超級(jí)電容儲(chǔ)能在船舶中壓直流系統(tǒng)能量管理中的應(yīng)用

郭燚++楊濤

DOI：10.13340/j.jsmu.2016.04.014

文章編號(hào)：1672-9498（2016）04 007507

摘要：為使大功率脈沖負(fù)載能夠安全地接入船舶中壓直流系統(tǒng)，平滑需求脈沖功率，減小脈沖負(fù)載造成的母線電壓巨幅振蕩，提高能量利用率，在對(duì)雙有源全橋變換器進(jìn)行輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)（InputParallel OutputSeries， IPOS）模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，針對(duì)船舶中壓直流系統(tǒng)脈沖負(fù)載，建立超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng).為防止超級(jí)電容出現(xiàn)過(guò)度充電及過(guò)度放電的現(xiàn)象，最大限度地利用其容量，提出最小值功率控制策略.應(yīng)用MATLAB/Simulink對(duì)超級(jí)電容正常工作、過(guò)度充電和過(guò)度放電3種情況進(jìn)行仿真.仿真結(jié)果表明：最小值功率控制策略能夠明顯減小大功率脈沖負(fù)載造成的母線電壓巨幅振蕩，對(duì)超級(jí)電容端電壓最大值及最小值實(shí)現(xiàn)精確限制.

關(guān)鍵詞：

大功率脈沖負(fù)載； 中壓直流； 雙有源全橋； 超級(jí)電容； 儲(chǔ)能系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： U665.13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Application of supercapacitor energy storage in energy

management of ship medium voltage DC system

GUO Yi， YANG Tao

（Logistics Engineering College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract：

In order to make the highpower pulse load access the ship Medium Voltage DC （MVDC） system safely， smooth pulse power demand， reduce the huge bus voltage oscillation caused by pulse load， and increase energy utilization efficiency， based on an InputParallel OutputSeries （IPOS） modular design for the dual active fullbridge converter， a supercapacitor energy storage system is established for the pulse load of the ship MVDC system. In order to prevent the overcharging and overdischarging phenomena of supercapacitors and maximize the use of their capacity， the minimum power control strategy is proposed. The three cases including normal operation， overcharging and overdischarging are simulated by MATLAB/Simulink. The simulation results show that： the minimum power control strategy can greatly reduce the huge bus voltage oscillation caused by highpower pulse load， and limit the maximum and minimum of the supercapacitor terminal voltage accurately.

Key words：

highpower pulse load； Medium Voltage DC （MVDC）； dual active fullbridge； supercapacitor； energy storage system

收稿日期： 20160322

修回日期： 20160504

作者簡(jiǎn)介：

郭燚（1971—），男，安徽安慶人，副教授，博士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)，（Email）gymwmw@live.cn

0引言

美國(guó)海軍于1986年針對(duì)當(dāng)時(shí)水面戰(zhàn)艦的低能表現(xiàn)，在船舶電力推進(jìn)已在商船上成功應(yīng)用的背景下，提出了“海上革命”計(jì)劃，即綜合電力推動(dòng)（Integrated Electric Drive， IED）和綜合電力系統(tǒng)（Integrated Power System， IPS）等多種方案的系統(tǒng)研究.2007年，針對(duì)未來(lái)軍艦上裝備大功率脈沖武器（如電磁軌道炮、激光武器）后功率密度嚴(yán)重不足的問(wèn)題，美國(guó)海軍又提出下一代IPS發(fā)展規(guī)劃，最終目標(biāo)是在所有的軍艦上采用中壓直流的區(qū)域配電技術(shù)[1].但是，脈沖負(fù)載在接入船舶中壓直流系統(tǒng)前，在沒(méi)有接入儲(chǔ)能系統(tǒng)的情況下，為保證系統(tǒng)的功率平衡，不得不根據(jù)優(yōu)先級(jí)卸載一些負(fù)載或者接入備用發(fā)電機(jī)，從而導(dǎo)致燃油效率下降或環(huán)境污染.[23]

文獻(xiàn)[4]認(rèn)為，僅僅依靠發(fā)電機(jī)的機(jī)械慣量或增大額定功率無(wú)法減小大功率脈沖負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響，并認(rèn)為接入具有快速放電能力的儲(chǔ)能系統(tǒng)是解決此問(wèn)題的唯一可行方案.超級(jí)電容（Supercapacitor， SC）比傳統(tǒng)電容器具有更大的電極表面積，且與蓄電池相比優(yōu)勢(shì)明顯：充放電速度快，可實(shí)現(xiàn)大電流充放電；SC循環(huán)壽命有幾十萬(wàn)次，而蓄電池只有幾百次；SC可以緩沖頻繁的脈沖功率，本身不會(huì)損壞，但脈沖會(huì)導(dǎo)致蓄電池壽命大大縮短；SC的工作電壓范圍更寬，電壓更高，功率密度更大.SC以上優(yōu)點(diǎn)使其非常適用于船舶中壓直流系統(tǒng).

為實(shí)現(xiàn)SC的能量管理，文獻(xiàn)[5]認(rèn)為，對(duì)中低功率應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)采用BuckBoost電路拓?fù)洌⑻岢隽藥Чβ史答伒碾妷弘娏麟p閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)了母線電壓的穩(wěn)定.然而，上述中低功率應(yīng)用場(chǎng)合的電壓等級(jí)、脈沖負(fù)載的功率等級(jí)低，并且對(duì)充放電過(guò)程中可能出現(xiàn)的SC過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象沒(méi)有研究.

本文針對(duì)船舶中壓直流系統(tǒng)脈沖負(fù)載，建立超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)（Supercapacitor Energy Storage System，SCESS），提出最小值功率控制策略，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證所提方案的有效性.

1新型環(huán)形船舶中壓直流系統(tǒng)模型

為進(jìn)一步減小中壓直流系統(tǒng)的體積、提升效率，文獻(xiàn)[6]和

[7]提出了新型環(huán)形船舶中壓直流系統(tǒng)模型，見(jiàn)圖1.該模型以左右舷的2臺(tái)額定功率均為36 MW的主發(fā)電機(jī)和2臺(tái)額定功率均為4 MW的輔助發(fā)電機(jī)為電源，經(jīng)過(guò)整流器為5 kV的中壓直流母線提供能量.該模型采用分區(qū)結(jié)構(gòu)，因此中壓直流系統(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). 從船首到船尾，共有4個(gè)區(qū)域負(fù)載中心和1個(gè)目前只包含高功率雷達(dá)的負(fù)載中心.

2SCESS的DAB單元模型的設(shè)計(jì)

2.1SCESS結(jié)構(gòu)

在圖1所示的新型環(huán)形船舶中壓直流系統(tǒng)模型中，SC組和大功率脈沖負(fù)載系統(tǒng)，以及主、輔發(fā)電機(jī)

圖2SCESS模型

和5 kV中壓直流母線，共同構(gòu)成如圖2所示的SCESS模型.該模型采用移相控制雙有源全橋（Dual Active Bridge，DAB）變換器[8]控制母線與SC之間功率的大小和流向.選擇DAB變換器，主要基于3點(diǎn)理由：DAB變換器能夠通過(guò)調(diào)節(jié)原邊和副邊橋路電壓移相角的大小和正負(fù)來(lái)控制功率的大小和流向；SCESS與母線之間的隔離通過(guò)高頻變壓器實(shí)現(xiàn)；DAB可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，工作頻率更高，可實(shí)現(xiàn)更高的功率等級(jí)，濾波電容和隔離變壓器的體積和質(zhì)量也大大減小.

SC儲(chǔ)能控制單元的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.圖3中，下標(biāo)ge為發(fā)電機(jī).當(dāng)SC充電時(shí)，原邊電壓UAB的相位滯后于副邊電壓UCD的相位，能量由母線流向SC；當(dāng)SC放電時(shí)，原邊電壓UAB的相位超前于副邊電壓UCD的相位，能量由SC流向母線.因此，能量流動(dòng)的大小和方向通過(guò)控制原邊電壓UAB和副邊電壓UCD移相角的大小和正負(fù)實(shí)現(xiàn).大功率脈沖負(fù)載由圖4所示的模型來(lái)模擬.

2.2DAB的工作模式

放電模式下，SC釋放能量，能量由SC流向母線，傳輸功率表達(dá)式為

P0=nUABUCD2LfsDφ（1-Dφ）（1）

式中：Dφ為移相占空比，被定義為移相角與π之比；fs為開(kāi)關(guān)頻率；n為變壓器變比；L為電感，其值為變壓器的漏感與外加電感之和，具體計(jì)算在第2.3.2節(jié)給出.

同理，充電模式下，SC吸收能量，能量由母線流向SC，傳輸功率表達(dá)式為

P0=nUABUCD2LfsDφ（1+Dφ） （2）

2.3DAB有關(guān)參數(shù)設(shè)置

2.3.1SC的電容值參數(shù)CSC

CSC=2QU2max-U2min（3）

式中：Q為SC存儲(chǔ)的能量；Umin為SC端電壓最小限制值；Umax為SC端電壓最大限制值.由式（3）可知，Umin越小，CSC越小，然而實(shí)際情況并非完全如此：若Umin低于Umax的40%[9]，當(dāng)SC工作電壓接近Umin時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生巨大的工作電流，流過(guò)SC內(nèi)阻RSC時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的發(fā)熱現(xiàn)象，因此不得不重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)器件參數(shù).實(shí)際上，通常設(shè)置Umin為Umax的50%，Umax為母線電壓[9].

2.3.2電感L

在圖3中，電感L把DAB變換器的原、副邊橋路連接起來(lái)，主要起到傳遞能量和平滑紋波電流的作用.

L=USCE4ηSCIL_SATfs（4）

式中：ηSC為給系統(tǒng)提供足夠安全裕度的限制系數(shù)，通常約為10%；IL_SAT為SC充放電電流的限制值，本文設(shè)置為1 500 A；USCE為SC額定工作電壓，其值等于（Umax+Umin）/2.

3DAB模塊化設(shè)計(jì)

DAB變換器的模塊化設(shè)計(jì)是滿足大功率脈沖負(fù)載和儲(chǔ)能系統(tǒng)所有需求的最好方法.[10]圖5為DAB輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)（Input Parallel Output Series，IPOS）結(jié)構(gòu)：輸入端為并聯(lián)連接，實(shí)現(xiàn)分流；輸出端為串聯(lián)連接，實(shí)現(xiàn)較高的輸出電壓.因此，DAB的IPOS結(jié)構(gòu)非常適合于5 kV中壓直流母線與SC之間互聯(lián)的應(yīng)用場(chǎng)合，而且在模塊間平均分配功率

有助于減輕開(kāi)關(guān)管的應(yīng)力.圖5a與5b的不同之處在于：改進(jìn)的IPOS結(jié)構(gòu)可連接多個(gè)SC儲(chǔ)能單元，而IPOS結(jié)構(gòu)只能連接1個(gè)SC儲(chǔ)能單元.為連接SC與5 kV中壓直流母線，根據(jù)具體實(shí)際可分為2種情況：若單個(gè)SC足以提供大功率脈沖負(fù)載所需的脈沖功率或吸收脈沖負(fù)載釋放的功率，應(yīng)選擇如圖5a所示的結(jié)構(gòu)；否則，就應(yīng)該選擇如圖5b所示的結(jié)構(gòu).

綜上，針對(duì)船舶中壓直流系統(tǒng)，可以得出如圖6所示的模塊化SCESS，其中每個(gè)DAB模塊輸出端所需分擔(dān)的電壓Uo1為1 kV.在本文所研究的船舶中壓直流系統(tǒng)中，脈沖負(fù)載的需求功率很大，應(yīng)選擇如圖6b所示的連接多個(gè)SC的DAB互連結(jié)構(gòu)[11].

4模塊化DAB控制策略設(shè)計(jì)

針對(duì)SC，目前已經(jīng)發(fā)展出一些控制策略，其中有幾種比較經(jīng)典，如：電流控制策略、模糊邏輯控制策略以及功率控制策略.[1213]綜合比較以上控制策略后，選擇功率控制策略作為控制方式，原因有兩點(diǎn)：功率控制策略無(wú)論是控制還是仿真，都更容易實(shí)現(xiàn)；功率控制策略比電流控制策略更加精確.

4.1傳統(tǒng)功率控制策略

該控制策略遵循能量守恒定律.發(fā)電機(jī)功率Pge，脈沖負(fù)載功率Ppl，系統(tǒng)中其他的恒功率負(fù)載的功率之和Pl，SC功率PSC之間的關(guān)系為

Pge=Ppl+Pl+PSC

（5）

由此可知，SC功率、脈沖負(fù)載功率及系統(tǒng)中其余負(fù)載的功率之和等于從發(fā)電機(jī)中獲取的功率.據(jù)此，可得出SC電流的參考值.詳細(xì)的功率控制策略[1415]見(jiàn)圖7.經(jīng)過(guò)分析，可以總結(jié)出以下兩個(gè)缺陷：該控制策略僅有1個(gè)PI控制器，SC電流值是唯一的控制變量，而其端電壓值卻不受控制，可能漂移出其限制值；SC電壓值波動(dòng)很大，若作為一個(gè)變量計(jì)算SC電流的參考值，整個(gè)調(diào)節(jié)器將會(huì)受到非常大的干擾.

4.2最小值功率控制策略

實(shí)際上，由式（3）可知，SC存儲(chǔ)能量與其端電壓值正相關(guān).因此，為保證系統(tǒng)可控并且防止SC電壓漂移帶來(lái)的過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象，必須對(duì)SC端電壓進(jìn)行控制.為此，設(shè)計(jì)了一種最小值功率控制策略，包含PI1，PI2和PI3等3個(gè)PI控制器，分別控制SC端電壓的最小值、最大值和SC電流，見(jiàn)圖8. 設(shè)SC的最高工作電壓為950 V，最低工作電壓為550 V，為設(shè)置足夠的安全裕度，考慮將臨界端電壓限制在

5SCESS的建模和仿真

在對(duì)SCESS結(jié)構(gòu)及控制策略進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立如圖9所示的Simulink仿真模型，包括1個(gè)柴油發(fā)電機(jī)模型（經(jīng)二極管整流器接入中壓直流母線），1個(gè)大功率脈沖負(fù)載模型，5個(gè)完全相同的SC模型，5個(gè)完全相同的DAB變換器模型，其中DAB變換器模塊的連接方式為IPOS.系統(tǒng)模型仿真參數(shù)：發(fā)電機(jī)額定功率36 MW，線電壓4.16 kV，頻率240 Hz，額定轉(zhuǎn)速3 600 r/min；二極管整流器交流側(cè)串聯(lián)電感1.24×10-4 H，交流側(cè)串聯(lián)電阻7.5×10-3 Ω，直流側(cè)濾波電容1×10-3 F；SC容量30 F，等效內(nèi)阻10 mΩ，等效串聯(lián)電感0.5 mH，正常工作時(shí)初始電壓800 V，充電電壓限制時(shí)初始電壓880 V，放電電壓限制時(shí)初始電壓610 V，端電壓最大限制值900 V，端電壓最小限制值

600 V；DAB控制器PI1比例因數(shù)250，積分因數(shù)1，PI2比例因數(shù)200，積分因數(shù)2，PI3比例因數(shù)250，積分因數(shù)0.000 1.

為給SCESS提供可靠的能量供應(yīng)，建立船舶中壓直流系統(tǒng)發(fā)電子系統(tǒng)模型，如圖10所示，同步發(fā)電機(jī)的視在功率為47 MW，由于原動(dòng)機(jī)比例系數(shù)為Kscale，發(fā)電機(jī)的額定功率變?yōu)?6 MW.根據(jù)負(fù)載功率，通過(guò)功率控制環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)輸出有功功率20 MW.同時(shí)，為使二極管整流器直流側(cè)輸出的電壓穩(wěn)定在5 000 V，設(shè)置電壓控制環(huán).由圖10可知，三相測(cè)試負(fù)載的功率為5 MW，恒功率負(fù)載的功率為15 MW，因此系統(tǒng)功率平衡.

5.1恒功率負(fù)載下的仿真分析

通過(guò)圖10所示的有功功率控制環(huán)，發(fā)電機(jī)有功功率最終實(shí)現(xiàn)了20 MW的穩(wěn)定輸出，仿真結(jié)果見(jiàn)圖11a；通過(guò)母線電壓控制環(huán)，母線電壓最終實(shí)現(xiàn)了5 000 V的穩(wěn)態(tài)輸出，仿真波形見(jiàn)圖11b.通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)有功功率波形與母線電壓波形進(jìn)入穩(wěn)態(tài)

5.2同時(shí)接入恒功率負(fù)載和脈沖負(fù)載后的仿真結(jié)果分析

為得到同時(shí)接入恒功率負(fù)載和脈沖負(fù)載后母線電壓波動(dòng)情況，經(jīng)過(guò)仿真得到圖12所示的母線電壓曲線.該圖中：曲線1為系統(tǒng)接入恒功率負(fù)載后母線電壓曲線，曲線2為同時(shí)接入恒功率負(fù)載和脈沖負(fù)載后母線電壓曲線.由圖可看出：系統(tǒng)接入15 MW的恒功率負(fù)載后，母線電壓經(jīng)過(guò)約1 s的調(diào)整時(shí)間，最終恒定為5 000 V；在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)在5.20 s時(shí)接入脈沖負(fù)載，從5.20 s到5.21 s，脈沖負(fù)載功率從0突增到10.0 MW，母線電壓由5 000 V急劇跌落到3 720 V；從7.50 s到7.51 s，脈沖負(fù)載功率從10.0 MW突降到1.3 MW，回饋的功率使母線電壓躍升到5 975 V；從10.00 s到10.01 s，脈沖負(fù)載功率又突然從1.3 MW突增到10.0 MW，母線電壓由5 000 V急劇跌落到3 900 V；從12.25 s到12.26 s，脈沖功率又從10.0 MW重新突降為0，回饋的功率使母線電壓躍升到6 190 V.

圖12接入脈沖負(fù)載前后母線電壓對(duì)比

綜上可知，脈沖負(fù)載功率對(duì)母線電壓造成了巨大的影響：脈沖負(fù)載功率突增時(shí)，母線電壓在脈沖時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生巨大的跌落；脈沖負(fù)載功率突降時(shí)，母線電壓在脈沖時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生巨大的躍升.這兩種情況對(duì)系統(tǒng)的影響都是致命的.為此，對(duì)SCESS采用的最小值功率控制策略對(duì)減小母線電壓巨幅振蕩的效果進(jìn)行仿真驗(yàn)證.以此為基礎(chǔ)，對(duì)最小值功率控制策略的兩個(gè)獨(dú)特作用，SC端電壓最大值限制和SC端電壓最小值限制，進(jìn)行仿真驗(yàn)證.

5.3減小母線電壓巨幅振蕩的仿真驗(yàn)證

對(duì)圖9所示的SCESS采用最小值功率控制策略，為使SC端電壓始終保持在600～900 V內(nèi)， 設(shè)定端電壓初始值為800 V.為確保SCESS具有足夠的能量滿足脈沖負(fù)載的需求，2.0 s時(shí)接入SCESS， 母線向其充電，充電時(shí)間為3.2 s. 5.2 s時(shí)，脈沖負(fù)載接入母線，如圖13所示.對(duì)比圖12與13可知：兩種情況下5.2 s時(shí)的電壓分別為3 720 V和4 620 V，相同時(shí)間內(nèi)的跌落幅度相差900 V；后一種情況下

7.50 s，10.00 s和12.25 s時(shí)母線電壓幾乎沒(méi)有波動(dòng)，穩(wěn)定在4 500～5 500 V內(nèi)，滿足了中壓直流系統(tǒng)母線電壓4 500～5 500 V的限制[6]要求，從而減小了母線電壓巨幅振蕩，保證大功率脈沖負(fù)載安全

圖13接入SC儲(chǔ)能系統(tǒng)后母線電壓波形

接入船舶中壓直流系統(tǒng).

為進(jìn)一步研究SCESS減小母線電壓振蕩的工作原理，通過(guò)仿真得出SC端電壓、電流波形.如圖14所示，0～2 s期間，SCESS未接入母線，其端電壓恒定為800 V，電流為0.SCESS接入母線后的工作情況分為充電過(guò)程和放電過(guò)程兩部分進(jìn)行分析.

a）端電壓

b） 電流

圖14SC端電壓、電流波形

充電過(guò)程：2.00～5.20 s，SC從母線吸收能量，其端電壓從800 V上升到851 V，充電電流為500 A；7.50～10.00 s，脈沖負(fù)載回饋能量，由SC吸收并存儲(chǔ)起來(lái)，端電壓從770 V上升到834 V，充電電流為750 A；從12.26 s開(kāi)始，脈沖負(fù)載退出母線，SC重新從母線吸收能量.

放電過(guò)程：5.20～7.50 s，SC向母線釋放能量，端電壓從851 V下降到770 V，放電電流為1 000 A；10.00～12.25 s，SC向母線釋放能量，端電壓從834 V下降到755 V，放電電流為1 000 A.

根據(jù)以上分析可知：脈沖負(fù)載功率突增時(shí)，為減小母線電壓在脈沖時(shí)間內(nèi)發(fā)生的巨大跌落，由SC向母線釋放能量；脈沖負(fù)載功率突降時(shí)，為減小母線電壓在脈沖時(shí)間內(nèi)發(fā)生的巨大躍升，SC從母線吸收能量，從而大幅減小了母線電壓的巨幅振蕩.

5.4SC端電壓最大值限制的仿真驗(yàn)證

對(duì)SCESS采用最小值功率控制策略.由于SC端電壓最大限制值為900 V，為便于仿真，將其端電壓初始值設(shè)置為880 V，SCESS于2.00 s時(shí)接入母線，脈沖負(fù)載于5.20 s時(shí)接入母線.仿真得出的SC端電壓波形見(jiàn)圖15.

從圖15可以看出，在0～2.00 s內(nèi)，SC端電壓保持在初始值880 V.

移除最小值功率控制策略中的端電壓最大值限制環(huán)后，無(wú)限制充電過(guò)程（見(jiàn)圖15a）如下：在2.00～5.20 s內(nèi)，SC從母線吸收能量，端電壓上升；3.30 s時(shí)達(dá)到其限制值900 V；由于未加限制，3.30 s后端電壓繼續(xù)上升，5.20 s時(shí)達(dá)到最大值930 V.

a） 限制前

b） 限制后

圖15充電電壓限制前后SC端電壓對(duì)比

圖15b為重新加入端電壓最大值限制環(huán)后的端電壓波形，從圖中可以看出有限制充電過(guò)程如下：3.30 s時(shí)，端電壓達(dá)到其限制值900 V后不再上升，穩(wěn)定在900 V，充電電流為0；直到5.20 s接入脈沖負(fù)載后端電壓才開(kāi)始下降.這就達(dá)到了精確限制SC端電壓最大值的目的.

5.5SC端電壓最小值限制的仿真驗(yàn)證

對(duì)SCESS采用最小值功率控制策略.由于SC端電壓最小限制值為600 V，為便于仿真，將其端電壓初始值設(shè)置為610 V，SCESS于2.00 s時(shí)接入母線，脈沖負(fù)載于5.20 s時(shí)接入母線.通過(guò)仿真得出如圖16所示的SC端電壓波形.

a）限制前

b）限制后

圖16放電電壓限制前后SC端電壓對(duì)比

從圖16可以看出：在0～2.00 s內(nèi)，SC端電壓保持在初始值610 V；在2.00～5.20 s內(nèi)，SC從母線吸收能量，端電壓由610 V上升到650 V.

移除最小值功率控制策略中的端電壓最小值限制環(huán)后，無(wú)限制放電過(guò)程（見(jiàn)圖16a）如下：5.20 s時(shí)，脈沖負(fù)載接入總線，SC向母線釋放能量，其端電壓下降；6.35 s時(shí)達(dá)到其限制值600 V；由于未加限制，6.35 s后端電壓繼續(xù)下降，7.50 s時(shí)降至553 V.

圖16b為重新加入端電壓最小值限制環(huán)后的端電壓波形，從圖中可以看出有限制放電過(guò)程如下：5.20 s時(shí)，脈沖負(fù)載接入總線，SC向母線釋放能量，其端電壓下降；6.35 s時(shí)達(dá)到其限制值600 V便不再下降，在600 V保持穩(wěn)定，放電電流為0；直到7.50 s時(shí)脈沖負(fù)載功率從10.0 MW突降到1.3 MW，母線向SC回饋能量，其端電壓才開(kāi)始上升.這就達(dá)到了精確限制SC端電壓最小值的目的.

6結(jié)束語(yǔ)

大功率脈沖武器是未來(lái)采用中壓直流區(qū)域配電技術(shù)的海軍作戰(zhàn)艦艇的主要裝備，為平滑需求脈沖功率并減少脈沖負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響，同時(shí)鑒于超級(jí)電容（SC）功率密度高、充放電速度快的特點(diǎn)，建立了超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)（SCESS）.

為防止SC出現(xiàn)過(guò)度充電和過(guò)度放電的現(xiàn)象，提出最小值功率控制策略.仿真結(jié)果表明，該控制策略不僅可以根據(jù)脈沖負(fù)載需求功率實(shí)現(xiàn)對(duì)DAB快速、有效的充放電控制，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)SC端電壓工作范圍的精確限制，更重要的是，SCESS的接入大大減小了脈沖負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響，即在脈沖負(fù)載功率突變時(shí)，中壓直流母線電壓的振蕩幅度大幅降低，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和生存能力，保證大功率脈沖負(fù)載正常工作.

進(jìn)一步的研究方向：一是在每個(gè)SC模塊初始電壓不一致時(shí)進(jìn)行控制；二是將蓄電池儲(chǔ)能與SC儲(chǔ)能結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)中壓直流系統(tǒng)能量平衡并減少脈沖功率對(duì)母線的沖擊，實(shí)現(xiàn)能量?jī)?yōu)化，提高系統(tǒng)效率.

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（編輯趙勉）