基于并网供电技术的高压直流供配电系统研究

范文晶, 王召利, 曾远帆 , 杨 幸 , 张 帅

(1.上海机电工程研究所,上海 201109; 2.上海无线电设备研究所,上海 201109)

新一代防空武器系统不断朝着集成化的方向发展,一辆战车可构成一个独立的武器系统[1]。供配电系统作为战车的重要组成部分,需要时刻为战车上用电设备提供稳定可靠的工作电源。传统战车中主要采用交流供配电方案,通常选用主机发电、市电、发电机组中的一种或者多种组合作为供能方式[2]。战车作战过程中存在短时大功率用电工况,例如雷达辐射、导弹发射点火、转塔跟踪调转等,在传统供配电方案中,由于主机、发电机组的输出电压动态特性较差,突加突卸负载工况对母线电压冲击较大,严重时会导致用电设备输入掉电重启,从而影响作战任务[3]。为了避免大功率负载将母线电压拉低导致电网瘫痪,通常需要按正常用电量2～3倍的余量设计供配电系统。传统供配电方案已经不能满足运动战、静默作战和全天候战备值班等新一代作战方式的需求。

为了改善上述问题,车载供配电方案逐渐开始转向高压直流体系,并受到学者们的广泛关注。文献[2]设计了一种高压直流供配电系统,分析了相关可靠性设计措施,主要通过在回路中串接热敏电阻改善了由一次电源接口、容性负载接口和感性负载接口匹配引起的电流冲击问题,增加电气隔离并减小了控制失效风险。文献[4]提出了一种车载高压分布式供配电系统健康管理的设计方法,实现了配电系统的通用化、信息化和智能化。

针对上述问题,本文研究了一种基于储能单元并网供电的高压直流供配电系统,该系统选用较小额定功率的发电机组作为供电主能源,可满足战车的稳态用电需求,采用基于锂离子电池的储能电池作为备份能源,可提供瞬时大功率。采用直流微电网电压稳定控制技术实现了发电机组与储能单元的并网供电,既匹配了发射平台上的突加突卸负载,又降低了发电机组的额定功率,有效提高了战车供电的可靠性,实现了发射车电气系统故障的快速诊断定位。

1 系统结构

图1为本文提出的高压直流供配电方案系统框图,主要包括电源转换装置、储能单元和配电显控单元。其中电源转换装置将整流得到的580 V高压直流经过配电开关送给用电设备,各设备仅需要进行简单的DC/DC变换就能获取所需的工作用电,极大地简化了系统的用电结构,同时减少了电能变换级数,提高了效率;配电显控单元可实现全车电网的电压、电流监测,故障保护与报警以及健康管理功能;储能单元用于满足瞬时大功率负载的用电需求,充放电功能受配电显控单元自动控制。

图1 带有储能单元的高压直流供配电系统

图2 直流微电网示意图

由于母线电压的提高,电能传输的电流减小,可以采用更细的供电电缆,从而减小了整车电缆布线的复杂程度。综上所述,基于储能单元并网的高压直流供配电方案使供配电系统具有电能传输简单、并网策略简单、可靠性高、节省空间等优点。本文主要针对该供配电体制下的直流微电网电压稳定控制技术、基于锂离子电池的储能单元设计和软启动电路设计等关键技术进行研究分析。

2 直流微电网电压稳定控制技术

电力系统中广义上微电网是将光伏、风机、燃料电池、电池储能、外部电网等产生的电能通过一定的适配进行电力控制。本文设计的高压直流供配电系统中,能源来源包括外供电、发电机组、储能装置等多种类型,是一种缩比型的直流微电网。

相比于交流电网,直流微电网减少了中间直-交的电力变换环节,直流母线段也减少了多级变流器的使用,更加节能且系统成本和损耗更低,更重要的是直流微电网中的分布式电源只受控于直流电压,无须考虑同步问题,且不存在频率稳定性、三相对称性和交流损耗等问题,有效提高了整体效率。

本文设计的高压直流供配电系统利用微电源参与功率平衡调节,并利用电力电子接口控制算法改善了电网运行环境。通过配置隔离变压器、有源电能质量调节器等设备提高了直流配电网的电能质量。利用储能单元可进行快速的功率平衡调节,保证了直流母线电压的稳定性。通过变流器控制策略和微电网控制模式优化,可以提高直流配电网的抗扰动能力,在电源电压和负载大范围变化时,保证了系统的稳定运行。

直流微电网电压控制策略主要采用下垂控制,在全控整流设备的降压斩波电路(如图3所示)与双向DC/DC变换器(如图4所示)内均设定了电网功率下垂特性。由于全控整流单元能够通过全控整流将电压稳定在一定范围内,故在降压斩波电路内同样设置了下垂系数,当负载增加到设定值时,降压斩波电路按照事先设定的下垂特性降低直流母线电压。此时,双向DC/DC监测到直流母线出现跌落,能够根据设定的下垂特性向电网输出相应的功率。

图3 全控整流器与降压斩波电路拓扑图

图4 双向DC/DC拓扑图

本文设计方案采用基于直流母线的一次调压方法进行系统功率调节,可依据直流母线电压变化所属区间对各电源的输出功率分配进行分段调节,该方法能够自动实现功率分配,动态平衡系统内各电源设备输出功率和负荷消耗功率之间的关系,无须单元间的相互通信。

当负载需求小于发电机组额定功率的70%(可设)时,发电机组通过全控整流装置维持母线电压,储能单元充电或离网状态无须参与功率调节。当负载需求大于发电机组额定功率的70%时,储能单元并网放电,发电机组与储能单元按照事先设定的下垂特性曲线,保证系统功率分配。

3 基于锂离子电池的储能单元设计

不同储能设备优缺点对比如表1所示。由表1可见,与其他储能方式相比,锂离子电池具有能量密度大、循环寿命长、安全性能好、自放电率小、无记忆效应等优点[5-6],被广泛应用于电动汽车、电网供电等领域。同时锂离子电池耐受极端温度的能力更强,相同体积条件下,可以提供更大的电量,适用于战车等特种车辆用电场合。目前在车用储能供电领域,国内外主要使用钴酸铁锂电池、三元锂电池和磷酸铁锂电池3种。其中,磷酸铁锂电池支持无级扩展,组成储能系统后可以进行大规模电能存储[7-8],因此本文储能单元方案选用磷酸铁锂电池。

表1 不同储能设备优缺点对比

图5为磷酸铁锂电池单体的充、放电特性,常温下(25 ℃)单体电池1 C放电容量为52.5 Ah,同时该电池组具有较宽的平台电压,通过将168个单体电池单元串连,可以支撑起560 V等级的高压直流母线。图6为磷酸铁锂电池在常温条件下以不同倍率放电的放电曲线,可以看出该电池组能够在并网供电时给瞬时大负载提供稳定的母线电压,避免母线电压被拉低导致电网瘫痪。

图5 磷酸铁锂电池单体电池容量测试曲线

图6 磷酸铁锂电池不同倍率放电曲线

为了保证作战系统用电的可靠性,本文设计的储能单元由磷酸铁锂电池组、电池管理系统(Battery Management System,BMS)、加热器和应急电源等组成,如图7所示。其中,BMS具有充放电开关控制功能、电池组单体电压采集功能、温度采集功能、电压均衡管理及二次保护功能,实现了电池组高可靠性的健康管理。同时,通过采集电流进行电池荷电状态(State of Charge,SOC)积分计算,并通过电压和温度数据进行SOC核算校准,并回告配电显控单元,从而实现了电池组自动充放电的控制,避免了电池组的过充和过放电,提高了系统可靠性。应急电源在特殊条件下开启,可实现DC 540 V转DC 24 V给电池管理系统模块供电。加热器安装在电池堆内部,当电池组处于低温环境时,可先对电池堆加热后再对外供电。

图7 储能单元系统框图

储能单元主要作用如下。

① 削峰填谷:平衡大功率短时间用电负载,利用储能装置可以降低发电机组的输出功率,提高发电机组的使用率。

② 应急电源:提高电能质量和供电可靠性。在发电机组发电质量下降和功能丧失时,可以有效保护发射平台用电设备的可靠运行。

直流供配电系统中的储能单元主要采用锂电池作为储能元件,本身以直流电形式工作,可以方便地接入直流微电网,接入设备和控制技术简单可靠。储能单元可以在值班、静默、应急使用时为战车用电设备供电。

4 软启动电路设计

用电设备通常会在输入端并联较多的电容以实现滤波、去耦和储能[9],由于高压直流供配电系统正常工作时母线电压为580 V,若此时直接将负载接入,电容充电阻抗较小,会在直流母线端造成较大的电流冲击,往往会导致输入熔断器烧断或者开关触点烧坏,影响系统的可靠性[10-11]。因此需要在用电端增加软启动电路,减小该电流冲击。

本文设计了一种软启动电路如图8所示,通过在供电回路中增加预充电旁路,上电后,优先对负载输入接口中的电容充电,同时检测电容两端电压,当电容两端电压接近供电电压时,短路预充电旁路,避免电流长时间流过该电阻导致局部较热。

图8 软启动电路原理图

图8中软启动电路主要由开关器件(固态继电器或接触器)和限流电阻组成,上电瞬间,外部供电电压U1(例如:DC 580 V)先通过限流电阻R给负载端滤波电容充电,当检测电路检测的滤波电容电压U2达到一定的门限值(例如:DC 550 V)时,给出开关器件的控制信号,控制开关器件导通。开关器件导通后,经过开关器件为负载供电,不再通过限流电阻给电容充电。当外部DC 580 V断开时,滤波电容两端电压下降,开关器件恢复到初始断开位置。

5 试验验证

5.1 储能单元放电功能验证

储能单元先以60 kW(放电电流约115 A)放电10 min,再以90 kW(放电电流约180 A)放电3 s,最后以120 A恒流放电至480 V,储能单元(初始温度16 ℃)的放电曲线如图9所示。

图9 储能单元的放电曲线

从图9可以看到,储能单元以60 kW放电时,工作电压为513.025 V～526.7 V,满足系统常态供电需求;储能装置以90 kW放电时,工作电压在506.425 V～507.175 V,可见当系统负载突增时直流母线输出电压保持稳定,可避免大功率负载将母线电压拉低导致电网瘫痪。储能单元以120 A放电至480 V,持续放电时间为24.45 min,满足系统采用储能单元单独供电时的供电时间要求。

5.2 储能单元充电功能验证

经过全容量放电的储能单元以50 A充电至580 V,然后恒压充电至电流小于5 A,储能单元放电容量测试后的充电曲线如图10所示。

图10 储能装置的充电曲线

从图10可以看到,储能单元以50 A恒流充电到580 V,恒流充电时间56.9 min,恒流充电容量为47.42 Ah;储能单元以580 V恒压充电到电流下降到5 A,恒压充电时间为7.36 min,恒压充电容量为2.2 Ah。储能单元充电总时间约64.3 min,充电容量约49.62 Ah。

5.3 供配电系统并网供电功能验证

为了实现供配电系统并网供电策略, 对供配电系统由空载状态依次加入25 A、50 A、100 A负载,测试供配电系统的母线电压,如图11所示。

图11 并网供电仿真波形

可以看出在空载、25 A负载以及50 A负载状态下,母线电压为580 V,负载电流由电源转换装置提供,当接入100 A负载瞬间,电源转换装置限流,母线电压跌落至560 V,负载由储能单元和电源转换装置共同承担,且动态响应较快,满足战车用电系统需求。

5.4 软启动电路功能验证

图12为高压直流供电体制下,负载的起动波形,分别为母线电压和负载起动电流。考虑到电缆电阻、开关管导通电阻等不理想因素,通常回路电阻较小(通常小于1 Ω)。图12(a)为不加软启动电路时的起动波形,冲击电流达到200 A以上,对直流母线和配电端造成较大冲击,存在风险。图12(b)为引入软启动电路之后的起动波形,可以看出,由于限流电阻的引入,起动电流被限制在40 A左右,提高了系统可靠性。

图12 负载起动仿真波形

6 结束语

为了适应新一代战车对运动战、静默作战和全天候战备值班等作战方式的需求,笔者研究了一种基于储能单元并网供电的高压直流供配电系统,该系统具有供电简单、可靠性高、效率高等优点。该系统通过直流微电网稳定控制技术实现了储能单元与发电机组的并网供电,满足短时大功率负载的用电需求,动态性能较好。本文详细分析了其工作原理,验证了该方法的可行性。试验证明,该高压直流供配电系统既匹配了战车上的突加突卸负载,又降低了发电机组的额定功率,既提高了发射平台供电的可靠性,又有效提升了发射平台的战场生存能力。