飛輪儲(chǔ)能在艦船中壓直流電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

卓 秀，郭 燚，李 闖

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海201306）

隨著對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)研究的不斷深入以及艦船電力設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)戰(zhàn)艦負(fù)載不僅包括必須的推進(jìn)負(fù)載和日常用電負(fù)荷，還包括電磁彈射器、電磁軌道炮、激光炮等先進(jìn)的電磁武器，且這些先進(jìn)的電磁設(shè)備都需要依靠極大的電流產(chǎn)生電磁力［1］，發(fā)電機(jī)組卻不能快速跟隨脈沖負(fù)載的需求功率。為了有效解決所面臨的問(wèn)題，在艦船中壓直流（Medium Voltage Direct Current，MVDC）電力系統(tǒng)中接入儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)快速響應(yīng)脈沖負(fù)載需求成為現(xiàn)代及未來(lái)戰(zhàn)艦的重要舉措［2］。而飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有輸出功率大，充電時(shí)間短，結(jié)構(gòu)緊湊，工作溫度要求低，使用壽命長(zhǎng)和綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比具有很大的優(yōu)越性，是目前最有發(fā)展前景的儲(chǔ)能技術(shù)之一。

由于發(fā)電機(jī)不能夠及時(shí)響應(yīng)脈沖負(fù)載的功率需求，文獻(xiàn)［3］比較了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入對(duì)脈沖型負(fù)載的投切所造成的母線電壓波動(dòng)是否有抑制作用。文獻(xiàn)［4］提出了一種基于雙向DC-DC的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略，驗(yàn)證了所提出的控制策略在充電方面解決了傳統(tǒng)控制策略的局限性，控制靈活；在放電方面具有更好的抗負(fù)載干擾和目標(biāo)值跟隨能力。文獻(xiàn)［5］提出了雙模式雙閉環(huán)控制策略，以及相應(yīng)的飛輪工作模式自動(dòng)切換流程，可以有效抑制艦船綜合電力系統(tǒng)的電壓波動(dòng)。文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)了一種基于矢量控制的綜合控制策略，實(shí)現(xiàn)了飛輪儲(chǔ)能裝置的工作模式平滑快速切換以及功率控制的快速響應(yīng)。文獻(xiàn)［7］利用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和獨(dú)立的充放電電流變換器搭建了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電電路，驗(yàn)證了所采用電路拓?fù)浜涂刂品椒ǖ目尚行浴?/p>

本文針對(duì)艦船MVDC電力系統(tǒng)中脈沖型負(fù)載的投切造成的母線電壓波動(dòng)，設(shè)計(jì)了基于DC-DC變換器的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用平抑波動(dòng)的脈沖功率控制策略提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及運(yùn)行效率，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入能夠抑制母線電壓的波動(dòng)。

1 新型環(huán)形艦船MVDC電力系統(tǒng)模型

為了使艦船動(dòng)力系統(tǒng)配置得到優(yōu)化，節(jié)省能源，進(jìn)一步減小艦船體積、提升效率，克服大規(guī)模發(fā)電、配電和優(yōu)化有關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)，文獻(xiàn)［8］提出了環(huán)型艦船MVDC電力系統(tǒng)模型，如圖1所示。該系統(tǒng)模型分為左、右舷，每舷配置了一個(gè)額定功率主發(fā)電機(jī)和一個(gè)額定功率輔助發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器和二極管整流器相互配合，為MVDC母線提供能量，確保直流母線實(shí)現(xiàn)5 kV穩(wěn)壓。斷路器位于船頭與船尾，連接左、右舷直流母線，當(dāng)至少一個(gè)斷路器閉合時(shí)，左、右舷母線公共運(yùn)行，MVDC呈環(huán)形；當(dāng)兩個(gè)斷路器均斷開(kāi)時(shí)，MVDC分離為兩條直流母線，左、右舷母線獨(dú)立工作。艦船負(fù)載包括4個(gè)區(qū)域負(fù)載中心和1個(gè)高功率雷達(dá)負(fù)載區(qū)域中心，各自通過(guò)獨(dú)立的DC-DC變換器分別與左、右舷母線相連，實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)的變換工作，此外還有儲(chǔ)能裝置與脈沖負(fù)載分別配置于MVDC左、右舷，因此新型環(huán)形艦船MVDC電力系統(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)。

圖1 新型環(huán)形艦船MVDC電力系統(tǒng)模型

2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理

通常飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)工作時(shí)分為3個(gè)狀態(tài)：充電、放電和保持。當(dāng)系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時(shí)，飛輪電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)形式運(yùn)行，直流母線輸入的電能通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路加快飛輪的旋轉(zhuǎn)，把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能存儲(chǔ)在飛輪中；當(dāng)系統(tǒng)處于保持狀態(tài)時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放與吸收能量，但由于飛輪自身存在損耗，所以飛輪轉(zhuǎn)速略微下降；當(dāng)系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時(shí)，飛輪的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路將電能輸送到直流母線，滿足脈沖型負(fù)載的需求。由此，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)電能的存儲(chǔ)、保持和釋放［9-10］。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理如圖2所示。其中，Udc、Idc為母線電壓與電流。

圖2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理

基于d/q坐標(biāo)系下永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下所示：

忽略損耗，有

式中：ufd、ufq為電機(jī)側(cè)電壓dq軸分量；ifd、ifq為定子電流dq分量；ψfd、ψfq為定子磁鏈dq軸分量；Lfd、Lfq為定子電感dq軸分量；Rfs為定子電阻；ωf為電動(dòng)機(jī)同步角速度；ψf為氣隙磁通；Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；Pn為極對(duì)數(shù)；J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Pe為飛輪儲(chǔ)能的功率；W為飛輪存儲(chǔ)和釋放的能量；p=d/dt為微分算子。

由圖2可知，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件是帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)，有

為了提高飛輪的壽命，通常會(huì)讓飛輪轉(zhuǎn)速控制在最低轉(zhuǎn)速ωmin和最高轉(zhuǎn)速ωmax之間，那么飛輪儲(chǔ)存或釋放的能量大小為

3 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制方式一般分為轉(zhuǎn)速控制、功率控制、母線電壓控制3種，當(dāng)用于具有強(qiáng)直流電壓源的系統(tǒng)時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)控制器多采用功率控制方式，跟蹤當(dāng)前飛輪儲(chǔ)能吸收的功率。充電控制系統(tǒng)如圖3所示，功率指令通過(guò)功率控制器生成q軸電流參考值，根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以得到d、q軸電壓參考值，通過(guò)dq/αβ變換后可轉(zhuǎn)換為永磁同步電動(dòng)機(jī)在α、β兩相靜止坐標(biāo)系下的參考控制電壓值，經(jīng)過(guò)空間矢量脈寬調(diào)制單 元（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）產(chǎn)生的脈沖信號(hào)輸送給三相脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）變換器，將直流電逆變成交流電，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，將剩余的電能以電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能儲(chǔ)存起來(lái)［11］。

圖3的功率控制器內(nèi)部控制框圖如圖4所示，主要目的是利用飛輪的參考功率與飛輪輸出的電壓得到飛輪輸出電流的給定值和測(cè)量值Idc的誤差，經(jīng)過(guò)PI控制器，對(duì)開(kāi)環(huán)生成的進(jìn)行校正，最終使飛輪儲(chǔ)能快速地吸收存儲(chǔ)外部提供的能量，穩(wěn)定母線電壓。

圖3 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充電框圖

圖4 功率控制器框圖

3.1 DC/DC變換器控制方式

圖5的雙向半橋DC-DC變換器是連接飛輪儲(chǔ)能和母線的紐帶，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)以及穩(wěn)定母線電壓在5 kV，可被看作由一個(gè)Buck電路和一個(gè)Boost電路組合而成的變換器。它由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管S1、S2，兩個(gè)二極管D1、D2，電感L以及電容C1和C2構(gòu)成。當(dāng)Udc為輸入，U為輸出時(shí)，此時(shí)變換器為Boost升壓電路；當(dāng)U為輸入，Udc為輸出時(shí)，此時(shí)變換器為Buck降壓電路。

圖5 雙向半橋DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DC-DC變換器的控制方式一般有直接功率閉環(huán)控制、電壓閉環(huán)控制和輸出電流閉環(huán)控制等。其中直接功率控制［12］能提高變換器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，快速響應(yīng)負(fù)載功率需求，及時(shí)穩(wěn)定母線電壓。DC/DC直接功率控制原理如圖6所示。根據(jù)脈沖負(fù)載所需要的飛輪儲(chǔ)能釋放的功率Pfw與DC-DC變換器電壓反饋值Ufw得到電流參考值Ifw，ref；當(dāng)Pfw＞0，飛輪處于放電狀態(tài)時(shí)，Ifw，ref＞0，飛輪儲(chǔ)能通過(guò)DC-DC變換器釋放能量；當(dāng)Pfw＜0，飛輪處于充電狀態(tài)時(shí)，Ifw，ref＜0，飛輪儲(chǔ)能通過(guò)DC-DC變換器吸收能量；當(dāng)Pfw=0，飛輪處于保持狀態(tài)時(shí)，Ifw，ref=0，飛輪儲(chǔ)能與艦船MVDC電力系統(tǒng)沒(méi)有能量交換。將得到的Ifw，ref與當(dāng)前變換器電流Ifw作比較，生成PWM脈沖控制變換器開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，穩(wěn)定系統(tǒng)中脈沖型負(fù)載的投入和切除帶來(lái)的波動(dòng)。

圖6 直接功率控制

3.2 平抑波動(dòng)的脈沖功率控制方法

該控制方法遵循能量守恒定律，以飛輪儲(chǔ)能輸出功率為正、輸入功率為負(fù)，可得功率變量關(guān)系式為

式中：Pge為發(fā)電機(jī)經(jīng)整流器輸出到母線的功率；Ppl為脈沖負(fù)載需求功率；Pl為系統(tǒng)中除脈沖負(fù)載之外的所有恒功率負(fù)載消耗功率之和；Pfw為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的功率。

為減少脈沖負(fù)載功率對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及運(yùn)行效率的影響，需研究合適的策略對(duì)脈沖負(fù)載需求功率進(jìn)行控制。首先對(duì)脈沖負(fù)載需求功率曲線進(jìn)行傅里葉變換，得到其功率頻譜圖，可以初步確定截止頻率的范圍，再根據(jù)發(fā)電機(jī)和飛輪儲(chǔ)能各自的特性需求，可以確定發(fā)電機(jī)與飛輪儲(chǔ)能之間的截止頻率fc，頻率大于截止頻率的脈沖負(fù)載功率由飛輪儲(chǔ)能提供，頻率低于截止頻率的脈沖負(fù)載功率由發(fā)電機(jī)提供［13］。

根據(jù)脈沖負(fù)載功率的頻譜分布圖，結(jié)合發(fā)電機(jī)和飛輪儲(chǔ)能特性需求，可知低通濾波器的截止頻率fc的取值范圍，從而得出發(fā)電機(jī)和飛輪儲(chǔ)能輸出參考功率值，Tc為fc所對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)。對(duì)功率進(jìn)行頻域分析可得

式中：s為拉普拉斯變換后的微分算子。

由于脈沖負(fù)載的低頻分量波動(dòng)較大，帶限制的低通濾波控制策略可以對(duì)低通濾波后的發(fā)電機(jī)參考功率進(jìn)行限值修正，超出其限制的功率由飛輪儲(chǔ)能來(lái)提供。脈沖負(fù)載需求功率經(jīng)限值修正后得出發(fā)電機(jī)輸出參考功率Pge，ref，曲線平緩，波動(dòng)小，滿足發(fā)電機(jī)的輸出功率特性。由于限值修正策略引入了高頻波動(dòng)的功率分量，因此，需對(duì)Pge，ref再次濾波，最終得到發(fā)電機(jī)和飛輪實(shí)際釋放的功率值［14］，帶限制的低通濾波控制策略框圖如圖7所示。

圖7 帶限制的低通濾波控制策略框圖

4 建模和仿真分析

4.1 建模

為驗(yàn)證所提出方法的有效性，根據(jù)圖1建立了Matlab/Simulink仿真模型，包括1個(gè)發(fā)電機(jī)模型（經(jīng)二極管整流接入MVDC母線上），1個(gè)脈沖負(fù)載，1個(gè)恒功率負(fù)載，1個(gè)飛輪儲(chǔ)能模型和1個(gè)DC/DC變換器模型。系統(tǒng)模型的仿真參數(shù)：發(fā)電機(jī)的額定功率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0.124 mH，交流側(cè)串聯(lián)電阻7.5 mΩ，直流側(cè)電容1 mF；三相測(cè)試負(fù)載功率為5 MW，恒功率負(fù)載功率為15 MW；永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子電阻R=0.15Ω，定子d相和q相電感L d=L q=1 mH，極對(duì)數(shù)P=2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=400 kg·m2，永磁磁鏈ψf=0.8 V·s，額定轉(zhuǎn)速n=5732 r/min。

艦船電力系統(tǒng)中脈沖型負(fù)載主要包括電磁彈射裝置、軌道炮、脈沖雷達(dá)等周期性瞬時(shí)大功率負(fù)載［15］。脈沖負(fù)載模型的建立是利用模塊輸出的脈沖負(fù)載需求功率除以電壓表測(cè)得的端口實(shí)時(shí)電壓，獲得實(shí)際需求電流，輸入受控電流源中，恒功率負(fù)載模型的建立與此類似。

圖8所示為脈沖型負(fù)載仿真波形，1.00～1.01 s和3.00～3.01 s 3 MW脈沖負(fù)載投入，功率變化率為300 MW/s，2.00～2.01 s和4.00～4.01 s內(nèi)脈沖負(fù)載切除，功率變化率和投入時(shí)相同，可見(jiàn)脈沖負(fù)載投入切除的功率變化率非常大，且具有周期性。

圖8 脈沖型負(fù)載仿真波形

圖9所示為脈沖負(fù)載功率分配波形圖，飛輪儲(chǔ)能輸出的功率為脈沖負(fù)載功率的高頻分量，發(fā)電機(jī)輸出的是脈沖負(fù)載的低頻分量，由于對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出功率進(jìn)行了限幅修正，發(fā)電機(jī)的輸出功率相對(duì)平滑且穩(wěn)定在1 MW。

圖9 功率分配波形圖

4.2 仿真分析

4.2.1 恒功率負(fù)載 為驗(yàn)證所建立的艦船MVDC電力系統(tǒng)模型的穩(wěn)定性，對(duì)只有恒功率負(fù)載的情況進(jìn)行仿真，得出如圖10所示發(fā)電機(jī)輸出的有功功率波形和圖11所示恒功率負(fù)載時(shí)的母線電壓波形。

圖10 發(fā)電機(jī)輸出有功功率波形

圖11 恒功率負(fù)載時(shí)的母線電壓波形

由圖10可知，當(dāng)系統(tǒng)中只接入恒功率負(fù)載時(shí)，通過(guò)有功功率控制環(huán)，發(fā)電機(jī)在極端的時(shí)間內(nèi)輸出功率就可以達(dá)到20 MW，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，輸出的有功功率幾乎沒(méi)有波動(dòng)。

由圖11可知，當(dāng)系統(tǒng)中只接入恒功率負(fù)載時(shí)，通過(guò)發(fā)電機(jī)電壓控制環(huán)，母線電壓在0.2 s時(shí)就可以達(dá)到參考值5 kV，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，母線電壓的波動(dòng)很小，可得出所建立模型的穩(wěn)定性很高。

4.2.2 同時(shí)接入恒功率負(fù)載和脈沖型負(fù)載的仿真結(jié)果分析 為了更加清楚脈沖型負(fù)載對(duì)電力系統(tǒng)的影響，同時(shí)接入常規(guī)型負(fù)載和脈沖型負(fù)載并對(duì)其進(jìn)行仿真，得出如圖12所示接入脈沖型負(fù)載后的母線電壓波形。

圖12 接入脈沖負(fù)載后的母線電壓波形

從圖12可以看出，系統(tǒng)接入15 MW的恒功率負(fù)載時(shí)，母線電壓通過(guò)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中電壓控制環(huán)，經(jīng)0.2 s就可以穩(wěn)定在5 kV；在1.00～1.01 s和3.00～3.01 s時(shí)間段內(nèi)接入3 MW的脈沖型負(fù)載，發(fā)電機(jī)所發(fā)出的功率不能及時(shí)響應(yīng)脈沖負(fù)載功率需求，導(dǎo)致直流母線電壓劇烈跌落至4 kV；在2.00～2.01 s和4.00～4.01 s時(shí)間段內(nèi)脈沖型負(fù)載切除，由于發(fā)電機(jī)提供的脈沖負(fù)載功率的低頻分量的存在，母線電壓將會(huì)上升至5.3 kV。

綜上可知，脈沖型負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響很大：脈沖型負(fù)載投入會(huì)引起母線電壓的跌落，脈沖型負(fù)載的切除會(huì)引起母線電壓的上升。

4.2.3 減小母線電壓巨幅震蕩的仿真驗(yàn)證 脈沖負(fù)載的投切會(huì)導(dǎo)致母線電壓的波動(dòng)，為研究飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電壓波動(dòng)的抑制作用，接入飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行仿真如圖13所示，飛輪轉(zhuǎn)速變化如圖14所示。

圖13 接入飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)母線電壓波形

圖14 飛輪轉(zhuǎn)速變化曲線

由圖13可知，在1.0～2.0 s和3.0～4.0 s投入脈沖型負(fù)載時(shí)，發(fā)電機(jī)與飛輪儲(chǔ)能釋放能量滿足脈沖負(fù)載功率需求，母線電壓為4.9 kV，抑制了電壓降落。

由圖14可知，在0～1.0 s，飛輪和外界沒(méi)有能量交換，由于飛輪本身內(nèi)阻的存在，飛輪的轉(zhuǎn)速還是會(huì)略微下降；在1.0～2.0 s，脈沖負(fù)載的投入，飛輪提供能量，轉(zhuǎn)速?gòu)? 630 r/min下降至7 285 r/min；在2.0～3.0 s，脈沖負(fù)載切除，飛輪儲(chǔ)能吸收發(fā)電機(jī)輸出的脈沖負(fù)載的低頻分量，飛輪轉(zhuǎn)速?gòu)? 285 r/min升高至7 330 r/min；在3.0～4.0 s，脈沖負(fù)載再次投入，飛輪提供能量，轉(zhuǎn)速?gòu)? 330 r/min下降至7 052 r/min；在4.0～5.0 s脈沖負(fù)載切除，飛輪轉(zhuǎn)速?gòu)? 052 r/min升高至

7 123 r/min。

5 結(jié) 論

本文基于環(huán)形艦船MVDC電力系統(tǒng)，解決了脈沖型負(fù)載瞬時(shí)投切造成的母線電壓波動(dòng)問(wèn)題，并在Matlab/Simulink上搭建了帶飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的艦船MVDC電力系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入可以顯著抑制母線電壓的波動(dòng)，提高能量的利用率。本文不足之處在于，采用的儲(chǔ)能方式過(guò)于單一，不利于更好地維持直流電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步研究混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)母線電壓波動(dòng)的抑制情況。