大功率混合儲能裝置控制策略研究

吳海峰,魯軍勇,馬偉明,關曉存,張曉,沈建清

(海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室,430033,武漢)

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大功率混合儲能裝置控制策略研究

吳海峰,魯軍勇,馬偉明,關曉存,張曉,沈建清

(海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室,430033,武漢)

針對電磁發射裝置在連發時其儲能電源對電網瞬時功率需求極大、一般電網難以承受的問題,提出了一種新的混合儲能方式及其控制策略。該方式將蓄電池與脈沖電容器進行復合儲能,采用多組蓄電池串聯充電的新型拓撲結構,通過調整電路參數和時序觸發控制策略,可以精確控制在不同時刻將多組蓄電池逐步接入電路對脈沖電容器充電,實現了對脈沖電容器的近似恒流充電,使脈沖電容器快速、高效地達到所要求的電壓值。仿真與試驗結果表明,該混合儲能方式合理可行,在時序觸發的控制策略下可實現在較短時間內將蓄電池能量傳遞給脈沖電容器,使功率逐級增大,從而降低網側的瞬時功率需求。

電磁發射;混合儲能;蓄電池組;觸發時序

隨著脈沖功率技術的不斷發展,作為能量源泉的脈沖電源技術日趨受到人們重視[1]。常用的脈沖功率電源直接利用電網給脈沖儲能裝置供電,儲能裝置再將能量瞬時轉換到脈沖成型網絡中以供負載使用[2]。

電磁發射裝置采用脈沖功率電源提供能量,隨著發射所需的能量越來越大,發射間隔越來越短,對電網的瞬時功率需求要求越來越高,目前常規的電力系統很難滿足要求[3]。

海軍工程大學提出了脈沖功率電源應采用混合儲能的形式,其核心思想是將電網的能量在相對較長時間內傳遞給初級能源儲存起來,以減小充電功率;當需要進行快速發射時,初級能源在短時內再給脈沖儲能裝置充電,實現了充電功率的增大。可見,在能量不變的前提下,電網與脈沖儲能間增加的初級能源起到了功率放大作用,從而減小了對電網的瞬時功率需求。

脈沖電容器是目前使用最為廣泛的脈沖儲能器件,按充電方式脈沖電容器充電可分為恒壓充電和恒流充電。恒壓充電的效率低(低于50%),不適用于大功率的場合。恒流充電過程中電流基本不變,電容器電壓呈線性上升,充電速度快,效率高,非常適用于給高壓脈沖電容器充電[4]。

脈沖電容器的能量存儲主要靠高壓直流充電電源來實現[5]。文獻[6]介紹了直流恒壓充電、線性升壓實現恒流充電和逐級臺階升壓實現近似恒流充電3種直流充電方式,得出了逐級臺階升壓實現近似恒流充電的規律,且充電效率高。

本文根據脈沖功率電源的要求,提出了蓄電池組與脈沖電容器復合的儲能方式和新型的拓撲結構;通過優化大功率蓄電池組的時序觸發策略,實現了蓄電池組逐級臺階升壓對脈沖電容器充電,極大降低了電網的功率需求。

1 混合儲能裝置總體方案

1.1 初級能源的選擇

目前,常見的脈沖功率電源的系統組成見圖1a,由圖中可見脈沖電容對電網的瞬時功率需求非常大。以文獻[7]中的技術指標為例,脈沖儲能電源為電磁發射提供能量,當炮口動能為32 MJ、電磁發射轉化效率為30%時,為達到12發/min的連發目的,即5 s充電,則瞬時功率需求為42.6 MW,一般的平臺難以提供如此大的功率。

圖1b在電網與脈沖電容間增加了可選擇的幾種初級能源作為緩沖,先在初級能源中存儲足夠的能量,若要求1 h內存儲100發的能量,對電網的瞬時功率需求就為5.92 MW,相比于圖1a的模式降低了7.19倍。可見,將初級能源與脈沖電容器進行混合儲能,可大大降低對電網瞬時功率的需求。

脈沖功率電源的初級能源形式有很多,針對不同能量和功率的脈沖電容器,對初級能源的要求也不一樣。超級電容器功率密度高,但儲能密度很低,存儲足夠的能量需要很大的體積,很難滿足小型化的要求[8]。電感儲能方式對斷路開關的要求特別苛刻,且目前超導技術成本很高[9]。利用慣性儲能,難以瞬間將全部能量取出,無法實現高功率密度要求[10]。相對來說,蓄電池儲能密度很高,功率密度也較高,能滿足目前大部分電磁發射裝置的功率需求。本文選擇將蓄電池組與脈沖電容器進行混合儲能。

(a)常見脈沖功率電源

(b)混合儲能形式的脈沖功率電源圖1 脈沖功率電源的組成

1.2 蓄電池放電總體方案

系統采用逐級臺階升壓的方式,將多組蓄電池串聯起來,通過在不同時刻控制開關逐步將蓄電池組接入到電路中,蓄電池組逐級升壓給電容器充電。電路中串入電感起限流的作用,系統拓撲結構圖如圖2所示。

圖2 系統拓撲結構圖

在不同時刻觸發開關可以使電流實現近似恒定。首先閉合第一組蓄電池的開關,將第一組蓄電池接入電路,當脈沖電容器的電壓增加到第一組蓄電池的輸出電壓時,充電電流降低,此時另一組蓄電池再切換進電路,依此類推。

本文方案設計蓄電池組為串聯,若每次依照從下至上或者從上至下的順序放電,則工作于最下方或最上方的電池組放電時間最長,長期運行后,電池組會產生明顯的不一致性。為解決這一問題,本文方案依照電池電壓從高到低的順序放電,電壓最高的先放電,電壓最低的最后放電,如此多個工作周期后,蓄電池仍可以保持較高的一致性。

2 混合儲能裝置控制策略

蓄電池組采用時序放電的控制策略,按照時序逐步將各組蓄電池接入電路,以實現脈沖電容器的充電電流為近似恒定,因此決定蓄電池觸發的時刻十分關鍵。第n組蓄電池的觸發時刻可以在給定電路參數下由基本電路理論得出,由充電電流I(t)、脈沖電容電壓VC(t)和串聯的n個蓄電池組的輸出電壓決定。

由于放電時間短,因此可以假設在放電過程中蓄電池的電壓恒定,且每組蓄電池電壓一致,由電路回路電壓之和為零可知

(1)

式中:VC(tn)為在tn時刻第n個蓄電池組剛切換到電路中時脈沖電容的電壓;VE為每個蓄電池組的電壓;Rn為電路中的總電阻。整理式(1)并對I(t)求導,得到常系數齊次線性微分方程

(2)

若電阻值滿足

Rn<2(L/C)1/2

(3)

則電路是欠阻尼的,那么I(t)的解為

I(t)=[I1sinωn(t-tn)+

(4)

其中衰減時間常數

(5)

共振頻率

(6)

(7)

將tm代入式(4)即可得到Im的值。其中蓄電池組輸出電壓和脈沖電容器電壓之差為

ΔV(t)=nVE-VC(tn)

(8)

如果不能滿足式(3),則電路是過阻尼的,此時

(9)

同理,整理計算可以得到在下一個蓄電池組觸發后電路輸出的最大電流的時間tm,代入式(4)即可得到Im的值。

設脈沖電容器所要求的峰值電流為IM,當監測到的I(t)和V(t)使Im

3 仿真結果及分析

利用仿真軟件Ansoft Simplorer建立仿真模型,仿真電路圖參照圖1所示。其中,取n=5,R0=50 mΩ,R1=R2=…=R5=500 mΩ,L=5 mH,C=2.3 mF。每個蓄電池組由10個12 V的蓄電池組成,5組蓄電池組串聯給電容充電。根據以上電路參數進行計算,得到各蓄電池組的控制時序,如表1所示。

表1 各蓄電池組的控制時序

按照該時序逐步將5個蓄電池組接入電路,則可以分別得到充電電流和電容器電壓的波形如圖3和圖4所示。

圖3 電容器的充電電流波形

圖4 電容器兩端的電壓波形

從仿真波形可以看出,充電電流基本不變,且峰

值相等,電容器兩端的電壓隨時間基本呈線性上升,這說明了該控制策略滿足了近似恒流充電的要求。

若蓄電池的電動勢和各電阻不變,取L=8 mH,C=3 mF,則得到的控制時序如表2所示。

表2 改變參數得到的控制時序

在表2時序下進行仿真,得到的電流、電壓的波形如圖5和圖6所示。

圖5 L=8 mH、C=3 mF的充電電流波形

圖6 L=8 mH、C=3 mF的電容器電壓波形

電路參數改變后,根據計算得到開通時序,就可以得到相應的波形。但是,充電電流峰值和波形寬度都發生了變化,達到所需充電電壓所需的充電時間也不一樣。可見,一旦電路參數確定了,開通時序可以唯一確定。不同電路參數可以確定不同的開通時序,不同的開通時序下得到電流和電壓波形不同。

此外,在充電電路中電感值和電容值是非常關鍵的參數,它決定了電路中的峰值電流和充電時間。其他電路參數不變,取電感L=5 mH,電容值分別為2.3 mF和4.6 mF,利用Ansoft軟件仿真,得到對比結果如圖7和圖8所示。其中,電容為2.3 mF時峰值電流為60 A,在35 ms左右完成充電;電容為4.6 mF時峰值電流約為80 A,在70 ms時完成充電。從不同電容的仿真結果可以看出,電容越大,峰值電流和波形寬度越大,充電時間也越長。

圖9和圖10給出了其他電路參數不變,電容值C=4.6 mF、電感值分別為5 mH和10 mH時,充電電流和電容電壓的仿真波形。其中,電感為5 mH時峰值電流達到80 A,在60 ms左右完成充電;電感為10 mH時峰值電流為60 A,在80 ms時完成充電。

圖7 不同電容下的充電電流波形

圖8 不同電容下的電容電壓波形

圖9 不同電感下的充電電流波形

圖10 不同電感下的電容電壓波形

從不同電感的仿真結果可以看出:①電感加大時,峰值電流變小,波形寬度增加;②電感減小后,峰值電流增加,脈寬變窄,充電時間變短。理論上電感沒有最小值限制,實際應用中主要考慮器件的通流能力和蓄電池的放電電流。

4 試驗結果及分析

根據混合儲能的系統方案,利用實驗室搭建的混合儲能樣機進行試驗。將10個額定電壓為12 V的蓄電池串聯起來作為一組,共5組。電感器為5 mH,脈沖電容器由36個64 μF的小電容并聯組成,值為2.3 mF,總儲能為414 J。蓄電池可連續放電100次,且在36 s內將蓄電池能量補充完成。混合儲能樣機如圖11所示。

(a)蓄電池組

(b)脈沖電容器圖11 混合儲能樣機

利用軟件編程,各組開關器件按表1的開通時序導通。由于軟件的控制精度為1 ms,對表1中的控制時序進行4舍5入處理,因此試驗時的控制時序如表3所示。

表3 試驗時的控制時序

在試驗過程中,用電流探頭及高壓差分探頭分別測量主回路的充電電流和脈沖電容器兩端的電壓,接入示波器觀測它們的波形。將試驗波形與仿真波形(圖3、圖4)進行對比,如圖12、圖13所示。

由圖12對比可以發現,試驗結果與理論分析及仿真結果基本一致，充電電流峰值為60 A,雖然每個波峰的電流值不完全相等,但相差不大,基本實現了近似恒流充電。

圖12 仿真與試驗的充電電流波形對比

圖13 仿真與試驗的電容電壓波形對比

試驗波形的電流在第2個和第5個峰值時低于仿真電流，出現這種情形的原因在于軟件的控制精度問題,導致蓄電池組的觸發時序與仿真的時序不一致。如圖14所示,如果太早觸發蓄電池組,峰值電流將越過所要求的電流峰值IM。相反地,如果太遲觸發蓄電池組,電流將達不到所需的值,導致電流紋波過大,影響控制精度和脈沖電容器使用壽命。

圖14 觸發時間與充電電流的關系

通過對比表1和表3可見,第2組蓄電池的觸發時間由原來的6.7 ms變為7 ms,第5組的由17.8 ms變為18 ms,觸發時刻延遲于仿真值,導致充電電流低于仿真電流值。下一步可以通過提高軟件的控制精度來改善這一問題。

圖13中仿真波形和試驗波形基本吻合,達到所要求電壓的試驗結果比仿真結果稍遲,也是因為觸發時序不準導致的充電電流的差異。電容電壓隨時間線性上升,充電速度快,效率高,驗證了系統的可行性。

為滿足發射速度的需求,要求在40 ms內將脈沖電容器充滿,當脈沖電容器直接掛電網時,其瞬時峰值功率需求為

(10)

式中:W為每一發給脈沖電容器充電的能量;t1為單發的充電時間。

采用混合儲能方式,本方案可以滿足射速要求,且電網瞬時峰值功率需求為

(11)

式中:t2為蓄電池存儲100發能量的總充電時間。

綜上可見,本樣機采用混合儲能方式后對電網的瞬時功率需求僅為脈沖電容直接掛網的1/9,極大地降低了電網的瞬時功率需求。

5 結 論

(1)在電網與脈沖電容間通過蓄電池儲能作為緩沖,先將能量存儲在蓄電池中,蓄電池在較短時間內再把能量傳遞給脈沖電容,依靠能量的二次轉移從而實現功率的放大。

(2)提出了采用多組蓄電池串聯充電的新型拓撲結構,通過時序觸發的控制策略逐級將蓄電池接入電路,精確控制各組蓄電池的觸發時間,實現給脈沖電容器近似恒流充電,并降低電流紋波系數,從而提高脈沖電容器的壽命。

(3)建立了系統仿真模型,研究了在該放電控制策略下,不同的電路參數對脈沖電容器充電性能的影響,結果表明:電容越小,峰值電流和波形寬度越小,則充電時間越短;限流電感越小,峰值電流越大,脈寬變窄,則充電時間也越短。

(4)研制了5組蓄電池和2.3 mF脈沖電容器的混合儲能樣機,試驗表明,在近似60 A的恒流下,通過預設的時序逐級串入蓄電池組,可在30 ms內將脈沖電容器電壓充至600 V,試驗結果與仿真基本吻合,驗證了該方法的有效性。

(5)在發射速度的要求下,脈沖電容器直接掛網所需瞬時峰值功率達20 700 W,而采用混合儲能方式后,其充電功率為2 300 W,僅為原來的1/9,降低了儲能裝置對電網的瞬時功率需求。

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(編輯 杜秀杰)

Control Strategy for High Power Hybrid Energy Storage Device

WU Haifeng,LU Junyong,MA Weiming,GUAN Xiaocun,ZHAN Xiao,SHEN Jianqing

(National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The storage power supply of the electromagnetic launcher in continuous emission requires extreme transient power from power grid, which usually is unable to undertake. A novel hybrid energy storage scheme and the control strategy are proposed to lower the transient power, where multiple batteries connected in series are used for the hybrid energy storage of batteries and pulse capacitors. The batteries are switched into the circuit gradually for charging the pulse capacitors with approximately constant current by timing triggering control strategy to adjust circuit parameters, thus the pulse capacitors reach the required voltage quickly and efficiently. The simulated and experimental results show that the scheme of hybrid energy storage is reasonable and feasible. The timing triggering control strategy can meet the requirement of delivering energy from the batteries to the pulse capacitors in a short period, and the power is gradually heightened to lower the extreme transient power from the power grid.

electromagnetic launch; hybrid energy storage; batteries; trigger timing

2014-06-30。

吳海峰(1990—),男,碩士生;魯軍勇(通信作者),男,研究員,博士生導師。

國家自然科學基金資助項目(51207162,51407191)。

時間:2014-09-26

10.7652/xjtuxb201502016

TM359.4

A

0253-987X(2015)02-0093-06

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140926.1339.004.html