基于并網(wǎng)供電技術(shù)的高壓直流供配電系統(tǒng)研究

范文晶, 王召利, 曾遠帆 , 楊 幸 , 張 帥

(1.上海機電工程研究所,上海 201109; 2.上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109)

新一代防空武器系統(tǒng)不斷朝著集成化的方向發(fā)展,一輛戰(zhàn)車可構(gòu)成一個獨立的武器系統(tǒng)[1]。供配電系統(tǒng)作為戰(zhàn)車的重要組成部分,需要時刻為戰(zhàn)車上用電設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的工作電源。傳統(tǒng)戰(zhàn)車中主要采用交流供配電方案,通常選用主機發(fā)電、市電、發(fā)電機組中的一種或者多種組合作為供能方式[2]。戰(zhàn)車作戰(zhàn)過程中存在短時大功率用電工況,例如雷達輻射、導(dǎo)彈發(fā)射點火、轉(zhuǎn)塔跟蹤調(diào)轉(zhuǎn)等,在傳統(tǒng)供配電方案中,由于主機、發(fā)電機組的輸出電壓動態(tài)特性較差,突加突卸負載工況對母線電壓沖擊較大,嚴(yán)重時會導(dǎo)致用電設(shè)備輸入掉電重啟,從而影響作戰(zhàn)任務(wù)[3]。為了避免大功率負載將母線電壓拉低導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓,通常需要按正常用電量2～3倍的余量設(shè)計供配電系統(tǒng)。傳統(tǒng)供配電方案已經(jīng)不能滿足運動戰(zhàn)、靜默作戰(zhàn)和全天候戰(zhàn)備值班等新一代作戰(zhàn)方式的需求。

為了改善上述問題,車載供配電方案逐漸開始轉(zhuǎn)向高壓直流體系,并受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。文獻[2]設(shè)計了一種高壓直流供配電系統(tǒng),分析了相關(guān)可靠性設(shè)計措施,主要通過在回路中串接熱敏電阻改善了由一次電源接口、容性負載接口和感性負載接口匹配引起的電流沖擊問題,增加電氣隔離并減小了控制失效風(fēng)險。文獻[4]提出了一種車載高壓分布式供配電系統(tǒng)健康管理的設(shè)計方法,實現(xiàn)了配電系統(tǒng)的通用化、信息化和智能化。

針對上述問題,本文研究了一種基于儲能單元并網(wǎng)供電的高壓直流供配電系統(tǒng),該系統(tǒng)選用較小額定功率的發(fā)電機組作為供電主能源,可滿足戰(zhàn)車的穩(wěn)態(tài)用電需求,采用基于鋰離子電池的儲能電池作為備份能源,可提供瞬時大功率。采用直流微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制技術(shù)實現(xiàn)了發(fā)電機組與儲能單元的并網(wǎng)供電,既匹配了發(fā)射平臺上的突加突卸負載,又降低了發(fā)電機組的額定功率,有效提高了戰(zhàn)車供電的可靠性,實現(xiàn)了發(fā)射車電氣系統(tǒng)故障的快速診斷定位。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為本文提出的高壓直流供配電方案系統(tǒng)框圖,主要包括電源轉(zhuǎn)換裝置、儲能單元和配電顯控單元。其中電源轉(zhuǎn)換裝置將整流得到的580 V高壓直流經(jīng)過配電開關(guān)送給用電設(shè)備,各設(shè)備僅需要進行簡單的DC/DC變換就能獲取所需的工作用電,極大地簡化了系統(tǒng)的用電結(jié)構(gòu),同時減少了電能變換級數(shù),提高了效率;配電顯控單元可實現(xiàn)全車電網(wǎng)的電壓、電流監(jiān)測,故障保護與報警以及健康管理功能;儲能單元用于滿足瞬時大功率負載的用電需求,充放電功能受配電顯控單元自動控制。

圖1 帶有儲能單元的高壓直流供配電系統(tǒng)

圖2 直流微電網(wǎng)示意圖

由于母線電壓的提高,電能傳輸?shù)碾娏鳒p小,可以采用更細的供電電纜,從而減小了整車電纜布線的復(fù)雜程度。綜上所述,基于儲能單元并網(wǎng)的高壓直流供配電方案使供配電系統(tǒng)具有電能傳輸簡單、并網(wǎng)策略簡單、可靠性高、節(jié)省空間等優(yōu)點。本文主要針對該供配電體制下的直流微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制技術(shù)、基于鋰離子電池的儲能單元設(shè)計和軟啟動電路設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)進行研究分析。

2 直流微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制技術(shù)

電力系統(tǒng)中廣義上微電網(wǎng)是將光伏、風(fēng)機、燃料電池、電池儲能、外部電網(wǎng)等產(chǎn)生的電能通過一定的適配進行電力控制。本文設(shè)計的高壓直流供配電系統(tǒng)中,能源來源包括外供電、發(fā)電機組、儲能裝置等多種類型,是一種縮比型的直流微電網(wǎng)。

相比于交流電網(wǎng),直流微電網(wǎng)減少了中間直-交的電力變換環(huán)節(jié),直流母線段也減少了多級變流器的使用,更加節(jié)能且系統(tǒng)成本和損耗更低,更重要的是直流微電網(wǎng)中的分布式電源只受控于直流電壓,無須考慮同步問題,且不存在頻率穩(wěn)定性、三相對稱性和交流損耗等問題,有效提高了整體效率。

本文設(shè)計的高壓直流供配電系統(tǒng)利用微電源參與功率平衡調(diào)節(jié),并利用電力電子接口控制算法改善了電網(wǎng)運行環(huán)境。通過配置隔離變壓器、有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器等設(shè)備提高了直流配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。利用儲能單元可進行快速的功率平衡調(diào)節(jié),保證了直流母線電壓的穩(wěn)定性。通過變流器控制策略和微電網(wǎng)控制模式優(yōu)化,可以提高直流配電網(wǎng)的抗擾動能力,在電源電壓和負載大范圍變化時,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

直流微電網(wǎng)電壓控制策略主要采用下垂控制,在全控整流設(shè)備的降壓斬波電路(如圖3所示)與雙向DC/DC變換器(如圖4所示)內(nèi)均設(shè)定了電網(wǎng)功率下垂特性。由于全控整流單元能夠通過全控整流將電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),故在降壓斬波電路內(nèi)同樣設(shè)置了下垂系數(shù),當(dāng)負載增加到設(shè)定值時,降壓斬波電路按照事先設(shè)定的下垂特性降低直流母線電壓。此時,雙向DC/DC監(jiān)測到直流母線出現(xiàn)跌落,能夠根據(jù)設(shè)定的下垂特性向電網(wǎng)輸出相應(yīng)的功率。

圖3 全控整流器與降壓斬波電路拓撲圖

圖4 雙向DC/DC拓撲圖

本文設(shè)計方案采用基于直流母線的一次調(diào)壓方法進行系統(tǒng)功率調(diào)節(jié),可依據(jù)直流母線電壓變化所屬區(qū)間對各電源的輸出功率分配進行分段調(diào)節(jié),該方法能夠自動實現(xiàn)功率分配,動態(tài)平衡系統(tǒng)內(nèi)各電源設(shè)備輸出功率和負荷消耗功率之間的關(guān)系,無須單元間的相互通信。

當(dāng)負載需求小于發(fā)電機組額定功率的70%(可設(shè))時,發(fā)電機組通過全控整流裝置維持母線電壓,儲能單元充電或離網(wǎng)狀態(tài)無須參與功率調(diào)節(jié)。當(dāng)負載需求大于發(fā)電機組額定功率的70%時,儲能單元并網(wǎng)放電,發(fā)電機組與儲能單元按照事先設(shè)定的下垂特性曲線,保證系統(tǒng)功率分配。

3 基于鋰離子電池的儲能單元設(shè)計

不同儲能設(shè)備優(yōu)缺點對比如表1所示。由表1可見,與其他儲能方式相比,鋰離子電池具有能量密度大、循環(huán)壽命長、安全性能好、自放電率小、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點[5-6],被廣泛應(yīng)用于電動汽車、電網(wǎng)供電等領(lǐng)域。同時鋰離子電池耐受極端溫度的能力更強,相同體積條件下,可以提供更大的電量,適用于戰(zhàn)車等特種車輛用電場合。目前在車用儲能供電領(lǐng)域,國內(nèi)外主要使用鈷酸鐵鋰電池、三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池3種。其中,磷酸鐵鋰電池支持無級擴展,組成儲能系統(tǒng)后可以進行大規(guī)模電能存儲[7-8],因此本文儲能單元方案選用磷酸鐵鋰電池。

表1 不同儲能設(shè)備優(yōu)缺點對比

圖5為磷酸鐵鋰電池單體的充、放電特性,常溫下(25 ℃)單體電池1 C放電容量為52.5 Ah,同時該電池組具有較寬的平臺電壓,通過將168個單體電池單元串連,可以支撐起560 V等級的高壓直流母線。圖6為磷酸鐵鋰電池在常溫條件下以不同倍率放電的放電曲線,可以看出該電池組能夠在并網(wǎng)供電時給瞬時大負載提供穩(wěn)定的母線電壓,避免母線電壓被拉低導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓。

圖5 磷酸鐵鋰電池單體電池容量測試曲線

圖6 磷酸鐵鋰電池不同倍率放電曲線

為了保證作戰(zhàn)系統(tǒng)用電的可靠性,本文設(shè)計的儲能單元由磷酸鐵鋰電池組、電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)、加熱器和應(yīng)急電源等組成,如圖7所示。其中,BMS具有充放電開關(guān)控制功能、電池組單體電壓采集功能、溫度采集功能、電壓均衡管理及二次保護功能,實現(xiàn)了電池組高可靠性的健康管理。同時,通過采集電流進行電池荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)積分計算,并通過電壓和溫度數(shù)據(jù)進行SOC核算校準(zhǔn),并回告配電顯控單元,從而實現(xiàn)了電池組自動充放電的控制,避免了電池組的過充和過放電,提高了系統(tǒng)可靠性。應(yīng)急電源在特殊條件下開啟,可實現(xiàn)DC 540 V轉(zhuǎn)DC 24 V給電池管理系統(tǒng)模塊供電。加熱器安裝在電池堆內(nèi)部,當(dāng)電池組處于低溫環(huán)境時,可先對電池堆加熱后再對外供電。

圖7 儲能單元系統(tǒng)框圖

儲能單元主要作用如下。

① 削峰填谷:平衡大功率短時間用電負載,利用儲能裝置可以降低發(fā)電機組的輸出功率,提高發(fā)電機組的使用率。

② 應(yīng)急電源:提高電能質(zhì)量和供電可靠性。在發(fā)電機組發(fā)電質(zhì)量下降和功能喪失時,可以有效保護發(fā)射平臺用電設(shè)備的可靠運行。

直流供配電系統(tǒng)中的儲能單元主要采用鋰電池作為儲能元件,本身以直流電形式工作,可以方便地接入直流微電網(wǎng),接入設(shè)備和控制技術(shù)簡單可靠。儲能單元可以在值班、靜默、應(yīng)急使用時為戰(zhàn)車用電設(shè)備供電。

4 軟啟動電路設(shè)計

用電設(shè)備通常會在輸入端并聯(lián)較多的電容以實現(xiàn)濾波、去耦和儲能[9],由于高壓直流供配電系統(tǒng)正常工作時母線電壓為580 V,若此時直接將負載接入,電容充電阻抗較小,會在直流母線端造成較大的電流沖擊,往往會導(dǎo)致輸入熔斷器燒斷或者開關(guān)觸點燒壞,影響系統(tǒng)的可靠性[10-11]。因此需要在用電端增加軟啟動電路,減小該電流沖擊。

本文設(shè)計了一種軟啟動電路如圖8所示,通過在供電回路中增加預(yù)充電旁路,上電后,優(yōu)先對負載輸入接口中的電容充電,同時檢測電容兩端電壓,當(dāng)電容兩端電壓接近供電電壓時,短路預(yù)充電旁路,避免電流長時間流過該電阻導(dǎo)致局部較熱。

圖8 軟啟動電路原理圖

圖8中軟啟動電路主要由開關(guān)器件(固態(tài)繼電器或接觸器)和限流電阻組成,上電瞬間,外部供電電壓U1(例如:DC 580 V)先通過限流電阻R給負載端濾波電容充電,當(dāng)檢測電路檢測的濾波電容電壓U2達到一定的門限值(例如:DC 550 V)時,給出開關(guān)器件的控制信號,控制開關(guān)器件導(dǎo)通。開關(guān)器件導(dǎo)通后,經(jīng)過開關(guān)器件為負載供電,不再通過限流電阻給電容充電。當(dāng)外部DC 580 V斷開時,濾波電容兩端電壓下降,開關(guān)器件恢復(fù)到初始斷開位置。

5 試驗驗證

5.1 儲能單元放電功能驗證

儲能單元先以60 kW(放電電流約115 A)放電10 min,再以90 kW(放電電流約180 A)放電3 s,最后以120 A恒流放電至480 V,儲能單元(初始溫度16 ℃)的放電曲線如圖9所示。

圖9 儲能單元的放電曲線

從圖9可以看到,儲能單元以60 kW放電時,工作電壓為513.025 V～526.7 V,滿足系統(tǒng)常態(tài)供電需求;儲能裝置以90 kW放電時,工作電壓在506.425 V～507.175 V,可見當(dāng)系統(tǒng)負載突增時直流母線輸出電壓保持穩(wěn)定,可避免大功率負載將母線電壓拉低導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓。儲能單元以120 A放電至480 V,持續(xù)放電時間為24.45 min,滿足系統(tǒng)采用儲能單元單獨供電時的供電時間要求。

5.2 儲能單元充電功能驗證

經(jīng)過全容量放電的儲能單元以50 A充電至580 V,然后恒壓充電至電流小于5 A,儲能單元放電容量測試后的充電曲線如圖10所示。

圖10 儲能裝置的充電曲線

從圖10可以看到,儲能單元以50 A恒流充電到580 V,恒流充電時間56.9 min,恒流充電容量為47.42 Ah;儲能單元以580 V恒壓充電到電流下降到5 A,恒壓充電時間為7.36 min,恒壓充電容量為2.2 Ah。儲能單元充電總時間約64.3 min,充電容量約49.62 Ah。

5.3 供配電系統(tǒng)并網(wǎng)供電功能驗證

為了實現(xiàn)供配電系統(tǒng)并網(wǎng)供電策略, 對供配電系統(tǒng)由空載狀態(tài)依次加入25 A、50 A、100 A負載,測試供配電系統(tǒng)的母線電壓,如圖11所示。

圖11 并網(wǎng)供電仿真波形

可以看出在空載、25 A負載以及50 A負載狀態(tài)下,母線電壓為580 V,負載電流由電源轉(zhuǎn)換裝置提供,當(dāng)接入100 A負載瞬間,電源轉(zhuǎn)換裝置限流,母線電壓跌落至560 V,負載由儲能單元和電源轉(zhuǎn)換裝置共同承擔(dān),且動態(tài)響應(yīng)較快,滿足戰(zhàn)車用電系統(tǒng)需求。

5.4 軟啟動電路功能驗證

圖12為高壓直流供電體制下,負載的起動波形,分別為母線電壓和負載起動電流?？紤]到電纜電阻、開關(guān)管導(dǎo)通電阻等不理想因素,通?；芈冯娮栎^小(通常小于1 Ω)。圖12(a)為不加軟啟動電路時的起動波形,沖擊電流達到200 A以上,對直流母線和配電端造成較大沖擊,存在風(fēng)險。圖12(b)為引入軟啟動電路之后的起動波形,可以看出,由于限流電阻的引入,起動電流被限制在40 A左右,提高了系統(tǒng)可靠性。

圖12 負載起動仿真波形

6 結(jié)束語

為了適應(yīng)新一代戰(zhàn)車對運動戰(zhàn)、靜默作戰(zhàn)和全天候戰(zhàn)備值班等作戰(zhàn)方式的需求,筆者研究了一種基于儲能單元并網(wǎng)供電的高壓直流供配電系統(tǒng),該系統(tǒng)具有供電簡單、可靠性高、效率高等優(yōu)點。該系統(tǒng)通過直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制技術(shù)實現(xiàn)了儲能單元與發(fā)電機組的并網(wǎng)供電,滿足短時大功率負載的用電需求,動態(tài)性能較好。本文詳細分析了其工作原理,驗證了該方法的可行性。試驗證明,該高壓直流供配電系統(tǒng)既匹配了戰(zhàn)車上的突加突卸負載,又降低了發(fā)電機組的額定功率,既提高了發(fā)射平臺供電的可靠性,又有效提升了發(fā)射平臺的戰(zhàn)場生存能力。