陸戰平臺綜合電力系統及其關鍵技術研究

馬曉軍， 袁東， 項宇， 魏曙光

(裝甲兵工程學院 控制工程系, 北京 100072)

陸戰平臺綜合電力系統及其關鍵技術研究

馬曉軍， 袁東， 項宇， 魏曙光

(裝甲兵工程學院 控制工程系, 北京 100072)

針對地面戰斗平臺電驅動、電武器、電防護以及其他多用電任務剖面需求，提出了陸戰平臺綜合電力系統的理論構架，對系統概念、功能與特點進行了界定，并構建了一種基于多驅動特性能量源的系統分布式體系結構。在此基礎上，以“系統容量”和“電能質量”為紐帶，系統分析了能量源匹配計算、功率變換裝置設計、能量分配與優化控制以及電能質量分析與管理等關鍵技術。研制了系統樣機并應用于工程實踐，為加快推進陸戰平臺全電化技術發展提供能源支撐與技術借鑒。

兵器科學與技術； 陸戰平臺； 綜合電力系統； 能量管理； 電能質量

0 引言

隨著新軍事技術變革的持續推進，以電驅動、電武器、電防護為主要特征的全電化陸戰平臺成為戰斗車輛的重要發展方向[1-3]。與傳統戰斗車輛相比，全電化陸戰平臺的能量形式發生了本質變化，前者大部分能量以機械能的形式限制在動力驅動系統中，火炮發射主要靠彈藥的化學能，只有少部分能量以電能的形式存在于車輛電源系統中，且這幾種形式的能量源不能相互調配。全電化陸戰平臺以電能作為基本能量源，綜合運用變換、傳輸、控制等技術，將其作用于機動、武器、防護等各個系統，通過對電能的統一管理和動態分配，使其既滿足高速機動時的動力需求，又能提供戰斗狀態下電武器和電防護系統的用電需求，從而實現作戰平臺整體性能的全面提升。因此，對于全電化陸戰平臺來說，支撐各任務系統的電能需求將在傳統戰斗車輛的基礎上持續呈幾何級數增長，如何提供充足、清潔的電能，并實現其高效、可靠、安全的存儲、變換、傳輸、分配、管理以及綜合集成成為全電化陸戰平臺是否能充分發揮其戰術技術性能的關鍵因素。

目前關于車載大功率供電技術的研究還相對薄弱，相關工作主要集中在電傳動裝甲車輛中，一般將其作為電傳動系統的前功率鏈進行分析研究，通常采用發動機- 發電機與單一動力電池直接并聯模式，系統結構比較簡單，難以同時滿足系統工作過程中對峰值功率和能量雙重需求[4-6]；此外，系統管理控制策略還不夠完善，主要側重于能量的分配控制[7-8]，對系統供電質量、污染治理等分析不足，難以滿足全電化陸戰平臺電能高效、清潔等需求。針對上述問題，本文提出了陸戰平臺綜合電力系統的理論構架，下面首先對系統概念、功能與特點進行界定。

1 陸戰平臺綜合電力系統概論

1.1 系統定義與特點

陸戰平臺綜合電力系統是為滿足地面戰斗平臺電驅動、電武器、電防護以及其他多用電任務剖面需求，集大容量/大功率電能生產、存儲、變換、分配、回饋及其綜合管理控制于一體的車載電力集成系統。

綜合電力系統配置靈活，具有很強的開放性和可擴展性，它不僅能實現電驅動、電武器和電防護系統所需能量的統一調度和動態分配，同時也可為電磁懸掛、束能毀傷以及光電偵察與對抗等其他新技術的車載化應用提供電力支撐。此外，系統既可孤島運行，又可與其他作戰平臺實現接入交互和能量共享，這樣一來，每一作戰平臺不僅是戰場中能量消耗單元，同時也可以作為戰場能量保障系統的能量存儲單元，成為戰場智能電網中的一個能量保障節點[9]，從而提高部(分)隊整體作戰能力和戰場生存能力，這些優勢都是傳統車輛難以比擬的。

較之傳統戰斗車輛供電系統，陸戰平臺綜合電力系統還具有以下特點：

1)系統容量大，電壓等級高。傳統戰斗車輛電能需求較小，一般為幾千瓦到十幾千瓦，因此通常采用單一的28 V供電體制。隨著陸戰平臺全電化的發展，電能需求急劇上升，根據文獻[10]，20 t級的全電戰斗平臺電功率需求在300 kW左右，40 t級戰斗平臺則高達800～1 000 kW，供電電壓高達600～1 000 V，峰值工作電流高達500 A以上，這給系統部件設計、可靠性以及安全性等提出了更高的要求。

2)能量制式多，電能質量要求高。系統負載特性各異，既包括驅動系統“負阻尼特性”負載，又包括電磁炮、電熱炮等“脈沖功率特性”負載，還有為指揮控制系統供電的“精電源”。因此要求綜合電力系統的能量制式多，且具有與負載特性相適應的驅動特性，同時還要求電能盡可能的清潔，諧波小，電能質量高。此外，作為能源平臺，還需具備與外部電網的接入交互能力。

3)能源形式多樣化，控制難度大。為滿足大容量、多制式供電需求，綜合電力系統一般由多種形式的分布式能量源組成，通過電力電子裝置實現其能量交換，系統結構比較復雜，能量管理和分配控制難度大。同時，各種電力電子裝置會產生大量的諧波，影響供電質量，因此污染治理也成為系統控制的一個重要任務。

4)工作環境苛刻，效率和電磁兼容性要求高。地面戰斗平臺內部空間小，行駛顛簸大，工作環境惡劣，因此需要系統功率密度高，能量轉換效率高，抗沖擊振動能力強，電磁兼容性好，這就對部件設計、系統集成、綜合試驗等提出了嚴苛要求。

1.2 體系結構設計

根據上述分析，并考慮到陸戰平臺全電化技術發展現狀，本文構建一種基于多驅動特性[3]能量源的陸戰平臺綜合電力系統，其原型結構如圖1所示。

圖1 綜合電力系統原型結構Fig.1 Prototype structure of integrated power system

如圖1所示，系統采用發動機- 發電機組作為主能量源，發電機選用起動/發電一體機，通過脈沖寬度調制(PWM)整流器與直流供電網絡連接，提供戰斗平臺遂行任務所需的平均功率(隨著燃料電池技術的飛速發展，將來可能替代發動機- 發電機組作為主能量源)；輔助能量源采用動力電池與超級電容復合儲能結構，動力電池通過雙向直流轉直流(DC/DC)變換器與超級電容并聯到直流網絡；此外，為了吸收直流供電網絡的剩余能量，抑制泵升電壓，系統還設計有釋能單元。

這種復合儲能結構可有效結合動力電池高能量密度和超級電容高功率密度的特點，提高系統負載適應能力。其中，超級電容直接掛接到直流網絡，瞬態超高負荷驅動能力好，響應速度快，同時減少了中間環節的能量損耗；動力電池的充放電通過雙向DC/DC變換器控制，可在滿足系統功率需求的前提下兼顧電池荷電狀態(SOC)，使其具有較高的充/放電效率，同時保護電池安全運行。

此外，由于發電機和動力電池與直流網絡之間都有可控功率變換裝置，兩個能量源可實現解耦，二者可以根據各自的最佳運行目標進行獨立能量分配；同時通過合理規劃直流網絡電壓工作范圍，可充分發揮超級電容的瞬時能量吸收與補償作用，緩解發電機和動力電池的瞬時能量供應負擔，保護其平穩運行，提高工作效率和使用壽命。超級電容直接并聯在直流網絡還可有效地減小諧波，抑制電壓高頻波動，改善供電質量。

需要指出的是：圖1中超級電容的預充電通過串接預充電阻來實現，這種方式原理簡單，實現容易，但在實際系統中由于超級電容的容量大，預充電阻體積和回路電流都很大，預充過程會造成較大的能量損耗，同時導致系統體積增加，并給自身散熱設計帶來困難；此外，這種方式還存在充電末期電流小、充電速度慢等問題。因此為了提高系統功率密度和工作效率，在實際工程應用中對超級電容預充環節進行改進，設計了如圖2所示的系統應用結構。

如圖2所示，在預充電初始階段，控制高壓接觸器K3、K4閉合，動力電池接入雙向DC/DC高壓側，超級電容接入低壓側，DC/DC工作在降壓恒流模式，當充電至二者電壓相等時，斷開K3、K4，閉合K2、K5，DC/DC采用升壓恒流工作模式，直到充至目標電壓，K1閉合，動力電池和超級電容并聯向直流母線供電。這種方式可有效利用雙向DC/DC的多種工作模式實現恒流充電，充電速度快，效率高，且省去了預充電阻，系統體積小，同時能量損耗大大降低。

圖2 綜合電力系統應用結構Fig.2 Applied structure of integrated power system

此外，為了實現綜合電力系統的集成控制和能量管理，圖2還構建了系統綜合管理控制單元，包含狀態采集模塊、驅動控制模塊和總線模塊，各關鍵部件通過Flexray總線與綜合管理控制單元相連。為簡化系統體系結構，在實際工程應用中將直流供電網絡、DC/DC變換器、綜合管理控制單元及其相應的檢測、驅動功能模塊整合集成在一起，構成電力集成控制器，綜合實現系統電能的變換、分配、監測和管理控制。

1.3 研究的關鍵問題

陸戰平臺綜合電力系統作為一個支撐各任務系統工作的統一能源平臺，衡量性能的主要指標有兩個：一是系統容量，二是電能質量，這兩個指標貫穿于電能的生產、存儲、變換、分配、回饋以及管理控制等各個分系統的設計。

首先來看系統容量問題，它包括總能量與瞬時能量(即功率)管理，前者主要指系統攜帶的總能量是否能滿足任務需求，各種能量源之間如何配置才能發揮最大效能，這就涉及到電能生產和存儲分系統的匹配設計；功率管理是指具體到某一動態時刻，各種能量源之間如何協調來保障任務需要，并同時盡可能使系統內部各能量源處于自身的最優或者次優工作狀態[3]，這主要是通過管理控制分系統的能量管理控制策略來實現的。

電能質量涉及到直流網絡的穩定性、供電質量、諧波治理等問題。在孤島運行的綜合電力系統中，電能變換分系統中的各種功率變換裝置會產生大量的諧波，造成電網波動，因此如何減小諧波，改善供電質量也是電能變換分系統設計和管理控制分系統的控制策略研究時需要著重考慮的問題。

綜上分析，下面從負載特性及其功率需求分析入手，重點對電能生產與存儲分系統、電能變換分系統和管理控制分系統的設計進行論述。

2 基于任務剖面的多能量源匹配計算——電能生產與存儲分系統設計

綜合電力系統多能量源的匹配計算與其負載系統緊密相關，為分析方便，本文以某20 t級戰斗平臺為對象進行分析，任務負載主要考慮電驅動系統。

2.1 負載特性與需求功率分析

戰斗平臺電驅動系統性能除包括傳統車輛的高速行駛性能、爬坡性能、加速性能和轉向性能外，還有靜默行駛性能。

首先分析傳統性能，高速行駛時需求功率[4,11]為

(1)

式中:m為戰斗平臺質量;ηs為系統效率(含驅動器、電動機、減速器及行駛效率);f為路面滾動阻力系數;CD為空氣阻力系數;A為迎風面積;vmax為最大行駛速度。取vmax=120 km/h可求得此時需求功率約為320 kW.

爬坡時的需求功率[4,11]為

(2)

式中:α為爬坡角度，取30°坡；vs為爬坡速度，取為7 km/h，可得此時需求功率約為312 kW.

考慮設計裕量，系統峰值需求功率取為

PQmax=330 kW.

(3)

進一步可根據文獻[11]驗證此功率能夠滿足0～32 km/h加速時間要求和轉向功率需求。下面據此進行系統參數設計。

2.2 系統基本參數與能量源匹配設計

2.2.1 系統供電電壓

根據上述功率需求，綜合分析電機制造、電力電子器件以及絕緣等水平，同時為深入推進軍民融合，充分吸收民用技術成果，考慮到民用產品電壓等級，將系統直流網絡標稱電壓選取為750 V，工作范圍為650～850 V.

2.2.2 發動機- 發電機組匹配計算

如前所述，發動機- 發電機組提供系統所需的平均功率，以80%最高車速時系統需求功率作為平均功率，根據(1)式可計算得發電機組提供功率：

PG=262 kW.

(4)

2.2.3 動力電池參數設計

動力電池的參數設計需考慮兩個方面：一是補充系統需求功率，保證機動性能；二是滿足靜默行駛性能要求。由前文分析可知，峰值需求功率時需要動力電池提供功率為

PB=PQmax-PG=68 kW.

(5)

設定平臺以20 km/h速度靜默行駛，行駛時間30 min，靜默行駛里程10 km. 則根據(1)式，并考慮到設計裕量可求得需要動力電池提供功率

PB=61 kW.

(6)

綜合(5)式、(6)式，考慮動力電池過載能力與超級電容能量補償作用，動力電池功率取為61 kW. 設動力電池的放電深度φ=0.5，考慮輔助電氣設備功率需求，取功率增加系數δ=1.1，則動力電池的能量為

EB=δPBt/φ≈67.1 kW·h.

(7)

考慮到動力電池和雙向DC/DC變換器工作效率，選取動力電池SOC=70%時端電壓為670 V，由此可計算得動力電池容量：

QB≈100 A·h.

(8)

2.2.4 超級電容參數計算

如前所述，超級電容的主要作用是在突加/突卸負載時提供瞬時能量補償與吸收，緩解發電機和動力電池的瞬時能量供應負擔。取瞬時需求功率為峰值需求功率的2/3，即

PQi=2PQmax/3=220 kW,

(9)

并設發動機調節時間為3 s，動力電池輸出不變，直流網絡電壓可由750 V跌落至650 V，則超級電容的電容值為

(10)

式中：V0為母線標稱電壓；Vmin為母線允許最低電壓。

同理可計算母線電壓泵升時超級電容能夠吸收的瞬時能量，剩余部分由釋能單元吸收。

需要說明的是：上述分析主要考慮電驅動系統，當使用電武器和電防護系統時，可適當降低機動速度來保證其功率需求。以文獻[11]研究的電能武器為例：單發耗能0.3 MJ，重置時間為5 s，則考慮到脈沖電源轉換效率，其充電功率約為66 kW. 如動力電池仍以1 C(100 A)放電，且不考慮超級電容補償作用，根據(1)式可計算得此時最大機動速度約為96 km/h. 當然，由于電武器系統重置時間短，在動力電池輕載條件下，也可短時增大其放電電流或利用超級電容補充所需能量，同時保證戰斗平臺的機動性。

對于重置功率需求更大的電武器和電防護系統，采用上述方法難以滿足戰術技術指標要求時，則需采取增大各能量源容量或者考慮在脈沖電源前端設置二級電能緩存裝置等措施，抑制短時大功率負載造成的系統沖擊。

3 系統關鍵功率變換裝置研究——電能變換分系統設計

如圖2所示，電能變換分系統主要包括雙向DC/DC變換器和PWM整流器。它們是系統能量變換的核心單元，同時也是實現系統能量管理控制策略的重要執行部件，此外其拓撲結構和控制方法還會影響到供電質量，因此下面對其進行重點分析。

3.1 雙向DC/DC變換器設計

由前述分析可知，雙向DC/DC需具備正向升壓、反向降壓兩個方向的功率變換，同時根據綜合管理控制單元指令工作在恒流和恒壓工作模式。綜合考慮系統功率需求和動力電池使用壽命，選取最大充電電流為1 C(100 A)，放電電流為3 C(300 A)?？紤]到設計裕量，雙向DC/DC變換器充電功率設計為75 kW(反向降壓時)，放電功率為220 kW(正向升壓時)。為了提高功率密度和工作效率，減小裝置體積，同時減小電流紋波[12-13]，本文設計如圖3所示的交錯并聯雙向軟開關DC/DC變換結構。

圖3 交錯并聯雙向軟開關DC/DC變換器Fig.3 Parallel-interleaved bidirectional DC/DC soft-switching converter

如圖3所示，該拓撲采用兩個結構相同的雙向DC/DC變換電路并聯構成，其中T1～T4為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，D1～D4為反向續流二極管，LEMV為電壓傳感器，LEMI為電流傳感器，C為直流濾波電容，L0為儲能電感，L1、L2為飽和電感，用于實現軟開關控制。反向降壓模式時T1、T3工作，二者依次導通，相位相差1/2個開關周期，正向升壓模式時T2,T4工作方式與其類似。由于兩種模式具有對偶關系，下面僅以反向降壓模式為例進行分析，其工作波形如圖4所示。

圖4 反向降壓模式工作波形Fig.4 Working waveforms of back-directional mode

t=0時刻前，T1關斷，二極管D4續流，飽和電感L1中電流為0.t=0時刻，T1零電流導通，T1、L1中電流線性上升，D4、L2中電流線性下降，斜率均為

(11)

3.2PWM整流器及其控制

圖5 PWM整流器拓撲結構Fig.5 Topological structure of PWM rectifier

PWM整流器能夠實現能量雙向流動，且功率因素高，動態響應快，電網污染小[14-15]，因此本文以其為主電路拓撲設計起動/發電一體機的控制器，結構如圖5所示。其中，T1～T6為IGBT，D1～D6為反向續流二極管，LEMV為電壓傳感器，LEMI為電流傳感器，C為直流濾波電容，L為輸入電感。

PWM整流器具有兩種工作模式，即有源逆變模式和可控整流模式，其控制結構如圖6所示。圖6中，ωref為給定轉速，ω為實際轉速，θ為轉角，Idref為d軸給定電流，Id、Iq分別為d、q軸的實際電流，Iabc為交流單相電流，VDCref為直流側給定電壓，VDC為直流側實際電壓。當起動/發電一體機工作在起動狀態(即電動狀態)時，PWM整流器為有源逆變模式，由直流網絡供電，帶動發動機由零速起動逐漸加速到怠速，此時控制結構如圖6中虛框①所示。當發動機達到怠速以上轉速時，起動/發電一體機工作在發電狀態，此時PWM整流器轉換為可控整流模式，向直流網絡提供能量，控制切換為圖中虛框②所示結構。為了保證在較寬轉速范圍內實現直流電壓的穩定，提高供電質量，可控整流模式采用低速升壓和高速弱磁控制技術。

圖6 PWM整流器控制結構Fig.6 Control structure of PWM rectifier

4 系統集成管理控制技術——管理控制分系統設計

4.1 綜合管理控制單元構架

由圖2可知，為了實現系統控制目標，綜合管理控制單元需要根據各種狀態信息，控制發動機控制器(ECU)、PWM整流器、動力電池管理系統(BMS)、雙向DC/DC等關鍵部件以及系統內部各高壓接觸器協調工作?？刂七壿嫃碗s，運算量大，實時性要求高，同時還需具備較強的抗干擾能力和容錯能力，保證系統高穩定、健康運行。針對上述要求，本文構建基于數字信號處理器+現場可編程邏輯門陣列(DSP+FPGA)多核并行的綜合管理控制單元結構，其總體構架如圖7所示。

圖7 系統綜合管理控制單元構架Fig.7 Framework of comprehensive management/control unit

系統核心控制功能由核心處理器和協處理器實現，核心處理器(采用DSP-TMS320F28335)實現核心控制和能量管理主體算法，協處理器(采用FPGA-XC3S500E)主要用于處理算法中參數動態尋優等并行計算程序，算法開發采用基于dSPACE的一體化集成開發方法。接口控制器(采用DSP-TMS320F28335)具有Flexray總線和CAN總線接口，實現與各關鍵部件的信息傳輸與控制。各處理器之間的信號交互采用基于FPGA的虛擬多口隨機存儲器(RAM)實現，同時FPGA還實現狀態采集和接觸器的驅動控制。

綜合管理控制單元主要實現系統狀態監控、超級電容的預充控制、配電控制、能量管理、電能質量控制、高壓安全管理以及降級、備份與冗余控制等功能，限于篇幅，此處重點對能量管理和電能質量控制進行分析。

4.2 功率分配與優化控制

系統能量管理目標主要有兩個：一是實現各能量源之間的協調控制，使其呈現出與負載特性相適應的驅動特性，以最大程度滿足各任務系統的用電載荷需求；二是在此前提下，控制各能量源按照自身最優或次優工作模式運行，提高工作效率和使用壽命。具體包括：控制發動機工作在燃油效率高效區，同時避免其工作點頻繁大幅波動；維持動力電池SOC值在充/放電高效區，并合理控制其充/放電過程，延長使用壽命；合理規劃母線電壓，提高超級電容利用率，同時保證各用電負載安全工作。

為此，本文綜合考慮需求功率、動力電池SOC、直流母線電壓以及負載狀態等變量，構建如圖8所示的能量管理結構，主要包括功率分頻、低頻功率分配、狀態規劃與分配修正以及部件優化控制等部分。圖8中，PQ為需求功率原始量，PQ,lf為分解出的低頻分量，PQ,hf為高頻暫態分量，PBQ為動力電池分配的需求功率，PGQ為動機- 發電機組分配的需求功率，ΔPB為動力電池需求功率的修正量，ΔPG為發動機- 發電機組需求功率的修正量，v為當前車速，Vopt為規劃母線電壓，IBQ為動力電池的電流需求值，nEQ為發動機的轉速需求值，nE為發動機的實際轉速，VPWMQ為PWM整流器輸出電壓需求值。

圖8 系統能量管理控制策略結構Fig.8 Structure of energy management strategy

4.2.1 基于小波變換的功率分頻

電驅動系統中的需求功率往往包含高頻暫態分量，這些分量會導致發動機- 發電機組工作點劇烈變化以及動力電池損壞，為此，本文充分利用超級電容的暫態快速加載優勢，采用基于3階小波變換的功率分頻方法，將需求功率分解成高頻暫態分量和低頻分量，高頻分量分配給超級電容，低頻分量分配給發動機- 發電機組和動力電池[16]，其分解結構如圖9所示。

圖9 基于小波變換的功率分頻方法Fig.9 Wavelet transform-based power sub-band method

圖9中，Hi(z),i=0,1為分解濾波器，其表達式為

(12)

4.2.2 基于模糊邏輯的低頻功率分配

限于篇幅，此處僅討論發動機- 發電機組與動力電池同時工作情況。低頻功率分配模糊控制器的輸入量為需求功率低頻分量和動力電池SOC，輸出為發動機- 發電機組與動力電池的期望功率，根據前述能量管理目標，模糊控制器采用的基本分配規則如圖10所示。其中，SOCmin為動力電池工作區域SOC下限，SOCmax為工作區域SOC上限，SOCRmin為系統控制的目標區域下限，SOCRmax為目標區域上限，PBD，max為動力電池最大放電功率，PBC，max為最大充電功率，PGmax為發動機- 發電機組最大輸出功率。

圖10 低頻功率分配規則Fig.10 Rule of low-frequency power distribution

4.2.3 狀態規劃與分配修正

超級電容除了能夠平滑需求功率的高頻暫態分量外，還能實現突加/突卸負載時能量補償與吸收，緩解發電機和動力電池負擔，其利用率取決于母線電壓的變化范圍，為此圖8中增加了基于母線電壓的分配功率修正環節，母線電壓的狀態規劃采用模糊邏輯，其基本規則為：

1) 由于車輛機動速度較低時制動產生的回饋電能很小，高速時回饋能量大，因此考慮母線電壓隨機動速度的提高而適當降低，以增加超級電容吸收制動回饋能量的裕度。

2) 考慮到動力電池的充/放電效率和邊界電流限制，設定母線電壓隨SOC的減小而適當提高，以提高超級電容的供電補償能力，減輕動力電池負擔。

4.3 電能質量分析與管理

4.3.1 系統直流網絡電流諧波頻譜計算

綜合電力系統的任務負載中存在多個功率變換裝置，它們是造成電網波動，影響供電質量的重要源頭，此處以電驅動系統電機PWM逆變器為例進行分析，其典型結構如圖11所示。

圖11 PWM逆變器典型結構Fig.11 Typical structure of PWM inverter

圖11中，VDC為直流側電壓，C1、C2為直流濾波電容，T1～T6為IGBT，D1～D6為續流二極管，A、B、C為電機三相繞組。設三相開關函數分別為SA、SB、SC，則直流母線電流可表示為

IDC=FAIA+FBIB+FCIC,

(13)

式中，IA、IB、IC分別為三相電流，其值由三相阻抗ZA、ZB、ZC和三相電壓VAO、VBO、VCO共同確定。前者為系統對象特性，后者由逆變器調制產生，其特性與基波、載波和調制方式等因素有關。

以VAO為例，其級數表達式[17]可寫為

(14)

式中：ω0、ωc分別為基波和載波頻率；θ0、θc分別為基波和載波相位角；Amn、Bmn為諧波系數，由調制方式確定，如對于空間矢量調制，有

(15)

式中：i=1，2，3，4，5，6為調制的6個扇區；yl(i)、yu(i)為每個扇區的角度起始范圍；xl(i)、xu(i)為每個扇區調制波形的上升沿和下降沿時間，當二者對稱時，有xl(i)=-xu(i). 根據空間矢量調制原理，可求得(15)式中的積分限如表1所示。

為了分析方便，將(14)式表示為復數形式

(16)

式中：Ck、θk由(15)式求得。則對于隱極同步電機，不考慮空載反電勢時，根據文獻[18]可利用(13)式可求得直流母線波動電流為

表1 諧波系數積分限

注：表中M為調制波形系數。

(17)

4.3.2 諧波抑制與電網質量分析

諧波抑制一般有兩種方法，即無源濾波和有源濾波[19]。前者在直流母線并聯支撐電容實現濾波，電容容量越大，其紋波抑制能力越強，但同時會使得裝置的體積和成本大幅增加。有源電力濾波基本原理是從補償對象中實時檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與其對應的補償電流，從而改善電網特性，有源電力濾波可以跟蹤諧波頻率和幅值的變化，抑制效果好，但需要額外增加補償裝置，系統結構復雜，體積增加，同時可靠性降低。為此，本文直接利用超級電容的暫態快速加載能力，構建基于超級電容的母線諧波抑制結構，下面對其動態特性進行分析。

由于PWM整流器與雙向DC/DC輸出響應均存在延時，因此在只考慮電流波動成分時，可將其等效為時間常數為TP的1階慣性環節，并進一步采用斜坡函數近似描述輸出電流[20]，即

Ip=kt，0≤t≤TP.

(18)

電驅動系統電機PWM逆變器采用電阻與直流反電勢串聯等效電路RL-eL[21]。則在突加波動電流IDC時，母線電壓方程可描述為

(19)

求解可得

(20)

式中：VDC0為母線電壓初值。

令dVDC/dt=0，可求得：

當

(21)

時，VDC獲得最小值(由于超級電容容量C足夠大，可保證tP滿足條件0≤tP≤TP)。

將(21)式代入(20)式，可得

(22)

當C很大時，利用冪級數展開可將其化為

(23)

則容易求得母線電壓波動量

(24)

由此可見，當超級電容容量足夠大時，母線電壓波動量ΔVDC很小，因此各功率變換裝置直流母線側的濾波電容可適當減小，從而減小裝置體積。

需要說明的是：上述分析是以線路電感為0的理想條件下進行的。當考慮線路電感時，超級電容與功率變換裝置濾波電容之間可能會出現紋波電流諧振；同時，直流母線上掛接的多個電機驅動器濾波電容也有可能出現諧振，影響電能質量，嚴重時甚至導致系統失穩，因此在實際系統中如何分析設計線路電感也是一個重要問題。其基本方法包括采用低感母排減小線路雜散電感、提高功率變換裝置開關頻率等[22]。

5 系統研制與試驗

根據前述分析，研制出應用于20 t級戰斗平臺的綜合電力系統，其主要部件如圖12所示。

圖12 綜合電力系統主要部件Fig.12 Main components of integrated power system

圖13為超級電容預充電曲線，充電過程分為3個階段。第1階段(即圖13中5～10 s區間)超級電容電壓較低(<100 V)，將其接入雙向DC/DC低壓側，DC/DC采用小電流降壓恒流控制，動力電池以15 A放電，超級電容電壓迅速上升至100 V并進入第2階段(即圖13中10～80 s區間)，雙向DC/DC增大充電電流，動力電池以100 A放電；隨著二者電壓差減小，充電電流開始下降，當其電壓相等時，充電電流減小為0，此時控制接觸器實現零電流切換，將超級電容接入DC/DC高壓側并進入第3階段(即圖13中80～105 s區間)，雙向DC/DC采用升壓恒流控制，動力電池以200 A放電，將超級電容充至目標電壓750 V. 由圖13可知，整個預充電過程可根據綜合管理控制單元指令實現精確控制，充電效率高，速度快，且能量損耗小。

圖13 超級電容預充電過程曲線Fig.13 Curves of the precharge process for super capacitor

圖14是動力電池SOC為70%時綜合電力系統帶載工作狀態曲線。其中：圖14(a)為車速和直流母線電壓曲線，當車速提高時母線電壓隨之下降，反之亦然，且母線電壓諧波較小，系統供電質量好；圖14(b)為系統各主要部件直流側電流，由圖14(b)可知，超級電容能夠很好地吸收系統高頻需求功率，同時在突加/突卸負載時具有較快的反應速度，及時進行能量補償與吸收，有效地緩解了發電機和動力電池負擔；發動機- 發電機組提供系統平均需求功率，輸出電流平穩，動力電池可有效補充和吸收系統剩余功率，系統總體工作效率高，且各部件能夠長時間工作在自身最佳狀態。

圖15是動力電池SOC為35%時綜合電力系統帶載工作狀態曲線。其中：圖15(a)為車速和直流母線電壓曲線，二者關系與圖14(a)一致，但由于動力電池SOC較低，因此較之圖14(a)，在相同車速下母線電壓有所提高；圖15(b)為系統各主要部件直流側電流，其波形特征與圖14(b)相似，有所區別的是：由于動力電池SOC低，因此其分配的功率較小。

圖14 系統帶載工作狀態曲線(SOC=70%)Fig.14 Curves of system loading state(SOC=70%)

圖15 系統帶載工作狀態曲線(SOC=35%)Fig.15 Curves of system loading state(SOC=35%)

6 結論與建議

1)構建的基于多驅動特性能量源的陸戰平臺綜合電力系統體系結構，有效結合了動力電池高能量密度和超級電容高功率密度的特點，具有很強的負載適應能力和良好的電能質量；同時，該結構實現了各能量源之間的動態解耦，使其能夠按照自身最優或次優工作模式運行，提高了工作效率和使用壽命。

2)“系統容量”和“電能質量”是衡量系統性能的兩個重要指標，它們涉及到系統體系構架、能量源匹配計算、功率變換裝置設計以及系統集成管理控制策略研究等多個方面，范圍廣，跨度大，且各方面相互關聯，具有很強的理論性和工程實踐性，研究中需要加強系統頂層設計和綜合論證分析。

3)陸戰平臺綜合電力系統相關技術領域(如燃料電池技術、電機技術、多電平功率變換技術以及碳化硅器件等)發展迅猛，因此系統總體技術論證研究需要具有開放性和前瞻性，能夠適應未來新技術的可持續發展，同時便于吸收民用相關領域先進技術成果，實現軍民融合深度發展。

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Research on Integrated Power System and Its Key Techniques of Ground Combat Platform

MA Xiao-jun, YUAN Dong, XIANG Yu, WEI Shu-guang

(Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

A theory framework for integrated power system of ground combat platform is proposed according to the electric energy requirements of mission systems in ground combat platform, such as electric drive system, electric weapon system, electric protection system, and so on. The system definition, function and characteristics are discussed, and then a distributed system structure based on energy sources with multi-driving characteristics is built. On this basis, the matching calculation of energy sources, the design of power converters, the strategy of energy distribution and optimization control, as well as the management of electric energy quality are analyzed thoroughly. A prototype is developed and applied in engineering practices, establishing both the theoretical evidence and energy support for the quickening development of all-electric technology of ground combat platform.

ordnance science and technology; ground combat platform; integrated power system; energy management; energy quality

2016-06-13

國防“十二五”預先研究項目(40402050101)； 軍隊重點科研項目(2014ZB07)

馬曉軍(1963—)， 男， 教授， 博士生導師。 E-mail: maxiaojun_zgy@163.com

TJ810.1

A

1000-1093(2017)02-0396-11

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.02.026