)充電旁路,上電后,優(yōu)先對(duì)負(fù)載輸入接口中的電容充電,同時(shí)檢測(cè)電容兩端電壓,當(dāng)電容兩端電壓接近供電電壓時(shí),短路預(yù)充電旁路,避免電流長(zhǎng)時(shí)間流過(guò)該電阻導(dǎo)致局部較熱。

圖8 軟啟動(dòng)電路原理圖

圖8中軟啟動(dòng)電路主要由開(kāi)關(guān)器件(固態(tài)繼電器或接觸器)和限流電阻組成,上電瞬間,外部供電電壓U1(例如:DC 580 V)先通過(guò)限流電阻R給負(fù)載端濾波電容充電,當(dāng)檢測(cè)電路檢測(cè)的濾波電容電壓U2達(dá)到一定的門(mén)限值(例如:DC 550 V)時(shí),給出開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào),控制開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通后,經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)器件為負(fù)載供電,不再通過(guò)限流電阻給電容充電。當(dāng)外部DC 580 V斷開(kāi)時(shí),濾波電容兩端電壓下降,開(kāi)關(guān)器件恢復(fù)到初始斷開(kāi)位置。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 儲(chǔ)能單元放電功能驗(yàn)證

儲(chǔ)能單元先以60 kW(放電電流約115 A)放電10 min,再以90 kW(放電電流約180 A)放電3 s,最后以120 A恒流放電至480 V,儲(chǔ)能單元(初始溫度16 ℃)的放電曲線如圖9所示。

圖9 儲(chǔ)能單元的放電曲線

從圖9可以看到,儲(chǔ)能單元以60 kW放電時(shí),工作電壓為513.025 V～526.7 V,滿(mǎn)足系統(tǒng)常態(tài)供電需求;儲(chǔ)能裝置以90 kW放電時(shí),工作電壓在506.425 V～507.175 V,可見(jiàn)當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載突增時(shí)直流母線輸出電壓保持穩(wěn)定,可避免大功率負(fù)載將母線電壓拉低導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓。儲(chǔ)能單元以120 A放電至480 V,持續(xù)放電時(shí)間為24.45 min,滿(mǎn)足系統(tǒng)采用儲(chǔ)能單元單獨(dú)供電時(shí)的供電時(shí)間要求。

5.2 儲(chǔ)能單元充電功能驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)全容量放電的儲(chǔ)能單元以50 A充電至580 V,然后恒壓充電至電流小于5 A,儲(chǔ)能單元放電容量測(cè)試后的充電曲線如圖10所示。

圖10 儲(chǔ)能裝置的充電曲線

從圖10可以看到,儲(chǔ)能單元以50 A恒流充電到580 V,恒流充電時(shí)間56.9 min,恒流充電容量為47.42 Ah;儲(chǔ)能單元以580 V恒壓充電到電流下降到5 A,恒壓充電時(shí)間為7.36 min,恒壓充電容量為2.2 Ah。儲(chǔ)能單元充電總時(shí)間約64.3 min,充電容量約49.62 Ah。

5.3 供配電系統(tǒng)并網(wǎng)供電功能驗(yàn)證

為了實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)并網(wǎng)供電策略, 對(duì)供配電系統(tǒng)由空載狀態(tài)依次加入25 A、50 A、100 A負(fù)載,測(cè)試供配電系統(tǒng)的母線電壓,如圖11所示。

圖11 并網(wǎng)供電仿真波形

可以看出在空載、25 A負(fù)載以及50 A負(fù)載狀態(tài)下,母線電壓為580 V,負(fù)載電流由電源轉(zhuǎn)換裝置提供,當(dāng)接入100 A負(fù)載瞬間,電源轉(zhuǎn)換裝置限流,母線電壓跌落至560 V,負(fù)載由儲(chǔ)能單元和電源轉(zhuǎn)換裝置共同承擔(dān),且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快,滿(mǎn)足戰(zhàn)車(chē)用電系統(tǒng)需求。

5.4 軟啟動(dòng)電路功能驗(yàn)證

圖12為高壓直流供電體制下,負(fù)載的起動(dòng)波形,分別為母線電壓和負(fù)載起動(dòng)電流。考慮到電纜電阻、開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻等不理想因素,通常回路電阻較小(通常小于1 Ω)。圖12(a)為不加軟啟動(dòng)電路時(shí)的起動(dòng)波形,沖擊電流達(dá)到200 A以上,對(duì)直流母線和配電端造成較大沖擊,存在風(fēng)險(xiǎn)。圖12(b)為引入軟啟動(dòng)電路之后的起動(dòng)波形,可以看出,由于限流電阻的引入,起動(dòng)電流被限制在40 A左右,提高了系統(tǒng)可靠性。

圖12 負(fù)載起動(dòng)仿真波形

6 結(jié)束語(yǔ)

為了適應(yīng)新一代戰(zhàn)車(chē)對(duì)運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)、靜默作戰(zhàn)和全天候戰(zhàn)備值班等作戰(zhàn)方式的需求,筆者研究了一種基于儲(chǔ)能單元并網(wǎng)供電的高壓直流供配電系統(tǒng),該系統(tǒng)具有供電簡(jiǎn)單、可靠性高、效率高等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)通過(guò)直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能單元與發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)供電,滿(mǎn)足短時(shí)大功率負(fù)載的用電需求,動(dòng)態(tài)性能較好。本文詳細(xì)分析了其工作原理,驗(yàn)證了該方法的可行性。試驗(yàn)證明,該高壓直流供配電系統(tǒng)既匹配了戰(zhàn)車(chē)上的突加突卸負(fù)載,又降低了發(fā)電機(jī)組的額定功率,既提高了發(fā)射平臺(tái)供電的可靠性,又有效提升了發(fā)射平臺(tái)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。