脈沖功率負(fù)載下閥控鉛酸蓄電池供電邊界研究

鄢 倫，汪永茂，孫朝暉，李興東

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

近年來(lái)，隨著船舶電力系統(tǒng)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，脈沖功率負(fù)載在船舶上逐漸增多[1– 3]。脈沖功率負(fù)載的能量密度和功率密度往往都極其巨大，高達(dá)兆瓦級(jí)。為避免如此巨大的瞬態(tài)功率沖擊影響船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，一般需為該類(lèi)負(fù)載配備儲(chǔ)能裝置，單獨(dú)作為其供電電源[4–5]。閥控鉛酸蓄電池（Valveregulated Lead-acid Battery，VRLA）作為傳統(tǒng)開(kāi)口式鉛酸蓄電池的改進(jìn)提高產(chǎn)品，因其較傳統(tǒng)鉛酸蓄電池具有免維護(hù)、基本不析出氫氣、無(wú)自由電解液、基本上不排出酸霧、更耐沖擊、震動(dòng)等特點(diǎn)，已經(jīng)全面取代傳統(tǒng)的固定型鉛酸蓄電池，在船舶領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為重要的后備動(dòng)力電源。由于船舶內(nèi)部空間狹小有限，常常難以為脈沖功率負(fù)載額外配置其他需占用較多空間資源的超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能等儲(chǔ)能設(shè)備和充電設(shè)施[6 – 7]，需考慮充分利用原已配置的多組大容量閥控鉛酸蓄電池為其供電，使閥控鉛酸蓄電池兼作船舶脈沖功率負(fù)載供電動(dòng)力源和電力系統(tǒng)后備電源。

與傳統(tǒng)負(fù)載供電需求不同，由于存在脈沖電能變換環(huán)節(jié)，對(duì)脈沖功率負(fù)載供電時(shí)要求儲(chǔ)能設(shè)備不僅需具備相應(yīng)的大電流放電能力，且供電過(guò)程中的電壓、電流、功率均需滿足脈沖功率電能變換器的要求[3]。因此，采用閥控鉛酸蓄電池直接為脈沖功率負(fù)載供電時(shí)，必須明確影響閥控鉛酸蓄電池對(duì)脈沖功率負(fù)載供電的主要因素和其供電邊界條件，輔助船舶操作人員進(jìn)行供電決策和操作，確保脈沖功率負(fù)載的正常工作。

針對(duì)當(dāng)前缺乏對(duì)于脈沖功率負(fù)載下閥控鉛酸蓄電池供電邊界深入研究的問(wèn)題，本文基于典型脈沖功率負(fù)載特性，分析影響閥控鉛酸蓄電池供電能力的主要因素，并通過(guò)在Matlab/Simulink 仿真軟件中搭建閥控鉛酸蓄電池對(duì)脈沖功率負(fù)載供電仿真模型，仿真研究不同因素下的供電邊界限值，并據(jù)此給出在工程上的應(yīng)用建議。

1 閥控鉛酸蓄電池脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)拓?fù)?/h2>

脈沖功率負(fù)載供電系統(tǒng)的主要配置包括儲(chǔ)能裝置、脈沖功率電能變換器和負(fù)載等，其中核心的脈沖功率電能變換器將儲(chǔ)能裝置輸入的直流電變換為合適的交流電壓和電流[3]。采用閥控鉛酸蓄電池為脈沖功率負(fù)載供電時(shí)，一種典型供電系統(tǒng)的拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 閥控鉛酸蓄電池脈沖功率負(fù)載供電系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 Pulse power load power supply system topology of VRLA battery

在該典型供電系統(tǒng)拓?fù)渲校? 號(hào)蓄電池組兼當(dāng)全船電力系統(tǒng)應(yīng)急電源和脈沖功率負(fù)載的儲(chǔ)能設(shè)備。當(dāng)脈沖功率負(fù)載不工作時(shí)，1 號(hào)、2 號(hào)蓄電池組與發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行向全船負(fù)載供電，此時(shí)開(kāi)關(guān)Q1～Q5均閉合，開(kāi)關(guān)Q6斷開(kāi)；當(dāng)需要對(duì)脈沖功率負(fù)載供電時(shí)，且判斷1 號(hào)蓄電池組滿足負(fù)載供電要求后，為避免脈沖功率負(fù)載供電過(guò)程中巨大的瞬態(tài)功率沖擊影響全船電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，將開(kāi)關(guān)Q2斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)Q6閉合，1 號(hào)蓄電池組脫網(wǎng)單獨(dú)給脈沖功率負(fù)載的脈沖功率電能變換器供電，此時(shí)全船電力系統(tǒng)切換為日常供電系統(tǒng)和脈沖功率負(fù)載供電系統(tǒng)2 個(gè)部分，2 個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行相互獨(dú)立，互不干擾。

根據(jù)上述典型供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式，判斷1 號(hào)蓄電池組是否滿足脈沖功率負(fù)載要求的電壓、電流和功率需求是核心問(wèn)題，也是脈沖功率負(fù)載能否正常工作的關(guān)鍵因素，需要重點(diǎn)研究其供電影響因素和供電邊界條件，作為輔助決策和操作的依據(jù)。

2 閥控鉛酸蓄電池供電能力影響因素分析

2.1 閥控鉛酸蓄電池自身特性影響分析

閥控鉛酸蓄電池作為典型電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備，當(dāng)其對(duì)外部負(fù)載放電時(shí)，其放電能力受多種因素的綜合影響，其中主要包括大電流放電特性、荷電狀態(tài)（SOC）、內(nèi)阻水平和溫度等，其中蓄電池SOC、內(nèi)阻和大電流放電特性直接反映蓄電池的儲(chǔ)能和放電能力，其與蓄電池的供電能力直接相關(guān)[8]。

某一額定電壓為2 V 的閥控鉛酸蓄電池在30 ℃時(shí)的1 h，3 h 和10 h 的放電特性曲線如圖2 所示。

圖2 閥控鉛酸蓄電池放電特性曲線（30 ℃）Fig.2 Discharge characteristic of VRLA battery (30 ℃)

對(duì)于蓄電池荷電狀態(tài)（SOC），其直接表征蓄電池的剩余容量，反映的是蓄電池在使用一段時(shí)間之后仍剩余的容量，在數(shù)值上定義為蓄電池剩余容量占總?cè)萘康陌俜直龋呻姞顟B(tài)（SOC）越大，則表明蓄電池剩余容量也越大，其放電能力也越強(qiáng)，因此蓄電池SOC 大小成為判斷蓄電池是否滿足脈沖功率負(fù)載供電要求的重要參數(shù)之一。

蓄電池內(nèi)阻水平則是影響蓄電池在對(duì)外放電過(guò)程中端口電壓大小的重要參數(shù)，在一定的放電電流下，蓄電池內(nèi)阻越大，則放電過(guò)程中蓄電池端口電壓越低，當(dāng)蓄電池內(nèi)阻過(guò)大導(dǎo)致其放電時(shí)端口電壓低于一定的閾值時(shí)，將導(dǎo)致脈沖功率電能變換器無(wú)法工作，因此必須研究蓄電池內(nèi)阻對(duì)其脈沖負(fù)載供電能力的影響，確定蓄電池內(nèi)阻大小限值。

2.2 脈沖功率負(fù)載特性影響分析

由于脈沖功率負(fù)載工作持續(xù)時(shí)間往往很短，一般為幾秒，而功率需求卻很大，高達(dá)兆瓦級(jí)。在不同的脈沖功率負(fù)載下，由于脈沖功率負(fù)載持續(xù)時(shí)間、最大峰值功率、最大輸入電流、最小輸入電壓等負(fù)載特性參數(shù)的不同，蓄電池將進(jìn)行不同時(shí)間和放電倍率的大電流放電，從而蓄電池的供電能力也將有顯著差異。某一船舶脈沖功率負(fù)載在工作時(shí)的輸入電流與時(shí)間之間的關(guān)系曲線如圖3 所示。

可知，該脈沖功率負(fù)載工作時(shí)輸入電流在0～1.6 s時(shí)迅速增大，最大達(dá)到約11000 A，1.6～2 s 時(shí)逐漸減小至0。閥控鉛酸蓄電池若要滿足該負(fù)載脈沖功率電能變換器的供電需求，則其必須具備相應(yīng)的高倍率大電流放電能力。

圖3 脈沖功率負(fù)載輸入電流隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Input current curve of pulse power load with time

此外，脈沖功率電能變換器進(jìn)行DC/AC 電能變換時(shí)，根據(jù)電力電子變換裝置工作原理，變換器存在最低輸入直流電壓要求。當(dāng)脈沖功率負(fù)載的輸入電流越大時(shí)，則相應(yīng)的蓄電池內(nèi)阻和供電線路上的電壓降也越大，從而脈沖功率電能變換器端口輸入直流電壓也越低。因此，脈沖功率負(fù)載工作時(shí)的負(fù)載電流越大，閥控鉛酸蓄電池的供電能力將越有限，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)必須分析脈沖功率負(fù)載特性對(duì)閥控鉛酸蓄電池供電能力的具體影響，使二者相互匹配。

3 閥控鉛酸蓄電池脈沖負(fù)載供電仿真分析

3.1 仿真模型設(shè)置

根據(jù)前述分析，內(nèi)阻水平和荷電量大小是影響蓄電池脈沖負(fù)載供電能力的主要因素，為進(jìn)一步研究2 種因素下閥控鉛酸蓄電池具體供電邊界，指導(dǎo)工程應(yīng)用，根據(jù)圖1 所示典型拓?fù)洌贛atlab/Simulink 仿真軟件中搭建如圖4 所示的仿真模型，在該仿真模型中蓄電池組對(duì)脈沖功率電能變換器的供電回路中包括隔離開(kāi)關(guān)、保護(hù)熔斷器和供電電纜。為簡(jiǎn)化仿真模型，忽略溫度影響，并假設(shè)蓄電池內(nèi)阻在供電過(guò)程中保持不變，蓄電池模型以Matlab 軟件中的通用動(dòng)態(tài)參數(shù)模型表示[9]。

圖4 蓄電池對(duì)脈沖功率負(fù)載供電仿真模型Fig.4 Simulation model of pulse power load by VRLA battery

仿真模型中蓄電池組由圖2 所示放電特性的400 只額定電壓為2 V 的閥控鉛酸蓄電池串聯(lián)組成，成組蓄電池內(nèi)阻大小為Rbat。隔離開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的實(shí)測(cè)內(nèi)阻Rg=0.09 mΩ，保護(hù)熔斷器實(shí)測(cè)內(nèi)阻Rb=0.02 mΩ，供電電纜實(shí)測(cè)內(nèi)阻Rc=1.56 mΩ。仿真模型中設(shè)置Rbat=32 mΩ，36 mΩ 和40 mΩ 三種典型情形，荷電量設(shè)置從100%～30%變化。供電時(shí)間持續(xù)2 s，脈沖功率電能變換器特性以受控電流源模擬，其輸入電流iin隨時(shí)間變化曲線如圖3 所示。脈沖功率電能變換器輸出直流電壓為uin，為實(shí)現(xiàn)電能變換，其最低直流輸入電壓限值Uin-min=360 V。

3.2 不同內(nèi)阻滿荷電量蓄電池組單次供電仿真

蓄電池組滿荷電量進(jìn)行單次脈沖功率負(fù)載供電時(shí)，當(dāng)蓄電池組內(nèi)阻Rbat分別設(shè)置為40 mΩ、36 mΩ和32 mΩ 三種情形時(shí)，脈沖功率電能變換器的直流側(cè)輸入電壓uin在負(fù)載供電過(guò)程中的變化波形分別如圖5～圖7 所示。

圖5 Rbat=40 mΩ 時(shí)單次供電uin 波形Fig.5 Curve of uin when Rbat=40 mΩ in one time supplication

圖6 Rbat=36 mΩ 時(shí)單次供電uin 波形Fig.6 Curve of uin when Rbat=36 mΩ in one time supplication

圖7 Rbat=32 mΩ 時(shí)單次供電uin 波形Fig.7 Curve of uin when Rbat=32 mΩ in one time supplication

分析圖5～圖7 的仿真結(jié)果可知，隨著蓄電池組內(nèi)阻的減小，脈沖功率電能變換器的輸入直流電壓的最小值逐漸增大。根據(jù)其最低直流電壓限值Uin-min=360 V，蓄電池組內(nèi)阻為40 mΩ 時(shí)，供電過(guò)程中脈沖功率電能變換器最低輸入直流電壓與限值之間的電壓裕度為46 V；內(nèi)阻為36 mΩ 時(shí)，電壓裕度為89 V；內(nèi)阻為32 mΩ 時(shí)，電壓裕度為132 V。從而可知，蓄電池組內(nèi)阻越大，其在進(jìn)行脈沖功率負(fù)載供電時(shí)的電壓裕度越小，越接近供電邊界，當(dāng)蓄電池組內(nèi)阻增大到一定程度后，將越過(guò)供電邊界，無(wú)法再滿足脈沖負(fù)載供電需求，因此蓄電池內(nèi)阻需要求在一定的限值以下，不能過(guò)大。

3.3 不同內(nèi)阻滿荷電量蓄電池組連續(xù)供電仿真

蓄電池組滿荷電量進(jìn)行連續(xù)脈沖功率負(fù)載供電，相鄰2 次供電時(shí)間間隔5s，連續(xù)進(jìn)行5 次供電。設(shè)置蓄電池組內(nèi)阻Rbat分別為40 mΩ，36 mΩ 和32 mΩ 三種情形，脈沖功率電能變換器的直流側(cè)輸入電壓uin在供電過(guò)程中的變化波形分別如圖8～圖10 所示。

圖8 Rbat=40 mΩ 時(shí)連續(xù)5 次供電uin 波形Fig.8 Curve of uin when Rbat=40 mΩ in five times supplication

圖9 Rbat=36 mΩ 時(shí)連續(xù)5 次供電uin 波形Fig.9 Curve of uin when Rbat=36 mΩ in five times supplication

圖10 Rbat=32 mΩ 時(shí)連續(xù)5 次供電uin 波形Fig.10 Curve of uin when Rbat=32 mΩ in five times supplication

對(duì)比分析圖8～圖10 的仿真結(jié)果可知，蓄電池組在40 mΩ，36 mΩ 和32 mΩ 內(nèi)阻情形下進(jìn)行連續(xù)脈沖負(fù)載供電時(shí)，脈沖功率電能變換器的最低輸入直流電壓都隨著供電次數(shù)的增加而逐漸降低，電壓裕度也逐漸減小，但此減小趨勢(shì)與蓄電池組內(nèi)阻關(guān)系不大。推論可知，當(dāng)連續(xù)供電次數(shù)達(dá)到一定次數(shù)后，由于電壓裕度不足，蓄電池組也將無(wú)法再滿足供電要求，因此存在連續(xù)供電次數(shù)上限邊界。此外，蓄電池組內(nèi)阻越小，蓄電池組可滿足進(jìn)行連續(xù)供電的次數(shù)也越多，該上限邊界值也越大。

3.4 不同內(nèi)阻和荷電量蓄電池組單次供電仿真

蓄電池組在不同荷電量時(shí)進(jìn)行單次脈沖負(fù)載供電，設(shè)置蓄電池組內(nèi)阻Rbat分別為40 mΩ，36 mΩ 和32 mΩ 三種情形，脈沖功率電能變換器的直流側(cè)最低輸入電壓Uin-min隨蓄電池組荷電量SOC 從100%～30%變化時(shí)的變化曲線如圖11 所示。

圖11 不同內(nèi)阻時(shí)Uin-min 隨荷電量變化曲線Fig.11 Curve of Uin-min with different SOC

由圖11 的仿真結(jié)果可知，脈沖功率電能變換器的直流側(cè)最低輸入電壓Uin-min隨蓄電池組荷電量SOC 的減小而逐漸降低，距離最低電壓限值DC360V 的裕度也逐漸減小，蓄電池組內(nèi)阻越大，相同荷電量SOC 下的Uin-min越小，但其減小趨勢(shì)與蓄電池組內(nèi)阻關(guān)系不大。當(dāng)SOC 降低到約30%時(shí)，內(nèi)阻為40 mΩ 的蓄電池組已不滿足供電要求。從而可知，對(duì)于某一蓄電池組，需確定滿足脈沖負(fù)載供電要求的蓄電池組荷電量SOC的邊界值，作為輔助判斷和負(fù)載供電操作的依據(jù)，當(dāng)判斷SOC 小于此邊界值時(shí)，禁止對(duì)脈沖功率負(fù)載供電。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)閥控鉛酸蓄電池組進(jìn)行脈沖功率負(fù)載供電時(shí)的供電邊界問(wèn)題，分析影響閥控鉛酸蓄電池供電能力的主要影響因素，針對(duì)蓄電池組內(nèi)阻水平和荷電量?jī)纱笾饕蛩兀ㄟ^(guò)建立典型仿真模型，仿真研究蓄電池組在不同內(nèi)阻水平、不同荷電量以及單次和連續(xù)供電情形下的邊界，得到如下結(jié)論：

1）蓄電池組內(nèi)阻水平對(duì)其脈沖負(fù)載供電能力影響巨大，內(nèi)阻越大，供電時(shí)滿足脈沖功率電能變換器輸入電壓的裕度越小，且存在滿足供電要求的蓄電池組內(nèi)阻上邊界限值。由于蓄電池內(nèi)阻大小也顯著影響蓄電池組短路電流水平，實(shí)際中需綜合考慮后確定蓄電池組內(nèi)阻水平限值要求。

2）蓄電池組荷電量SOC 的大小直接影響脈沖負(fù)載供電時(shí)脈沖功率電能變換器的輸入電壓裕度，SOC越小，則電壓裕度也越小，越接近邊界值，因此供電時(shí)需確保蓄電池組SOC 不低于下限值，考慮到蓄電池SOC 減小時(shí)，蓄電池內(nèi)阻也將變大，實(shí)際中SOC 下限值將更大。

3）蓄電池組進(jìn)行連續(xù)脈沖功率負(fù)載供電時(shí)，隨著供電次數(shù)的增加，蓄電池組供電能力將逐漸下降，因此存在連續(xù)供電次數(shù)上限邊界值，達(dá)到該邊界值后，需停止對(duì)脈沖功率負(fù)載供電。

4）由于蓄電池組內(nèi)阻上限值和荷電量SOC 下限值存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，且受溫度影響，不固定，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，須通過(guò)模擬試驗(yàn)獲得，并采取相應(yīng)手段對(duì)蓄電池組內(nèi)阻水平和荷電量SOC 大小進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，作為輔助判斷操作的重要依據(jù)。