大功率混合儲能裝置控制策略研究

吳海峰,魯軍勇,馬偉明,關(guān)曉存,張曉,沈建清

(海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,430033,武漢)

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大功率混合儲能裝置控制策略研究

吳海峰,魯軍勇,馬偉明,關(guān)曉存,張曉,沈建清

(海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,430033,武漢)

針對電磁發(fā)射裝置在連發(fā)時(shí)其儲能電源對電網(wǎng)瞬時(shí)功率需求極大、一般電網(wǎng)難以承受的問題,提出了一種新的混合儲能方式及其控制策略。該方式將蓄電池與脈沖電容器進(jìn)行復(fù)合儲能,采用多組蓄電池串聯(lián)充電的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過調(diào)整電路參數(shù)和時(shí)序觸發(fā)控制策略,可以精確控制在不同時(shí)刻將多組蓄電池逐步接入電路對脈沖電容器充電,實(shí)現(xiàn)了對脈沖電容器的近似恒流充電,使脈沖電容器快速、高效地達(dá)到所要求的電壓值。仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明,該混合儲能方式合理可行,在時(shí)序觸發(fā)的控制策略下可實(shí)現(xiàn)在較短時(shí)間內(nèi)將蓄電池能量傳遞給脈沖電容器,使功率逐級增大,從而降低網(wǎng)側(cè)的瞬時(shí)功率需求。

電磁發(fā)射;混合儲能;蓄電池組;觸發(fā)時(shí)序

隨著脈沖功率技術(shù)的不斷發(fā)展,作為能量源泉的脈沖電源技術(shù)日趨受到人們重視[1]。常用的脈沖功率電源直接利用電網(wǎng)給脈沖儲能裝置供電,儲能裝置再將能量瞬時(shí)轉(zhuǎn)換到脈沖成型網(wǎng)絡(luò)中以供負(fù)載使用[2]。

電磁發(fā)射裝置采用脈沖功率電源提供能量,隨著發(fā)射所需的能量越來越大,發(fā)射間隔越來越短,對電網(wǎng)的瞬時(shí)功率需求要求越來越高,目前常規(guī)的電力系統(tǒng)很難滿足要求[3]。

海軍工程大學(xué)提出了脈沖功率電源應(yīng)采用混合儲能的形式,其核心思想是將電網(wǎng)的能量在相對較長時(shí)間內(nèi)傳遞給初級能源儲存起來,以減小充電功率;當(dāng)需要進(jìn)行快速發(fā)射時(shí),初級能源在短時(shí)內(nèi)再給脈沖儲能裝置充電,實(shí)現(xiàn)了充電功率的增大。可見,在能量不變的前提下,電網(wǎng)與脈沖儲能間增加的初級能源起到了功率放大作用,從而減小了對電網(wǎng)的瞬時(shí)功率需求。

脈沖電容器是目前使用最為廣泛的脈沖儲能器件,按充電方式脈沖電容器充電可分為恒壓充電和恒流充電。恒壓充電的效率低(低于50%),不適用于大功率的場合。恒流充電過程中電流基本不變,電容器電壓呈線性上升,充電速度快,效率高,非常適用于給高壓脈沖電容器充電[4]。

脈沖電容器的能量存儲主要靠高壓直流充電電源來實(shí)現(xiàn)[5]。文獻(xiàn)[6]介紹了直流恒壓充電、線性升壓實(shí)現(xiàn)恒流充電和逐級臺階升壓實(shí)現(xiàn)近似恒流充電3種直流充電方式,得出了逐級臺階升壓實(shí)現(xiàn)近似恒流充電的規(guī)律,且充電效率高。

本文根據(jù)脈沖功率電源的要求,提出了蓄電池組與脈沖電容器復(fù)合的儲能方式和新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);通過優(yōu)化大功率蓄電池組的時(shí)序觸發(fā)策略,實(shí)現(xiàn)了蓄電池組逐級臺階升壓對脈沖電容器充電,極大降低了電網(wǎng)的功率需求。

1 混合儲能裝置總體方案

1.1 初級能源的選擇

目前,常見的脈沖功率電源的系統(tǒng)組成見圖1a,由圖中可見脈沖電容對電網(wǎng)的瞬時(shí)功率需求非常大。以文獻(xiàn)[7]中的技術(shù)指標(biāo)為例,脈沖儲能電源為電磁發(fā)射提供能量,當(dāng)炮口動(dòng)能為32 MJ、電磁發(fā)射轉(zhuǎn)化效率為30%時(shí),為達(dá)到12發(fā)/min的連發(fā)目的,即5 s充電,則瞬時(shí)功率需求為42.6 MW,一般的平臺難以提供如此大的功率。

圖1b在電網(wǎng)與脈沖電容間增加了可選擇的幾種初級能源作為緩沖,先在初級能源中存儲足夠的能量,若要求1 h內(nèi)存儲100發(fā)的能量,對電網(wǎng)的瞬時(shí)功率需求就為5.92 MW,相比于圖1a的模式降低了7.19倍。可見,將初級能源與脈沖電容器進(jìn)行混合儲能,可大大降低對電網(wǎng)瞬時(shí)功率的需求。

脈沖功率電源的初級能源形式有很多,針對不同能量和功率的脈沖電容器,對初級能源的要求也不一樣。超級電容器功率密度高,但儲能密度很低,存儲足夠的能量需要很大的體積,很難滿足小型化的要求[8]。電感儲能方式對斷路開關(guān)的要求特別苛刻,且目前超導(dǎo)技術(shù)成本很高[9]。利用慣性儲能,難以瞬間將全部能量取出,無法實(shí)現(xiàn)高功率密度要求[10]。相對來說,蓄電池儲能密度很高,功率密度也較高,能滿足目前大部分電磁發(fā)射裝置的功率需求。本文選擇將蓄電池組與脈沖電容器進(jìn)行混合儲能。

(a)常見脈沖功率電源

(b)混合儲能形式的脈沖功率電源圖1 脈沖功率電源的組成

1.2 蓄電池放電總體方案

系統(tǒng)采用逐級臺階升壓的方式,將多組蓄電池串聯(lián)起來,通過在不同時(shí)刻控制開關(guān)逐步將蓄電池組接入到電路中,蓄電池組逐級升壓給電容器充電。電路中串入電感起限流的作用,系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

在不同時(shí)刻觸發(fā)開關(guān)可以使電流實(shí)現(xiàn)近似恒定。首先閉合第一組蓄電池的開關(guān),將第一組蓄電池接入電路,當(dāng)脈沖電容器的電壓增加到第一組蓄電池的輸出電壓時(shí),充電電流降低,此時(shí)另一組蓄電池再切換進(jìn)電路,依此類推。

本文方案設(shè)計(jì)蓄電池組為串聯(lián),若每次依照從下至上或者從上至下的順序放電,則工作于最下方或最上方的電池組放電時(shí)間最長,長期運(yùn)行后,電池組會產(chǎn)生明顯的不一致性。為解決這一問題,本文方案依照電池電壓從高到低的順序放電,電壓最高的先放電,電壓最低的最后放電,如此多個(gè)工作周期后,蓄電池仍可以保持較高的一致性。

2 混合儲能裝置控制策略

蓄電池組采用時(shí)序放電的控制策略,按照時(shí)序逐步將各組蓄電池接入電路,以實(shí)現(xiàn)脈沖電容器的充電電流為近似恒定,因此決定蓄電池觸發(fā)的時(shí)刻十分關(guān)鍵。第n組蓄電池的觸發(fā)時(shí)刻可以在給定電路參數(shù)下由基本電路理論得出,由充電電流I(t)、脈沖電容電壓VC(t)和串聯(lián)的n個(gè)蓄電池組的輸出電壓決定。

由于放電時(shí)間短,因此可以假設(shè)在放電過程中蓄電池的電壓恒定,且每組蓄電池電壓一致,由電路回路電壓之和為零可知

(1)

式中:VC(tn)為在tn時(shí)刻第n個(gè)蓄電池組剛切換到電路中時(shí)脈沖電容的電壓;VE為每個(gè)蓄電池組的電壓;Rn為電路中的總電阻。整理式(1)并對I(t)求導(dǎo),得到常系數(shù)齊次線性微分方程

(2)

若電阻值滿足

Rn<2(L/C)1/2

(3)

則電路是欠阻尼的,那么I(t)的解為

I(t)=[I1sinωn(t-tn)+

(4)

其中衰減時(shí)間常數(shù)

(5)

共振頻率

(6)

(7)

將tm代入式(4)即可得到Im的值。其中蓄電池組輸出電壓和脈沖電容器電壓之差為

ΔV(t)=nVE-VC(tn)

(8)

如果不能滿足式(3),則電路是過阻尼的,此時(shí)

(9)

同理,整理計(jì)算可以得到在下一個(gè)蓄電池組觸發(fā)后電路輸出的最大電流的時(shí)間tm,代入式(4)即可得到Im的值。

設(shè)脈沖電容器所要求的峰值電流為IM,當(dāng)監(jiān)測到的I(t)和V(t)使Im

3 仿真結(jié)果及分析

利用仿真軟件Ansoft Simplorer建立仿真模型,仿真電路圖參照圖1所示。其中,取n=5,R0=50 mΩ,R1=R2=…=R5=500 mΩ,L=5 mH,C=2.3 mF。每個(gè)蓄電池組由10個(gè)12 V的蓄電池組成,5組蓄電池組串聯(lián)給電容充電。根據(jù)以上電路參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,得到各蓄電池組的控制時(shí)序,如表1所示。

表1 各蓄電池組的控制時(shí)序

按照該時(shí)序逐步將5個(gè)蓄電池組接入電路,則可以分別得到充電電流和電容器電壓的波形如圖3和圖4所示。

圖3 電容器的充電電流波形

圖4 電容器兩端的電壓波形

從仿真波形可以看出,充電電流基本不變,且峰

值相等,電容器兩端的電壓隨時(shí)間基本呈線性上升,這說明了該控制策略滿足了近似恒流充電的要求。

若蓄電池的電動(dòng)勢和各電阻不變,取L=8 mH,C=3 mF,則得到的控制時(shí)序如表2所示。

表2 改變參數(shù)得到的控制時(shí)序

在表2時(shí)序下進(jìn)行仿真,得到的電流、電壓的波形如圖5和圖6所示。

圖5 L=8 mH、C=3 mF的充電電流波形

圖6 L=8 mH、C=3 mF的電容器電壓波形

電路參數(shù)改變后,根據(jù)計(jì)算得到開通時(shí)序,就可以得到相應(yīng)的波形。但是,充電電流峰值和波形寬度都發(fā)生了變化,達(dá)到所需充電電壓所需的充電時(shí)間也不一樣。可見,一旦電路參數(shù)確定了,開通時(shí)序可以唯一確定。不同電路參數(shù)可以確定不同的開通時(shí)序,不同的開通時(shí)序下得到電流和電壓波形不同。

此外,在充電電路中電感值和電容值是非常關(guān)鍵的參數(shù),它決定了電路中的峰值電流和充電時(shí)間。其他電路參數(shù)不變,取電感L=5 mH,電容值分別為2.3 mF和4.6 mF,利用Ansoft軟件仿真,得到對比結(jié)果如圖7和圖8所示。其中,電容為2.3 mF時(shí)峰值電流為60 A,在35 ms左右完成充電;電容為4.6 mF時(shí)峰值電流約為80 A,在70 ms時(shí)完成充電。從不同電容的仿真結(jié)果可以看出,電容越大,峰值電流和波形寬度越大,充電時(shí)間也越長。

圖9和圖10給出了其他電路參數(shù)不變,電容值C=4.6 mF、電感值分別為5 mH和10 mH時(shí),充電電流和電容電壓的仿真波形。其中,電感為5 mH時(shí)峰值電流達(dá)到80 A,在60 ms左右完成充電;電感為10 mH時(shí)峰值電流為60 A,在80 ms時(shí)完成充電。

圖7 不同電容下的充電電流波形

圖8 不同電容下的電容電壓波形

圖9 不同電感下的充電電流波形

圖10 不同電感下的電容電壓波形

從不同電感的仿真結(jié)果可以看出:①電感加大時(shí),峰值電流變小,波形寬度增加;②電感減小后,峰值電流增加,脈寬變窄,充電時(shí)間變短。理論上電感沒有最小值限制,實(shí)際應(yīng)用中主要考慮器件的通流能力和蓄電池的放電電流。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)混合儲能的系統(tǒng)方案,利用實(shí)驗(yàn)室搭建的混合儲能樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。將10個(gè)額定電壓為12 V的蓄電池串聯(lián)起來作為一組,共5組。電感器為5 mH,脈沖電容器由36個(gè)64 μF的小電容并聯(lián)組成,值為2.3 mF,總儲能為414 J。蓄電池可連續(xù)放電100次,且在36 s內(nèi)將蓄電池能量補(bǔ)充完成。混合儲能樣機(jī)如圖11所示。

(a)蓄電池組

(b)脈沖電容器圖11 混合儲能樣機(jī)

利用軟件編程,各組開關(guān)器件按表1的開通時(shí)序?qū)āＳ捎谲浖目刂凭葹? ms,對表1中的控制時(shí)序進(jìn)行4舍5入處理,因此試驗(yàn)時(shí)的控制時(shí)序如表3所示。

表3 試驗(yàn)時(shí)的控制時(shí)序

在試驗(yàn)過程中,用電流探頭及高壓差分探頭分別測量主回路的充電電流和脈沖電容器兩端的電壓,接入示波器觀測它們的波形。將試驗(yàn)波形與仿真波形(圖3、圖4)進(jìn)行對比,如圖12、圖13所示。

由圖12對比可以發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)結(jié)果與理論分析及仿真結(jié)果基本一致，充電電流峰值為60 A,雖然每個(gè)波峰的電流值不完全相等,但相差不大,基本實(shí)現(xiàn)了近似恒流充電。

圖12 仿真與試驗(yàn)的充電電流波形對比

圖13 仿真與試驗(yàn)的電容電壓波形對比

試驗(yàn)波形的電流在第2個(gè)和第5個(gè)峰值時(shí)低于仿真電流，出現(xiàn)這種情形的原因在于軟件的控制精度問題,導(dǎo)致蓄電池組的觸發(fā)時(shí)序與仿真的時(shí)序不一致。如圖14所示,如果太早觸發(fā)蓄電池組,峰值電流將越過所要求的電流峰值IM。相反地,如果太遲觸發(fā)蓄電池組,電流將達(dá)不到所需的值,導(dǎo)致電流紋波過大,影響控制精度和脈沖電容器使用壽命。

圖14 觸發(fā)時(shí)間與充電電流的關(guān)系

通過對比表1和表3可見,第2組蓄電池的觸發(fā)時(shí)間由原來的6.7 ms變?yōu)? ms,第5組的由17.8 ms變?yōu)?8 ms,觸發(fā)時(shí)刻延遲于仿真值,導(dǎo)致充電電流低于仿真電流值。下一步可以通過提高軟件的控制精度來改善這一問題。

圖13中仿真波形和試驗(yàn)波形基本吻合,達(dá)到所要求電壓的試驗(yàn)結(jié)果比仿真結(jié)果稍遲,也是因?yàn)橛|發(fā)時(shí)序不準(zhǔn)導(dǎo)致的充電電流的差異。電容電壓隨時(shí)間線性上升,充電速度快,效率高,驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

為滿足發(fā)射速度的需求,要求在40 ms內(nèi)將脈沖電容器充滿,當(dāng)脈沖電容器直接掛電網(wǎng)時(shí),其瞬時(shí)峰值功率需求為

(10)

式中:W為每一發(fā)給脈沖電容器充電的能量;t1為單發(fā)的充電時(shí)間。

采用混合儲能方式,本方案可以滿足射速要求,且電網(wǎng)瞬時(shí)峰值功率需求為

(11)

式中:t2為蓄電池存儲100發(fā)能量的總充電時(shí)間。

綜上可見,本樣機(jī)采用混合儲能方式后對電網(wǎng)的瞬時(shí)功率需求僅為脈沖電容直接掛網(wǎng)的1/9,極大地降低了電網(wǎng)的瞬時(shí)功率需求。

5 結(jié) 論

(1)在電網(wǎng)與脈沖電容間通過蓄電池儲能作為緩沖,先將能量存儲在蓄電池中,蓄電池在較短時(shí)間內(nèi)再把能量傳遞給脈沖電容,依靠能量的二次轉(zhuǎn)移從而實(shí)現(xiàn)功率的放大。

(2)提出了采用多組蓄電池串聯(lián)充電的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過時(shí)序觸發(fā)的控制策略逐級將蓄電池接入電路,精確控制各組蓄電池的觸發(fā)時(shí)間,實(shí)現(xiàn)給脈沖電容器近似恒流充電,并降低電流紋波系數(shù),從而提高脈沖電容器的壽命。

(3)建立了系統(tǒng)仿真模型,研究了在該放電控制策略下,不同的電路參數(shù)對脈沖電容器充電性能的影響,結(jié)果表明:電容越小,峰值電流和波形寬度越小,則充電時(shí)間越短;限流電感越小,峰值電流越大,脈寬變窄,則充電時(shí)間也越短。

(4)研制了5組蓄電池和2.3 mF脈沖電容器的混合儲能樣機(jī),試驗(yàn)表明,在近似60 A的恒流下,通過預(yù)設(shè)的時(shí)序逐級串入蓄電池組,可在30 ms內(nèi)將脈沖電容器電壓充至600 V,試驗(yàn)結(jié)果與仿真基本吻合,驗(yàn)證了該方法的有效性。

(5)在發(fā)射速度的要求下,脈沖電容器直接掛網(wǎng)所需瞬時(shí)峰值功率達(dá)20 700 W,而采用混合儲能方式后,其充電功率為2 300 W,僅為原來的1/9,降低了儲能裝置對電網(wǎng)的瞬時(shí)功率需求。

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(編輯 杜秀杰)

Control Strategy for High Power Hybrid Energy Storage Device

WU Haifeng,LU Junyong,MA Weiming,GUAN Xiaocun,ZHAN Xiao,SHEN Jianqing

(National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The storage power supply of the electromagnetic launcher in continuous emission requires extreme transient power from power grid, which usually is unable to undertake. A novel hybrid energy storage scheme and the control strategy are proposed to lower the transient power, where multiple batteries connected in series are used for the hybrid energy storage of batteries and pulse capacitors. The batteries are switched into the circuit gradually for charging the pulse capacitors with approximately constant current by timing triggering control strategy to adjust circuit parameters, thus the pulse capacitors reach the required voltage quickly and efficiently. The simulated and experimental results show that the scheme of hybrid energy storage is reasonable and feasible. The timing triggering control strategy can meet the requirement of delivering energy from the batteries to the pulse capacitors in a short period, and the power is gradually heightened to lower the extreme transient power from the power grid.

electromagnetic launch; hybrid energy storage; batteries; trigger timing

2014-06-30。

吳海峰(1990—),男,碩士生;魯軍勇(通信作者),男,研究員,博士生導(dǎo)師。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51207162,51407191)。

時(shí)間:2014-09-26

10.7652/xjtuxb201502016

TM359.4

A

0253-987X(2015)02-0093-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140926.1339.004.html