基于并網(wǎng)供電技術的高壓直流供配電系統(tǒng)研究

范文晶, 王召利, 曾遠帆 , 楊 幸 , 張 帥

(1.上海機電工程研究所,上海 201109; 2.上海無線電設備研究所,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)車可構(gòu)成一個獨立的武器系統(tǒng)[1]。供配電系統(tǒng)作為戰(zhàn)車的重要組成部分,需要時刻為戰(zhàn)車上用電設備提供穩(wěn)定可靠的工作電源。傳統(tǒng)戰(zhàn)車中主要采用交流供配電方案,通常選用主機發(fā)電、市電、發(fā)電機組中的一種或者多種組合作為供能方式[2]。戰(zhàn)車作戰(zhàn)過程中存在短時大功率用電工況,例如雷達輻射、導彈發(fā)射點火、轉(zhuǎn)塔跟蹤調(diào)轉(zhuǎn)等,在傳統(tǒng)供配電方案中,由于主機、發(fā)電機組的輸出電壓動態(tài)特性較差,突加突卸負載工況對母線電壓沖擊較大,嚴重時會導致用電設備輸入掉電重啟,從而影響作戰(zhàn)任務[3]。為了避免大功率負載將母線電壓拉低導致電網(wǎng)癱瘓,通常需要按正常用電量2～3倍的余量設計供配電系統(tǒng)。傳統(tǒng)供配電方案已經(jīng)不能滿足運動戰(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。

為了改善上述問題,車載供配電方案逐漸開始轉(zhuǎn)向高壓直流體系,并受到學者們的廣泛關注。文獻[2]設計了一種高壓直流供配電系統(tǒng),分析了相關可靠性設計措施,主要通過在回路中串接熱敏電阻改善了由一次電源接口、容性負載接口和感性負載接口匹配引起的電流沖擊問題,增加電氣隔離并減小了控制失效風險。文獻[4]提出了一種車載高壓分布式供配電系統(tǒng)健康管理的設計方法,實現(xiàn)了配電系統(tǒng)的通用化、信息化和智能化。

針對上述問題,本文研究了一種基于儲能單元并網(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)電機組作為供電主能源,可滿足戰(zhàn)車的穩(wěn)態(tài)用電需求,采用基于鋰離子電池的儲能電池作為備份能源,可提供瞬時大功率。采用直流微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制技術實現(xiàn)了發(fā)電機組與儲能單元的并網(wǎng)供電,既匹配了發(fā)射平臺上的突加突卸負載,又降低了發(fā)電機組的額定功率,有效提高了戰(zhàn)車供電的可靠性,實現(xiàn)了發(fā)射車電氣系統(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)過配電開關送給用電設備,各設備僅需要進行簡單的DC/DC變換就能獲取所需的工作用電,極大地簡化了系統(tǒng)的用電結(jié)構(gòu),同時減少了電能變換級數(shù),提高了效率;配電顯控單元可實現(xiàn)全車電網(wǎng)的電壓、電流監(jiān)測,故障保護與報警以及健康管理功能;儲能單元用于滿足瞬時大功率負載的用電需求,充放電功能受配電顯控單元自動控制。

圖1 帶有儲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,可以采用更細的供電電纜,從而減小了整車電纜布線的復雜程度。綜上所述,基于儲能單元并網(wǎng)的高壓直流供配電方案使供配電系統(tǒng)具有電能傳輸簡單、并網(wǎng)策略簡單、可靠性高、節(jié)省空間等優(yōu)點。本文主要針對該供配電體制下的直流微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制技術、基于鋰離子電池的儲能單元設計和軟啟動電路設計等關鍵技術進行研究分析。

2 直流微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制技術

電力系統(tǒng)中廣義上微電網(wǎng)是將光伏、風機、燃料電池、電池儲能、外部電網(wǎng)等產(chǎn)生的電能通過一定的適配進行電力控制。本文設計的高壓直流供配電系統(tǒng)中,能源來源包括外供電、發(fā)電機組、儲能裝置等多種類型,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,無須考慮同步問題,且不存在頻率穩(wěn)定性、三相對稱性和交流損耗等問題,有效提高了整體效率。

本文設計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)運行環(huán)境。通過配置隔離變壓器、有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器等設備提高了直流配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。利用儲能單元可進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)的抗擾動能力,在電源電壓和負載大范圍變化時,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

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)均設定了電網(wǎng)功率下垂特性。由于全控整流單元能夠通過全控整流將電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),故在降壓斬波電路內(nèi)同樣設置了下垂系數(shù),當負載增加到設定值時,降壓斬波電路按照事先設定的下垂特性降低直流母線電壓。此時,雙向DC/DC監(jiān)測到直流母線出現(xiàn)跌落,能夠根據(jù)設定的下垂特性向電網(wǎng)輸出相應的功率。

圖3 全控整流器與降壓斬波電路拓撲圖

圖4 雙向DC/DC拓撲圖

本文設計方案采用基于直流母線的一次調(diào)壓方法進行系統(tǒng)功率調(diào)節(jié),可依據(jù)直流母線電壓變化所屬區(qū)間對各電源的輸出功率分配進行分段調(diào)節(jié),該方法能夠自動實現(xiàn)功率分配,動態(tài)平衡系統(tǒng)內(nèi)各電源設備輸出功率和負荷消耗功率之間的關系,無須單元間的相互通信。

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

3 基于鋰離子電池的儲能單元設計

不同儲能設備優(yōu)缺點對比如表1所示。由表1可見,與其他儲能方式相比,鋰離子電池具有能量密度大、循環(huán)壽命長、安全性能好、自放電率小、無記憶效應等優(yōu)點[5-6],被廣泛應用于電動汽車、電網(wǎng)供電等領域。同時鋰離子電池耐受極端溫度的能力更強,相同體積條件下,可以提供更大的電量,適用于戰(zhàn)車等特種車輛用電場合。目前在車用儲能供電領域,國內(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級擴展,組成儲能系統(tǒng)后可以進行大規(guī)模電能存儲[7-8],因此本文儲能單元方案選用磷酸鐵鋰電池。

表1 不同儲能設備優(yōu)缺點對比

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,同時該電池組具有較寬的平臺電壓,通過將168個單體電池單元串連,可以支撐起560 V等級的高壓直流母線。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)供電時給瞬時大負載提供穩(wěn)定的母線電壓,避免母線電壓被拉低導致電網(wǎng)癱瘓。

圖5 磷酸鐵鋰電池單體電池容量測試曲線

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,本文設計的儲能單元由磷酸鐵鋰電池組、電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)、加熱器和應急電源等組成,如圖7所示。其中,BMS具有充放電開關控制功能、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功能,實現(xiàn)了電池組高可靠性的健康管理。同時,通過采集電流進行電池荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)積分計算,并通過電壓和溫度數(shù)據(jù)進行SOC核算校準,并回告配電顯控單元,從而實現(xiàn)了電池組自動充放電的控制,避免了電池組的過充和過放電,提高了系統(tǒng)可靠性。應急電源在特殊條件下開啟,可實現(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,當電池組處于低溫環(huán)境時,可先對電池堆加熱后再對外供電。

圖7 儲能單元系統(tǒng)框圖

儲能單元主要作用如下。

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

② 應急電源:提高電能質(zhì)量和供電可靠性。在發(fā)電機組發(fā)電質(zhì)量下降和功能喪失時,可以有效保護發(fā)射平臺用電設備的可靠運行。

直流供配電系統(tǒng)中的儲能單元主要采用鋰電池作為儲能元件,本身以直流電形式工作,可以方便地接入直流微電網(wǎng),接入設備和控制技術簡單可靠。儲能單元可以在值班、靜默、應急使用時為戰(zhàn)車用電設備供電。

4 軟啟動電路設計

用電設備通常會在輸入端并聯(lián)較多的電容以實現(xiàn)濾波、去耦和儲能[9],由于高壓直流供配電系統(tǒng)正常工作時母線電壓為580 V,若此時直接將負載接入,電容充電阻抗較小,會在直流母線端造成較大的電流沖擊,往往會導致輸入熔斷器燒斷或者開關觸點燒壞,影響系統(tǒng)的可靠性[10-11]。因此需要在用電端增加軟啟動電路,減小該電流沖擊。

本文設計了一種軟啟動電路如圖8所示,通過在供電回路中增加預充電旁路,上電后,優(yōu)先對負載輸入接口中的電容充電,同時檢測電容兩端電壓,當電容兩端電壓接近供電電壓時,短路預充電旁路,避免電流長時間流過該電阻導致局部較熱。

圖8 軟啟動電路原理圖

圖8中軟啟動電路主要由開關器件(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)先通過限流電阻R給負載端濾波電容充電,當檢測電路檢測的濾波電容電壓U2達到一定的門限值(例如:DC 550 V)時,給出開關器件的控制信號,控制開關器件導通。開關器件導通后,經(jīng)過開關器件為負載供電,不再通過限流電阻給電容充電。當外部DC 580 V斷開時,濾波電容兩端電壓下降,開關器件恢復到初始斷開位置。

5 試驗驗證

5.1 儲能單元放電功能驗證

儲能單元先以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,儲能單元(初始溫度16 ℃)的放電曲線如圖9所示。

圖9 儲能單元的放電曲線

從圖9可以看到,儲能單元以60 kW放電時,工作電壓為513.025 V～526.7 V,滿足系統(tǒng)常態(tài)供電需求;儲能裝置以90 kW放電時,工作電壓在506.425 V～507.175 V,可見當系統(tǒng)負載突增時直流母線輸出電壓保持穩(wěn)定,可避免大功率負載將母線電壓拉低導致電網(wǎng)癱瘓。儲能單元以120 A放電至480 V,持續(xù)放電時間為24.45 min,滿足系統(tǒng)采用儲能單元單獨供電時的供電時間要求。

5.2 儲能單元充電功能驗證

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

圖10 儲能裝置的充電曲線

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

5.3 供配電系統(tǒng)并網(wǎng)供電功能驗證

為了實現(xiàn)供配電系統(tǒng)并網(wǎng)供電策略, 對供配電系統(tǒng)由空載狀態(tài)依次加入25 A、50 A、100 A負載,測試供配電系統(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負載以及50 A負載狀態(tài)下,母線電壓為580 V,負載電流由電源轉(zhuǎn)換裝置提供,當接入100 A負載瞬間,電源轉(zhuǎn)換裝置限流,母線電壓跌落至560 V,負載由儲能單元和電源轉(zhuǎn)換裝置共同承擔,且動態(tài)響應較快,滿足戰(zhàn)車用電系統(tǒng)需求。

5.4 軟啟動電路功能驗證

圖12為高壓直流供電體制下,負載的起動波形,分別為母線電壓和負載起動電流。考慮到電纜電阻、開關管導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)為不加軟啟動電路時的起動波形,沖擊電流達到200 A以上,對直流母線和配電端造成較大沖擊,存在風險。圖12(b)為引入軟啟動電路之后的起動波形,可以看出,由于限流電阻的引入,起動電流被限制在40 A左右,提高了系統(tǒng)可靠性。

圖12 負載起動仿真波形

6 結(jié)束語

為了適應新一代戰(zhàn)車對運動戰(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)具有供電簡單、可靠性高、效率高等優(yōu)點。該系統(tǒng)通過直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制技術實現(xiàn)了儲能單元與發(fā)電機組的并網(wǎng)供電,滿足短時大功率負載的用電需求,動態(tài)性能較好。本文詳細分析了其工作原理,驗證了該方法的可行性。試驗證明,該高壓直流供配電系統(tǒng)既匹配了戰(zhàn)車上的突加突卸負載,又降低了發(fā)電機組的額定功率,既提高了發(fā)射平臺供電的可靠性,又有效提升了發(fā)射平臺的戰(zhàn)場生存能力。