混合能源互補(bǔ)供電在武器裝備中應(yīng)用研究

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)時或重大自然災(zāi)害，油料供應(yīng)無法有力掌控。平時對位于交通運(yùn)輸不便的高山、海島來說油料的儲運(yùn)成本高。

2）戰(zhàn)場安全性低。內(nèi)燃動力發(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)紅外和聲探測裝置探測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（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?wèi)?yīng)對多種威脅、完成多樣化任務(wù)的需要。

針對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，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)中一個新的增長點(diǎn)[3-5]。但由于裝備對供電保障系統(tǒng)的要求是可靠、高效、持續(xù)工作時間長、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)時對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、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)對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電場進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，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)電場發(fā)電裝置單機(jī)容量與數(shù)量的計算機(jī)程序。

文獻(xiàn)[8]用遺傳算法對發(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)匹配的計算機(jī)輔助設(shè)計，都在匹配計算方面有著領(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)計了一套風(fēng)光混合發(fā)電系統(tǒng)，并對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，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]提出一種基于分級模糊算法的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電場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)電場的優(yōu)化設(shè)計、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)已相對成熟、并已具有規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化。

2.2 軍事方面

目前軍隊新能源的開發(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（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

3.1 設(shè)計步驟

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)供電時間和系統(tǒng)補(bǔ)足蓄電池的最大能耗時間。

2）按照太陽能和風(fēng)能計算公式，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?，一般?～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)供電時間；N為要求補(bǔ)足蓄電池極限能耗時間；H為當(dāng)?shù)厝掌骄行照諘r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 蓄電池組計算

蓄電池起著存儲電能的關(guān)鍵作用。蓄電池組的最大持續(xù)供電時間，就是整個電源系統(tǒng)的最大持續(xù)供電時間。蓄電池組最大持續(xù)供電時間的選定，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。此值選擇太小，系統(tǒng)供電可靠性會降低；選擇太大，系統(tǒng)造價會過高。

降低蓄電池組的持續(xù)供電時間，雖可降低電源系統(tǒng)的整體建設(shè)成本，但蓄電池持續(xù)供電時間選擇偏小，卻會使蓄電池組充放電相對頻繁，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。

蓄電池組容量計算公式為

式中,Q為蓄電池容量；K為保險系數(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低溫時間而定)。

工程上也常用一個經(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，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選擇使用能量，當(dāng)上一級能量不足時，不足部分由下一級能量自動補(bǔ)足，充分利用了風(fēng)光資源，保證了只有在最關(guān)鍵時才使用蓄電池的能量，最大限度地延長了蓄電池的供電時間，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，油機(jī)啟動，待輸出穩(wěn)定后，自動切換到系統(tǒng)輸出端直接驅(qū)動負(fù)載。在太陽能將蓄電池組恢復(fù)到飽滿狀態(tài)時，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，在必要時將220 V油機(jī)發(fā)電時多余的能量補(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能量的有效管理、動態(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)?；谥绷髂妇€系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：只需對母線電壓進(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)組在外部信號控制下發(fā)電后并入交流母線，蓄電池儲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，整個系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)必須采用集成的模塊化設(shè)計，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能量的有效管理、動態(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，從能量產(chǎn)生的角度對混合能源互補(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)在裝備供電時的成敗，合理的能量管理策略對提高混合能源互補(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，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，對能量存儲、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能量的有效管理、動態(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)行策略會影響到系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)性，最終會影響到系統(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。對蓄電池的充電關(guān)心更多的是充電效率和速度，對循環(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，運(yùn)用智能控制的算法，通過對蓄電池的在線學(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，嘗試從對自然資源發(fā)電量的預(yù)測以及系統(tǒng)負(fù)荷的預(yù)測方面加強(qiáng)對能量的管理，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、容量同時作為變量和對象的綜合的充/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，因此對能量存儲、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電力及能量管理系統(tǒng)的需求。

根據(jù)裝備對電能質(zhì)量和電氣指標(biāo)的要求，對多種動態(tài)補(bǔ)償裝置進(jìn)行特性分析，通過采取不同的動態(tài)補(bǔ)償方案，由現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)對補(bǔ)償效果對比分析，配置補(bǔ)償裝置的參數(shù)，評估其綜合補(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對空情報、對海偵察雷達(dá)應(yīng)用混合能源互補(bǔ)供電時的適應(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)、電子對抗、電子偵察、電子跟蹤等所有的固定的或者移動的軍事行動，以及兵站、海島、哨所、野戰(zhàn)醫(yī)院、炊事等固定的或者移動的軍事場所。

混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)安裝快捷、移動方便，是軍隊?wèi)?zhàn)時和和平時期最為理想的軍事能源供電裝備?；旌夏茉椿パa(bǔ)供電系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化和使用推廣，可以提升新時期我軍現(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，在和平時期也能夠在引領(lǐng)全社會增強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，促進(jìn)綠色能源發(fā)展意識等方面將起到非常積極的示范作用。

[1]徐廣亮，何社善，宋來增，等.淺談南沙諸礁風(fēng)能太陽能的開發(fā)與利用[J].海軍后勤學(xué)報，2007(1):24-25.

[2]賴長江，李旭東，張東生.加快替代能源在軍事裝備中的應(yīng)用步伐[J].太陽能，2006(6):18-20.

[3]肖毅.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[D].西安：西安交通大學(xué)，2001.

[4]呂建，殷洪亮.淺談風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用[J].光伏與工程，2005，12(6):38-39.

[5]定世攀.獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)/光互補(bǔ)電站控制監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].北京:中國科學(xué)院電工研究所，2002.

[6]PRASAD R A,NATARAJAN E.Optimization of Integrated Photovoltaic-wind Power Generation Systems with Battery Storage[J].Energy,2006(31):1943-1954.

[7]NELSON D B,NEHRIR M H,WANG C.Unit Sizing and Cost Analysis of Stand-alone Hybrid Wind/PV/Fuel Cell Power Generation Systems[J].Renewable Energy,2006(31):1641-1656.

[8]KOUTROULIS E,KOLOKOTSA D,Potirakis A.Methodology for Optimal Sizing of Stand -alone Photovoltaic Wind-Generator Systems Using Genetic Algorithms[J].Solar Energy,2006(80):1072-1088.

[9]茹美琴，何慧若.風(fēng)—光復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2001，24(6):1036-1039.

[10]楊蘋，楊金明，張昊.新型太陽能風(fēng)能混合發(fā)電系統(tǒng)的研制[J].華北電力技術(shù)，2004(1):12-15.

[11]張淼.風(fēng)力太陽能混合發(fā)電控制系統(tǒng)的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2004.

[12]艾斌，楊洪興，沈輝，等.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(1)CAD設(shè)計方法[J].太陽能學(xué)報，2003，24(4):541-547.

[13]張淼，吳捷.基于分級模糊控制風(fēng)力太陽能混合發(fā)電控制系統(tǒng)的研究[J].太陽能學(xué)報,2006,27(12):1208-1213.

[14]趙建東,商執(zhí)一,王自上,等.基于遺傳算法的風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[J].電網(wǎng)與清潔能源,2011(1):56-59.

[15]KARKI R，BILLINTON R.Reliability/Cost Implications of PV and Wind Energy Utilization in Small Isolated Power Systems [J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2001，16(4):368-373.

[16]高吉普,袁越,李強(qiáng).獨(dú)立風(fēng)光混合系統(tǒng)的控制與仿真[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(5):57-61.

[17]唐雁,方瑞明.獨(dú)立式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中最大功率控制策略研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(8):53-58.

[18]陳建斌,胡玉峰,吳小辰.儲能技術(shù)在南方電網(wǎng)的應(yīng)用前景分析[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2010,4(6):32-36.

[19]樊冬梅.超導(dǎo)儲能提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性理論探討[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(3):20-24.

[20]BILLINTON R,KARKI R.Capacity Expansion of Small Isolated Power Systems Using PV and Wind Energy[J].IEEE Transactions on Power Systems,2001,16(4):892-897.

[21]DUFO-LOPEZ R,BEMAL-AAUSTIN J L.Design and Control Strategies of PV-D1esel Systems Using Genetic Algorithms[J].Solar Energy，2005(79):33-46.

[22]李戰(zhàn)鷹,胡玉峰,吳俊陽.大容量電池儲能系統(tǒng)PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究J].南方電網(wǎng)技術(shù),2010,4(5):39-42.

[23]程時杰,李剛,孫海順,等.儲能技術(shù)在電氣工程領(lǐng)域中的應(yīng)用與展望[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(2):1-8.

[24]曾杰.風(fēng)電配套電池儲能電站的仿真研究[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2010,4(Z1):126-129.

[25]胡海松,張保會,張嵩,等.微網(wǎng)中的儲能設(shè)備及飛輪儲能特性的研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(4):21-24.