基于DAB變換器的艦船中壓直流混合儲能系統(tǒng)端電壓限制

郭燚 張權(quán)寶 郭將馳 邵德東 于士振

摘要：為解決脈沖負載投切對艦船中壓直流（medium voltage direct current，MVDC）電力系統(tǒng)的沖擊，引入基于雙有源橋（dual active bridge，DAB）變換器的鋰電池-超級電容混合儲能系統(tǒng)。鑒于傳統(tǒng)功率分配策略無法實現(xiàn)對超級電容端電壓的主動限制的缺點，引入混合儲能系統(tǒng)功率比的概念，建立鋰電池功率傳輸與超級電容功率傳輸之間的聯(lián)系;結(jié)合DAB變換器電壓變比匹配度，提出一種新型動態(tài)補償功率分配策略;采用直接功率控制在MATLAB/Simulink中進行仿真。結(jié)果表明，這種策略能有效平復(fù)脈沖負載投切對直流母線的沖擊，實現(xiàn)閉環(huán)功率分配，對超級電容端電壓進行主動限制，從而新型動態(tài)補償功率分配策略的有效性得到驗證。

關(guān)鍵詞：艦船;中壓直流（MVDC）;雙有源橋（dual active bridge， DAB）變換器;混合儲能系統(tǒng);脈沖負載;電壓限制

中圖分類號： ?U665.12

文獻標志碼： ?A

Abstract：In order to solve the impact of pulse load switching on the ship medium voltage direct current （MVDC） power system， a hybrid energy storage system of lithium battery and super capacitor based on dual active bridge （DAB） converters is introduced. Because the traditional power allocation strategy can not realize the active limit of the super capacitor voltage， the concept of the power ratio of the hybrid energy storage system is introduced to establish the connection between the lithium battery power transmission and the super capacitor power transmission. Combined with the matching degree of the voltage variation ratio of DAB converter， a new dynamic compensation power allocation strategy is proposed. The direct power control is used to simulate the power distribution in MATLAB/Simulink. The results show that this strategy can effectively counteract the impact of pulse load switching on DC bus， realize closed-loop power allocation， and actively limit the super capacitor voltage， thus the effectiveness of the new dynamic compensation power allocation strategy is verified.

Key words：ship; medium voltage direct current （MVDC）; dual active bridge （DAB） converter; hybrid energy storage system; pulse load; voltage limit

0 引 言

隨著艦船綜合電力系統(tǒng)（integrated power system，IPS）的不斷發(fā)展，中壓直流（medium voltage direct current，MVDC）配電方式以其靈活高效的特點受到廣泛關(guān)注，相比中壓交流（medium voltage alternating current，MVAC）配電方式更具優(yōu)勢[1-2]。近年來提出的新型MVDC環(huán)網(wǎng)模型[3]可以極大地提高MVDC系統(tǒng)的供電效率和可靠性。MVDC電力系統(tǒng)主要包括發(fā)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、混合儲能系統(tǒng)、常規(guī)負載和脈沖負載等。

高功率脈沖負載的上艦應(yīng)用給MVDC的穩(wěn)定性帶來新的挑戰(zhàn)。文獻[4-5]詳細探討了艦船脈沖負載的工作特點，并列舉了幾種典型艦船脈沖負載，如電磁彈射裝置、電磁軌道炮、脈沖雷達等。由于發(fā)電機無法在短時間內(nèi)對大功率作出動態(tài)響應(yīng)，所以有必要引入混合儲能系統(tǒng)，由高功率密度的超級電容響應(yīng)暫態(tài)過程，高能量密度的鋰電池響應(yīng)穩(wěn)態(tài)過程，充分發(fā)揮它們的互補優(yōu)勢[6]。

儲能系統(tǒng)與直流電網(wǎng)之間能量流通的關(guān)鍵是雙向DC-DC變換器。隨著艦船裝備容量和電壓等級的提升，傳統(tǒng)雙向DC-DC變換器已難以滿足配電需求。雙有源橋（dual active bridge，DAB）變換器以其電氣隔離、電壓變比靈活、雙向傳輸、易實現(xiàn)軟開關(guān)、功率密度高、模塊化結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空電源、電動汽車、分布式發(fā)電領(lǐng)域，在艦船MVDC電力系統(tǒng)中也受到重點關(guān)注[7-11]。

目前，針對DAB變換器的研究大多集中于拓撲層面，主要有兩個方向：一是采用改進的拓撲結(jié)構(gòu)和軟開關(guān)策略，但會損失DAB變換器的對稱性[12];二是改進控制方法，通過多自由度移相控制算法來改善DAB變換器的環(huán)流特性，減小電流應(yīng)力，提高功率傳輸能力[13]。然而，對DAB變換器系統(tǒng)控制層面的研究較少。文獻[14]探討了DAB變換器的大、小信號建模，但未進行閉環(huán)補償設(shè)計;文獻[15]提出了DAB變換器直接功率控制策略，具有優(yōu)越的動態(tài)響應(yīng)效果，但未結(jié)合具體應(yīng)用場景進行討論;文獻[16]探討了一種應(yīng)用于交流電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)，采用了基于DAB變換器的AC-DC-DC雙向變換器，以保證DAB變換器電壓變比匹配。直流電網(wǎng)中基于DAB變換器的儲能系統(tǒng)研究，大多未關(guān)注DAB變換器的實際工作特性，有些采用了簡化模型，但與實際情況存在較大偏差。文獻[11]將DAB變換器作為電力電子配電變壓器應(yīng)用于船舶MVDC系統(tǒng)中，并給出了詳細的控制策略，但未結(jié)合儲能系統(tǒng)進行討論。文獻[17]研究了基于DAB變換器的儲能系統(tǒng)在脈沖負載工況下的能量管理，采用超級電容平復(fù)母線波動，但未結(jié)合DAB變換器的實際工作特性;文獻[18]提出了一種基于DAB變換器的具有高度電壓變比靈活性的混合儲能系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)功率分配策略來應(yīng)對分布式發(fā)電中負載功率突升突降，但未涉及儲能系統(tǒng)端電壓變化的討論。