直流應(yīng)急電源沖擊性負(fù)載補償策略研究

趙博 王珊珊 許嘉沄

摘 要：直流應(yīng)急電源接入沖擊性負(fù)載會對其輸入、輸出造成影響，現(xiàn)提出一種基于大電容補償和硬件限流的直流應(yīng)急電源沖擊性負(fù)載補償策略，并通過時域和頻域分析，研究了大電容補償?shù)脑O(shè)計方法。實驗結(jié)果表明，該方法既能夠抑制沖擊電流，又能夠減小輸出電壓的跌落，保障負(fù)載的安全穩(wěn)定運行，且具有實現(xiàn)簡單、易于工程化應(yīng)用的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：直流應(yīng)急電源;沖擊性負(fù)載;電容補償;限流

中圖分類號：TM761? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）08-0021-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.08.007

0? ? 引言

現(xiàn)代艦船中使用了大量的電子設(shè)備，這大大提高了艦艇的作戰(zhàn)能力，但也對艦船供電系統(tǒng)提出了更高的要求[1-2]。其中部分關(guān)鍵設(shè)備使用直流應(yīng)急電源供電，因此直流應(yīng)急電源供電的穩(wěn)定性可靠與否直接影響到艦船的戰(zhàn)斗力。目前直流應(yīng)急電源供電主要存在如下問題[3-6]：

（1）直流應(yīng)急電源負(fù)載多屬于動態(tài)特性差別較大的負(fù)載，當(dāng)負(fù)載中有沖擊電流時，直流應(yīng)急電源電壓會出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象，從而影響到直流負(fù)載或電力電子變換裝置的穩(wěn)定運行。因此，對直流應(yīng)急電源穩(wěn)定控制的時間常數(shù)要求極高，動態(tài)響應(yīng)速度要求嚴(yán)格，系統(tǒng)存在較強的剛性非線性問題。

（2）直流應(yīng)急電源中部分應(yīng)急供電負(fù)載啟動時，啟動電流遠(yuǎn)大于額定電流，且持續(xù)時間較長，導(dǎo)致其需要的瞬時輸入功率急劇增大。為保證負(fù)載的正常啟動，直流應(yīng)急電源的容量、保護(hù)器件選型、線路布置應(yīng)與瞬時啟動功率相匹配，否則容易造成直流應(yīng)急電源保護(hù)裝置誤動作，嚴(yán)重情況下甚至?xí)p壞電源裝置。

（3）直流應(yīng)急電源由電力電子半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)成，電力電子元件過載能力小，如IGBT的過流倍數(shù)僅為額定電流的2倍左右;同時保護(hù)裝置的極限通斷能力有限，因此直流應(yīng)急電源必須限制沖擊電流。

對于沖擊性負(fù)載，傳統(tǒng)的直流應(yīng)急電源通常采用基于硬件限流的控制方法[7]，如果限流值設(shè)置過低，不僅會造成直流應(yīng)急電源的輸出電壓瞬間跌落過大，而且還會對直流應(yīng)急電源的器件選型以及直流輸入的配電保護(hù)開關(guān)選型等造成影響。

為滿足直流應(yīng)急電源沖擊負(fù)載要求，本文提出了一種基于大電容補償和硬件限流的直流應(yīng)急電源沖擊性負(fù)載補償策略。首先根據(jù)沖擊性負(fù)載沖擊功率確定電容器的容量設(shè)計，然后通過大電容補償及限流技術(shù)將輸出電壓控制在負(fù)載的合理工作范圍之內(nèi)，最后通過實驗驗證了該補償策略的可行性和有效性。

1? ? 沖擊性負(fù)載補償方案

直流應(yīng)急電源采用ZVS方式移相全橋變換器作為變流裝置主電路拓?fù)?，如圖1所示。ZVS方式移相全橋變換器充分利用主電路的寄生參數(shù)，如開關(guān)器件的寄生電容和變壓器漏感、線路電感等來實現(xiàn)變換器兩個橋臂開關(guān)管的零電壓開關(guān)。此方式開關(guān)損耗小，容易實現(xiàn)高頻化，且控制簡單，頻率、脈寬恒定，只需控制移相角，無須額外的緩沖電路。

直流應(yīng)急電源的負(fù)載都可以簡化為圖2所示的等效電路圖，直流應(yīng)急電源負(fù)載的穩(wěn)態(tài)特性取決于穩(wěn)態(tài)負(fù)載的特性，其啟動特性由前端RC決定。負(fù)載啟動時，電容C處于短路狀態(tài)，沖擊電流的大小由電阻R的大小決定，隨后直流應(yīng)急電源通過電阻R給電容C充電，沖擊電流的持續(xù)時間由RC共同決定，其啟動沖擊電流波形如圖3所示。

硬件滯環(huán)限流速度快、可靠性高，是一種重要的限流手段，但硬件滯環(huán)限流可能造成輸出電壓瞬間跌落較大，影響直流應(yīng)急負(fù)載的正常工作。基于大電容補償?shù)臎_擊性負(fù)載補償方案如圖4所示，該方案既能滿足穩(wěn)態(tài)負(fù)載時的電壓要求，又能響應(yīng)沖擊性負(fù)載時的電壓要求。同時為限制輸入和輸出側(cè)的沖擊性電流，可以將大電容補償方案和硬件滯環(huán)限流結(jié)合起來，以減小對直流應(yīng)急電源容量和保護(hù)的影響。

2? ? 大電容補償設(shè)計方法

在DC/DC變換器兩端并聯(lián)大電容，此時濾波電容與大電容相比較小，可以忽略，當(dāng)電路穩(wěn)定時，大電容兩端電壓即為輸出電壓。當(dāng)阻容性負(fù)載啟動瞬間，濾波電感電流無法突變，大電容為負(fù)載供電，而此時大電容兩端電壓可近似為：

UC=U0e? ? ? ? ? ? ?（1）

可見當(dāng)電容足夠大時，大電容兩端電壓下降不大。此時大電容輸出電流為：

i=C=-e? ? （2）

根據(jù)公式（1）和（2），為了穩(wěn)定輸出電壓以及補償沖擊電流，大電容的取值越大，電壓的變化量越小，輸出電流越大。

但由于DC/DC變換器的穩(wěn)定性問題，電容的取值范圍受變換器穩(wěn)定性影響，并聯(lián)過大的電容將導(dǎo)致變換器輸出電壓產(chǎn)生振蕩。

根據(jù)ZVS移相全橋小信號模型[8]，可知經(jīng)過控制器補償后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

Gop（s）=Gc（s）·Gvd（s）

=kp+·? （3）

當(dāng)采用基于大電容補償及限流技術(shù)的補償策略時，由于在輸出端口并聯(lián)了大電容，此時系統(tǒng)的傳遞函數(shù)發(fā)生改變，系統(tǒng)傳遞函數(shù)的零極點將發(fā)生變化，因此系統(tǒng)整體穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)都將發(fā)生改變，原先基于未并聯(lián)大電容時的系統(tǒng)設(shè)計的控制器不一定能對并聯(lián)大電容的系統(tǒng)進(jìn)行補償，為此需要確定系統(tǒng)所能并聯(lián)的電容容值的取值范圍。設(shè)計電容容值的具體步驟如下：

2.1? ? 并聯(lián)電容的取值范圍

并聯(lián)大電容后的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

Gop（s）=Gc（s）·Gvd（s）

=kp+·?（4）

kC為并聯(lián)大電容后的整體等效電容，這時將k定為變量，可以畫出閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的根軌跡，即可確定系統(tǒng)穩(wěn)定時的k值取值范圍。根據(jù)式（5）即可求出系統(tǒng)所能并聯(lián)的電容取值范圍。

k=? ? ? （5）

2.2? ? 滿足系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)定裕度的電容值

通過系統(tǒng)隨并聯(lián)電容大小變化的根軌跡可得電容的最大取值，這時為了確定滿足系統(tǒng)動態(tài)性能及穩(wěn)定裕度的具體并聯(lián)電容取值，可以通過畫出具體電容取值的閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和開關(guān)傳遞函數(shù)Bode圖。按照系統(tǒng)所需滿足的動態(tài)性能要求及穩(wěn)定裕度要求[9]，選擇合適的電容取值，一般系統(tǒng)的相位裕度取30°～60°。對直流應(yīng)急電源進(jìn)行時域、頻域分析，如圖5所示。

由圖5可知，隨著并聯(lián)的大電容變大，變換器系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)將變差，階躍響應(yīng)的超調(diào)量增大，上升時間變長，調(diào)整時間增加?？梢姴⒙?lián)的大電容并不是越大越好。

根據(jù)圖6可知，當(dāng)大電容增大時，系統(tǒng)的相角裕度不斷減小。C=1.5 F時，系統(tǒng)的相角裕度為30°，無法滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。綜合考慮動態(tài)要求以及系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，取大電容為0.5 F。

3? ? 實驗驗證

根據(jù)上述沖擊性負(fù)載補償策略，搭建移相全橋電路，并針對該補償策略進(jìn)行半實物仿真驗證，移相全橋電路拓?fù)淙鐖D1所示，其中直流應(yīng)急電源額定功率為4 kW，輸入電壓為DC176～264 V，輸出電壓為DC24 V，開關(guān)頻率為50 kHz，諧振電感Lr為4 μH，隔直電容Cp為4.5 μF，變壓器變比為4.5：1：1，輸出濾波電感為10 μH，濾波電容為60 000 μF。

半實物仿真中控制器帶有硬件限流，負(fù)載為450 A沖擊性RC負(fù)載，分別針對不加大電容補償和加大電容補償兩種模式進(jìn)行驗證。實驗波形分別如圖7和圖8所示。

從上面實驗對比波形可以看出，直流應(yīng)急電源帶450 A沖擊性負(fù)載啟動，在不增加大電容補償時，輸出電壓瞬間跌落至20 V左右，輸入側(cè)有2 ms的持續(xù)充電電流，峰值為50 A左右，輸出也會有2 ms的持續(xù)電流，但瞬間放電電流會達(dá)到200 A左右;并聯(lián)大電容后，在負(fù)載啟動瞬間，輸出電壓瞬間跌落至23.8 V左右，輸入側(cè)有10 ms的持續(xù)充電電流，峰值為50 A左右，輸出也會有10 ms的持續(xù)電流，但瞬間放電電流也會達(dá)到200 A左右。因此，并聯(lián)大電容可以減小輸出電壓的跌落，但直流應(yīng)急電源輸入、輸出仍然有沖擊電流，對直流應(yīng)急電源的容量設(shè)計和保護(hù)帶來不利影響，需要通過增加限流來限制直流應(yīng)急電源輸入側(cè)和輸出側(cè)的沖擊電流。

圖9為采用所提補償策略時接入沖擊性負(fù)載波形。由圖可知，采用基于大電容補償和硬件限流的直流應(yīng)急電源沖擊性負(fù)載補償策略，不僅輸入、輸出沖擊電流得到了有效的限制，而且對輸出電壓的影響幾乎可以忽略，完全能夠滿足關(guān)鍵負(fù)載的用電需求。

4? ? 結(jié)語

本文提出了一種基于大電容補償和硬件限流的直流應(yīng)急電源沖擊性負(fù)載補償策略，該補償策略可以抑制直流應(yīng)急電源輸入、輸出的沖擊電流，無須額外增加電路，同時能降低直流應(yīng)急電源和配電保護(hù)裝置的容量，因此基于大電容輸出及限流技術(shù)的補償策略具有較好的補償效果和工程應(yīng)用價值。

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收稿日期：2022-02-14

作者簡介：趙博（1977—），男，吉林長春人，工程師，研究方向：船舶機電。