高效能源系統(tǒng)管理與控制技術(shù)

董寶磊，劉 濤，王 霄，吳春瑜，黃 軍，何小斌

（上?？臻g電源研究所，上海 200245）

0 引言

能源系統(tǒng)是不調(diào)節(jié)母線大功率飛行器的關(guān)鍵技術(shù)之一，通常采用太陽能電池與儲能電池組合能源模式，白天太陽電池把光能轉(zhuǎn)化為電能，并在為推進系統(tǒng)和載荷提供連續(xù)電能的同時，對儲能電池進行充電。夜晚儲能電池為推進系統(tǒng)和載荷供電，實現(xiàn)能量產(chǎn)生、存儲和消耗間的動態(tài)平衡，從而滿足飛行器長期駐空對循環(huán)能源需求［1-5］。

飛行器能源系統(tǒng)性能的優(yōu)劣對飛行器能否正常飛行及實現(xiàn)預(yù)定任務(wù)有重要影響。飛行器能源系統(tǒng)由多個能源單元組成，各能源單元既相互獨立，又相互耦合影響。因此，加強能源系統(tǒng)管理與控制技術(shù)研究，實現(xiàn)能源系統(tǒng)的全局優(yōu)化控制及高效傳輸十分有必要［6-9］。

美國、日本、瑞士等國家已分別開展了以太陽能作為能源的低空飛行器計劃。國外具有代表性的是美國的循環(huán)能源系統(tǒng)動力飛行器HALE-D，其能源系統(tǒng)采用常規(guī)的太陽電池陣、儲能電池組及能源管理器的設(shè)計架構(gòu)，太陽能電池陣功率為15 kW，鋰離子電池為40 kWh；其能源管理器在技術(shù)上繼承了空間飛行器的電源設(shè)計方案，其控制只是采用了簡單的邏輯切換控制，未能適應(yīng)飛行器對高效集成化能源管理系統(tǒng)的需求［10］。

國內(nèi)的諸多高校院所針對不調(diào)節(jié)母線大功率飛行器的能源管理問題也開展了很多有益的探索。能源系統(tǒng)采用常規(guī)的太陽能電池與儲能電池組合的能源模式，采用了不調(diào)節(jié)母線的形式，動力載荷及平臺載荷直接由母線供電。為最大限度利用太陽電池陣的發(fā)電能力，功率傳輸采用了最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制方式，大大減小了太陽電池陣設(shè)計尺寸和重量；同時可以減小蓄電池組放電深度，在相同放電深度下可減輕蓄電池組重量，實現(xiàn)飛行器能源的輕質(zhì)高效設(shè)計。國內(nèi)能源管理與控制技術(shù)的研究水平已經(jīng)達到了國際領(lǐng)先水平，但是采用的MPPT控制策略未考慮百千瓦級大容量儲能電池組接近滿電時的充電功率優(yōu)化及全局優(yōu)化控制問題［11-12］。

本文結(jié)合分布式能源拓撲架構(gòu)，介紹了一種集逐級調(diào)壓控制、限流充電控制、恒流輸出控制以及MPPT控制為一體的層級梯次控制策略，實現(xiàn)分布式系統(tǒng)的全局優(yōu)化控制和飛行器能源的功率優(yōu)化調(diào)度。

1 總體方案

飛行器能源系統(tǒng)通常采用太陽電池和儲能電池聯(lián)合供電的分布式能源系統(tǒng)架構(gòu)以及MPPT控制策略，為每個太陽電池陣配備獨立的MPPT優(yōu)化器，保證每個太陽電池陣工作在各自的峰值功率點，以提高太陽電池陣的能量利用率和系統(tǒng)的發(fā)電能力。

本文飛行器能源采用不調(diào)節(jié)母線方式，太陽電池發(fā)出的能量經(jīng)過MPPT優(yōu)化器跟蓄電池相連后直接為負載供電，保證太陽電池產(chǎn)生的能量得到最大限度的利用，能量的傳輸損耗最小。其與半調(diào)節(jié)母線、全調(diào)節(jié)母線相比，減少了充電單元和放電單元環(huán)節(jié)的損耗，能量傳輸效率更高。飛行器的最大載荷是推進電機，能適應(yīng)寬范圍的電壓輸入。分布式能源系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 分布式能源系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall scheme of distributed energy system

本文設(shè)計的分布式能源系統(tǒng)架構(gòu)具備以下幾個特點：1）太陽電池陣共分12路，常值輸出功率為15 kW，峰值輸出功率共18 kW；2）儲能蓄電池組工作電壓范圍234～328 V，采用90串28并設(shè)計形式；3）能源管理器由6個MPPT供電模塊并聯(lián)組成，每個模塊包含2路MPPT電路，每路對應(yīng)1個太陽電池陣，單路額定功率1.25 kW，峰值功率1.5 kW，實時跟蹤太陽電池陣最大功率點，充分利用太陽電池陣的能量；4）能源管理器包含1個智能接口單元，采集能源系統(tǒng)的狀態(tài)信息，實現(xiàn)與艇務(wù)計算機的交互通信。

能源管理器是飛行器能源系統(tǒng)實現(xiàn)控制管理的核心，其主要功能是對飛行器的能源進行合理有效的分配和管理。能源系統(tǒng)工作模式的多樣化，主要表現(xiàn)為能源管理器的多模式控制策略。

能源系統(tǒng)通常只具備MPPT跟蹤、恒壓充電、儲能蓄電池獨立放電等3個工作模式：1）MPPT跟蹤模式。光照期，當蓄電池組電壓低于設(shè)定電壓點時，系統(tǒng)進入MPPT跟蹤模式；若太陽電池陣功率大于負載功率，多余能量為蓄電池組充電；若太陽電池陣功率小于負載功率，不足能量由蓄電池組放電補充。2）浮充模式。光照期時，太陽陣最大輸出功率大于負載和蓄電池的總需求，蓄電池組電壓達到最高電壓點時，對蓄電池組進行浮充。3）蓄電池組獨立放電。陰影期，太陽陣的輸出功率為零，負載所需的功率全部由蓄電池提供。

能源系統(tǒng)的常規(guī)控制策略，存在以下兩個主要缺陷：1）浮充模式無限流。能源系統(tǒng)常規(guī)控制策略決定了只能單一控制充電電壓或電流，不可能同時控制兩個量。能源系統(tǒng)接近浮充工作模式時，蓄電池組充電電流依然很大；而且能源系統(tǒng)進入浮充模式后，由于充電電路線損的存在，蓄電池組充電電流值雖然慢慢減小，但是減小速度很慢。蓄電池組接近滿電狀態(tài)時，依然有很大的充電電流，容易引起蓄電池組不均衡、過充、過溫等問題，還會影響蓄電池組使用壽命。2）MPPT模式下充電電流不可控。MPPT模式下，太陽電池陣發(fā)出的能量除了給載荷供電外，其余能量全部用來充電。如果光照條件較好，太陽電池陣發(fā)出的能量超過預(yù)期，或者由于負載功率較小導(dǎo)致充電電流過大，也會給能源管理器或蓄電池組造成不必要的損傷。尤其是飛行器能源系統(tǒng)功率等級越來越高，這種情況的影響就愈大。

因此，本文針對能源系統(tǒng)的常規(guī)控制策略的缺陷，提出一種集逐級調(diào)壓控制、限流充電控制、恒流輸出控制以及MPPT控制為一體的層級梯次控制策略，實現(xiàn)分布式系統(tǒng)的全局優(yōu)化控制和飛行器能源的功率優(yōu)化調(diào)度。

2 控制策略設(shè)計

本文提出的層級梯次控制策略框圖如圖2所示，層級梯次控制策略以MPPT模式為核心，通過檢測能源系統(tǒng)的狀態(tài)信息，并結(jié)合各模式的工作條件自主完成模式切換，實現(xiàn)飛行器能源的功率優(yōu)化調(diào)度。

圖2 層級梯次控制策略框圖Fig.2 Block diagram of hierarchical control strategy

2.1 MPPT模式

能源系統(tǒng)在MPPT模式下存在兩種工作狀態(tài)：1）MPPT跟蹤、蓄電池組充電模式。光照期時，太陽陣最大輸出功率大于負載且小于負載和蓄電池充電功率的總需求時，系統(tǒng)進入MPPT充電模式，功率調(diào)節(jié)器處于MPPT跟蹤狀態(tài)，太陽電池陣工作在最大功率點，太陽電池陣提供全部負載功率，剩余能量為蓄電池組充電。2）MPPT跟蹤、蓄電池組放電模式。光照不足時，太陽陣的輸出功率小于負載需求時，太陽電池陣和蓄電池組共同為負載提供功率，功率調(diào)節(jié)器處于MPPT跟蹤狀態(tài)，不足功率由蓄電池組進行補充放電，太陽電池陣工作在最大功率點。以上兩種狀態(tài)下，能源管理器均工作在MPPT模式，為能源系統(tǒng)狀態(tài)控制的核心。

本文采用交錯擾動法作為MPPT算法方案，其核心思想是“欲右先左、欲上先下”。假設(shè)采集到的電壓信號為V，那么擾動電壓信號使得電壓信號變?yōu)?.97 V，這個比例是可調(diào)節(jié)的，電流信號也相應(yīng)有所變化，其趨勢是向后一小步向前一大步（相對于太陽陣的最大功率點），即電壓電流的變化使得太陽陣的工作點向最大功率點靠近，因此，經(jīng)過數(shù)次擾動，系統(tǒng)會較快地找到最大功率點。

基于電壓電流的擾動思想，本文進行了MPPT算法的電路設(shè)計，如何實現(xiàn)電壓電流交錯擾動是算法實現(xiàn)的關(guān)鍵，MPPT算法電路包含5個模塊：電壓擾動電路（N1）、電流擾動電路（N2）、復(fù)位電路（N3）、邏輯控制電路（N4）、Pi調(diào)節(jié)電路（Proportional Integral Controller）（N5），如圖3所示。圖中，V1為太陽電池陣電壓的采樣值，I1為太陽電池陣電流的采樣值，I2為功率調(diào)節(jié)電路的電流采樣值，Vreset為電壓擾動電路的輸出值，Vset為電流擾動電路的輸出值，Vmppt_ref為邏輯控制電路的輸出值。

圖3 MPPT算法電路Fig.3 MPPT algorithm circuit

交錯擾動法簡單可靠，魯棒性好，追蹤速度快，容易用硬件電路來實現(xiàn)。

能源系統(tǒng)在一定條件下可從MPPT模式轉(zhuǎn)換為另外3種工作模式：1）當母線電壓達到設(shè)定值時，能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)為逐級調(diào)壓控制模式，限制充電電壓和電流；2）當母線電流達到設(shè)定值時，能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)為恒流輸出模式，限制能源管理器的輸出功率；3）當母線電流與負載電流的差，即充電電流值達到設(shè)定值時，能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)為限流充電模式，限制充電電流。

2.2 逐級調(diào)壓控制模式

能源管理器功率輸出接口與儲能電池組功率接口通過線纜直接相連，能源管理器與蓄電池連接示意圖如圖4所示。一般線纜上的阻抗很?。ê翚W級），能源管理器輸出電壓V1和儲能蓄電池電壓V2滿足

式中：I為充電電流。一般能源管理器只設(shè)置恒壓充電模式，即V1固定一個最高電壓值，當V2足夠接近V1時，充電電流I才能逐漸減小。

圖4 能源管理器與蓄電池連接示意圖Fig.4 Schematic diagram of energy manager and battery connection

當能源管理器以MPPT模式充電，且電壓值V1接近恒壓點時，蓄電池組的充電電流依然很大，為了解決這個問題，本文提出了逐級調(diào)壓控制模式，即能源管理器恒壓控制點V1不再是一個固定值，而是隨著控制策略的變化隨動改變，從而改變充電電流值。逐級調(diào)壓控制流程圖如圖5所示。

圖5 逐級調(diào)壓控制流程圖Fig.5 Flow chart of step by step voltage regulation control

假設(shè)儲能蓄電池組最高可達到的電壓值為V1max，ΔV1和ΔV2是可調(diào)微小變量。設(shè)置能源管理器輸出電壓值V1初始量為V1max-ΔV1，結(jié)合能源管理器與儲能電池組連接線纜阻抗R，合理設(shè)置ΔV1，確保恒壓點為V1max-ΔV1時的充電電流在0.1 C（蓄電池組容量的1/10）左右。檢測當前充電電流值I，當I小于0.1 C時，主動設(shè)置恒壓點在當前值的基礎(chǔ)上增加ΔV2，然后依次恒壓點充電，直至充電電流小于0.1 C后，再次調(diào)整恒壓點。以此類推，直至恒壓點V1達到V1max。蓄電池電壓達到V1max后，如果充電電流值為0或者檢測到蓄電池組放電，立刻將恒壓點初始化，即設(shè)置為V1max-ΔV1，以保證新的恒壓充電循環(huán)正常工作。逐級調(diào)壓控制策略解決了蓄電池組電壓浮充時充電電流很大的難題，避免了蓄電池組可能發(fā)生的過充、過溫等問題，有效延長了蓄電池組的使用壽命。能源系統(tǒng)在逐級調(diào)壓控制策略下，蓄電池處于接近滿電或者滿電狀態(tài)，只有蓄電池組放電才能改變其狀態(tài)，而蓄電池放電，能源系統(tǒng)即轉(zhuǎn)為MPPT狀態(tài)。因此，逐級調(diào)壓控制模式，只能轉(zhuǎn)為MPPT模式。

2.3 限流充電模式

能源系統(tǒng)充電電流達到設(shè)定值時，即轉(zhuǎn)入限流充電模式。由于MPPT供電電路輸出電流可能既包含充電電流又包含負載供電電流，因此，不可能像恒壓充電那樣通過蓄電池充電電流采樣進行統(tǒng)一控制。另外，蓄電池組充、放電電流方向不一致，對其進行電流采樣并直接用于充電恒流控制也較為困難。本文采用了總負載電流各自限流的方法，即以Iout作為每路MPPT供電電路輸出的最大電流：

式中：IL為負載電流；ICmax為蓄電池組充電電流上限值；n為MPPT供電電路的路數(shù)。

本文研制的能源管理器，ICmax的值為50 A，n是12路，以此動態(tài)控制各MPPT電路的電流輸出，確保在不影響負載供電的前提下，限制充電電流。限流充電控制框圖如圖6所示。

圖6 限流充電控制框圖Fig.6 Block diagram of current limiting charging control

對于每路MPPT供電電路，其輸出電流最大（按照整機最大18 kW）為6.25 A，因此，選用10 A霍爾電流傳感器對其進行輸出電流采樣，霍爾輸出電壓VHALL，Iout與檢測電流Iout的線性關(guān)系為VHALL，Iout=0.4Iout。對該電壓再進行分壓，并與利用加法電路以及電阻分壓得到的恒流充電動態(tài)參考值共同組成恒流充電PI控制環(huán)，最終實現(xiàn)以總負載電流各自限流的方法達到恒流充電目的。

能源系統(tǒng)在一定條件下可從限流充電模式轉(zhuǎn)換為另外3種工作模式：1）當母線電壓采樣達到設(shè)定值時，能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)為逐級調(diào)壓控制模式，限制充電電壓和電流；2）當母線電流采樣達到設(shè)定值時，能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)為恒流輸出模式，限制能源管理器的輸出功率；3）當母線電流采樣與充電電流均小于設(shè)定值，母線電壓未達到設(shè)定值時，能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)為MPPT模式。

2.4 恒流輸出模式

能源系統(tǒng)的全局優(yōu)化控制，需要各單機互相配合協(xié)同工作。太陽電池陣發(fā)出的功率需要跟MPPT供電電路相匹配，然而飛行器太陽電池陣臨空條件決定了其峰值功率只可能是瞬間或者短時功率，因此，無需按照峰值功率設(shè)計MPPT供電電路。但是，為了防止峰值功率對MPPT供電電路造成損壞，需要限制太陽電池陣發(fā)出的最大功率。限流充電模式下，能源管理器只限制了充電電流，并不能限制MPPT供電電路的輸出電流，而且限流充電值遠小于MPPT供電電路可能的最大輸出電流。

本文采用了MPPT供電電路恒流輸出控制模式，當MPPT供電電路輸出電流達到設(shè)定值時，限制其輸出電流，從而達到限制太陽電池陣輸出功率的目的。恒流輸出控制框圖如圖7所示。

圖7 恒流輸出控制框圖Fig.7 Block diagram of constant current output control

能源系統(tǒng)在一定條件下也可從恒流輸出模式轉(zhuǎn)換為另外3種工作模式，轉(zhuǎn)換過程類似于限流充電轉(zhuǎn)換過程，本文不再詳述。

3 實驗結(jié)果與分析

通過以上研究最終研制完成了飛行器15 kW能源管理器樣機，能源管理系統(tǒng)（Power Control Unite，PCU）共有8個模塊，包含1個PIU模塊、6個MPPT功率模塊和1個功率分配模塊。圖8為能源管理器樣機實物圖。

圖8 能源管理器樣機實物圖Fig.8 Physical picture of energy manager prototype

能源管理器效率曲線如圖9所示，滿載效率≥97%。能源管理器質(zhì)量不大于20 kg，比功率大于750 W/kg，滿足高比功率的要求。

圖9 能源管理器效率曲線Fig.9 Efficiency curves of energy manager

圖10為能源管理器母線動態(tài)響應(yīng)測試圖。當負載發(fā)生突變時，能源管理器能夠在較短的時間內(nèi)恢復(fù)母線電壓的穩(wěn)定，動態(tài)響應(yīng)測試性能良好。圖10（a）中，綠色為母線紋波（峰-峰值200 mV），黃色為負載電流（7 A→9 A）；圖10（b）中，綠色為母線紋波（峰-峰值184 mV），黃色為負載電流（9 A→7 A）。

圖10 能源管理器母線動態(tài)響應(yīng)測試圖Fig.10 Test patterns for the dynamic responses of energy manager bus

4 結(jié)束語

本文針對飛行器能源系統(tǒng)管理與控制技術(shù)進行了研究，主要以實現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)的全局優(yōu)化控制為目的，研究了一種集逐級調(diào)壓控制、限流充電控制、恒流輸出控制以及MPPT控制為一體的層級梯次控制策略，極大地改善了飛行器能源的功率優(yōu)化調(diào)度能力，適應(yīng)了飛行器工礦復(fù)雜多變的應(yīng)用需求。本文研制的15 kW的PCU工程樣機，實驗結(jié)果表明具有良好的性能及較高的重量比功率，為不調(diào)節(jié)母線大功率飛行器提供高效集成化能源管理系統(tǒng)。本文采用了常規(guī)的模擬電路來實現(xiàn)控制策略的驗證，限制了控制策略發(fā)揮其最大性能，同時又限制了能源管理器功率密度的提升。后續(xù)工作將考慮采用數(shù)字控制及寬禁帶功率器件來改善此控制策略的性能。