混合能源互补供电在武器装备中应用研究

赵锦成，解璞，刘金宁，刘伟

（军械工程学院电力工程教研室，河北 石家庄 050003）

供电系统的作战任务是在野战条件下向武器装备提供连续安全、可靠、有效的电能。作为武器装备的能量保障，系统任何短暂的中断，都可能导致不堪设想的严重后果，因此能量形式的多样化与武器系统用电特性相匹配并可掌控的供电直接影响武器装备的可靠性、战场环境适应性和生存能力。

目前我军武器装备野战条件下多采用内燃动力发电机供电，存在以下不足：

1）油料保障压力大[1]。当前我军油料保障情况不容乐观，战时或重大自然灾害，油料供应无法有力掌控。平时对位于交通运输不便的高山、海岛来说油料的储运成本高。

2）战场安全性低。内燃动力发电机排放大量高温有害烟气体且噪音高，极易被中远红外和声探测装置探测到而暴露武器装备准确位置[2]，其自身具有难以克服的强目标特征信号（噪声、红外辐射、电磁辐射等）、弱目标隐身能力的安全缺陷。

3）制约军事意图的实现。对石油的过度依赖和存在的安全隐患成为军事意图实现的制约因素，武器装备的战斗力将无法发挥，甚至成为一堆废铁。无论从国家安全，还是军事与经济角度，目前我军过度依赖石油的武器装备供电保障系统的现状，已无法满足部队应对多种威胁、完成多样化任务的需要。

针对目前我军装备供电保障系统存在油料保障压力大、战场安全性低、制约军事意图实现等不足，必须寻求更加适合的新型能源，使装备供电系统的能源形式多样化。因此，发展与装备特点相匹配的供电保障系统，研究适应于装备作战需要的可靠性高、隐蔽性好的新型混合能源互补供电系统已成为当务之急。

1 混合能源互补供电系统

混合能源互补供电系统中能源互补体现在2方面，一方面是传统能源和可再生能源的互补，另一方面是可再生能源之间的互补利用。在可再生能源当中，太阳能和风能是目前应用比较广泛的2种可再生能源，也是目前全球在新能源利用方面技术最成熟、最具规模化和产业化的行业。

风光互补供电系统整合了太阳能和风能优势，弥补了风能供电或太阳能供电的单一性，将是21世纪能源结构中一个新的增长点[3-5]。但由于装备对供电保障系统的要求是可靠、高效、持续工作时间长、性能稳定并能满足装备自身的用电特性，并随着武器装备的信息化、智能化的发展，武器装备对供电容量要求越来越大，供电质量要求越来越高。太阳能和风能发电具有很大的随机性和不确定性，单纯的风光互补供电很难满足装备供电保障的可靠性和持续性，将其应用于装备供电保障系统时仍然要依赖传统能源的补充，需装备一定容量的柴油发电机作为备用电源。

风-光-柴-蓄混合能源互补供电系统作为一种新型集成能源装备，典型的风-光-柴-蓄混合能源互补供电系统结构如图1所示，其突出特点在于将新能源发电技术与传统能源发电技术相结合，根据固定站点的风光资源条件，利用太阳能、风能电源作为供电电源，与柴电、蓄电等多种能源形式互联形成混合能源互补供电系统，替代或者补充蓄电和柴电所提供的电力，减少战时对石油资源和国家电网的依赖，具有无污染、无噪声、节省柴油燃油消耗、减少物资供给、减轻运输压力、保障安全供电、延长供电时间、节约军事经费等优点，从而缓解油料后勤保障压力，并提高装备供电系统的安全性、可靠性和连续性。

图1 混合能源互补供电系统组成

2 混合能源互补供电应用研究现状

2.1 民用方面

国外在新能源领域的研究主要集中于大型并网发电场及单独风力发电、单独太阳能光伏发电的控制，风光互补发电方面的研究比较少。国内进行风光互补发电系统研究的大学主要有中科院电工研究所、内蒙古大学、内蒙古农业大学、合肥工业大学等。当前，国内外对风光互补发电的研究大多集中于风光互补发电的优化设计、底层发电装置研制及控制、蓄能设备的配置、系统仿真等。

风/光互补发电作为一种清洁的、可再生的新型能源，受到我国和世界其他许多国家的重视，并进行了大量的相关研究。

文献[6]提出了采用迭代技术对风光互补发电场进行优化设计，确定风光蓄的最佳容量组合。

文献[7]开发了用来配置风光互补发电场发电装置单机容量与数量的计算机程序。

文献[8]用遗传算法对发电装置的容量进行优化配置，指出风光互补发电比单独风力发电或单独光伏发电更经济有效。

国内各科研单位主要在风光互补发电系统的优化匹配计算、系统控制等方面进行研究。目前，中科院电工研究所的生物遗传算法的优化匹配和内蒙古大学新能源研究中心所推出来的小型户用风光互补发电系统匹配的计算机辅助设计，都在匹配计算方面有着领先的地位。而合肥工业大学智能控制在互补发电系统的应用也处于前沿水平。

文献[9]设计了一套风光混合发电系统，并对该结构进行了优化设计，节约了一次性投资费用。

文献[10]研制开发了一种新型实用的风光互补发电系统，并用统一滑模变结构控制实现了发电系统的快速电压调节、谐波抑制、功率因数补偿和非线性负荷的三相平衡。

文献[11]给出了一套利用CAD对风光互补发电系统进行结构优化的方法，并用设计的数据进行了实验。

文献[12-13]提出一种基于分级模糊算法的风光互补发电场的能量管理控制系统，并作了一定的研究。

通过以上分析，当前我国对风光互补供电系统的应用主要集中在风光互补路灯、风光互补庭院灯、送电到乡、照明示范工程及建筑等民用领域。并在互补发电场的优化设计、底层发电装置研制及控制、蓄能设备的配置、系统仿真等方面开展了大量的研究[14-16]，风光互补供电系统技术已相对成熟、并已具有规模化和产业化。

2.2 军事方面

目前军队新能源的开发与利用正逐步推广，风能太阳能的利用率显著提高，很多新能源技术已经投身到军事行动中。近年美国的风力发电、太阳能发电、垃圾发电等都得到很大发展。预计10 a后，新型能源方面取得的进步可提高美军装备的速度、射程和持续作战能力；一些军用无线电、手持GPS接收机等装备已经开始采用太阳能电池，这些电池非常适合小分队在野外和远离充电设备的地方使用；另外美国及英国的公司还在研制可用于侦察、监视以及通信中继的太阳能无人机，英国公司研制的“西风”无人机创造了连续飞行54 h的记录。

我军已于近期研制成功军用野战太阳能电源车（见图2）及单兵太阳能通讯电台（见图3）等新式装备。在边远地区的哨所、海岛雷达站等已部分运用新能源进行供电，一定程度上缓解了我军对油料需求的压力。

图2 野战太阳能电源车

3 混合能源互补供电系统计算配置

在保证系统供电具有较高可靠性的前提下，充分利用当地风光资源的产生规律，合理搭配太阳能和风能利用比例，为确保对武器装备供电的可靠性，混合能源互补供电系统应以当地风、光能量较差的季节为设计依据，使系统趋近于以风-光交替供电为主、蓄电池补充供电为辅的最佳工作状态[17]。

图3 单兵太阳能通讯电台

3.1 设计步骤

1）查阅当地气象资料，了解其风光资源的发生规律，确定每日有效日照时数、风能利用率及风光搭配比率，依据气象情况确定系统最大持续供电时间和系统补足蓄电池的最大能耗时间。

2）按照太阳能和风能计算公式，确定太阳能电池、风机和蓄电池容量，依据气象情况，选择合适的风力发电机和太阳能、风能控制设备，确定太阳能电池安装模式。

3.1.1 太阳能电源配置

太阳能电源配置按式（1）计算

式中，S为太阳能电池功率；J为气候指数（根据当地气候而定，一般在1～1.45之间）；U为系统输出电压；I为负载电流；T为蓄电池持续供电时间；N为要求补足蓄电池极限能耗时间；H为当地日平均有效日照时间；籽为控制系统效率。

3.1.2 风力发电机配置

风能利用率与风力发电机的性能和安装环境有关。不同厂家不同型号的风力发电机，其额定风速、工作风速范围和工作特性曲线各不一样。

从实际计算风力发电机的配置是采用一种概算模式，按照风力发电机额定功率伊24 h伊（13%～18%）的风能系数，确定风力发电机每天发出的电能W，kW·h；W=24伊P伊（13%～18%），式中，P是风力发电机额定功率。

3.1.3 蓄电池组计算

蓄电池起着存储电能的关键作用。蓄电池组的最大持续供电时间，就是整个电源系统的最大持续供电时间。蓄电池组最大持续供电时间的选定，需要参考当地连续无风阴雨天天数和通讯设备的重要等级。此值选择太小，系统供电可靠性会降低；选择太大，系统造价会过高。

降低蓄电池组的持续供电时间，虽可降低电源系统的整体建设成本，但蓄电池持续供电时间选择偏小，却会使蓄电池组充放电相对频繁，从而降低了系统工作可靠性和蓄电池组使用寿命，增加了系统使用维护成本。

蓄电池组容量计算公式为

式中,Q为蓄电池容量；K为保险系数 (一般在取1～1.25)；I为负载电流；T为蓄电池最大持续供电时间(依当地连阴天而定)；浊为蓄电池容量系数；t为环境温度(依当地最长低温时间而定)。

工程上也常用一个经验公式来快速估算太阳能电源的配置情况，即

采用电位式太阳能控制器：太阳能电池功率=10伊负载功率。

采用含MPPT的DC-DC太阳能控制器：太阳能电池功率=9伊负载功率。

蓄电池组容量=100伊负载电流。

3.1.4 控制器配置

智能控制器是混合能源供电系统最关键的组成部件，系统使用功能和可靠性几乎全由太阳能-风能控制器决定，风力发电机和太阳能电池仅起到将风能和太阳能转换为电能的作用。

智能控制器由中控模块管理下的DC-DC太阳能控制模块、DC-DC风能控制模块和DC-DC交流（油机）控制模块组成。

DC-DC式控制模块利用开关电源工作模式设计，控制器本身具备稳压功能，可在脱离蓄电池组的情况下为负载正常供电。DC-DC式太阳能控制模块不需要将太阳能电池按矩阵方式甩接，全部太阳能电池始终与系统相联，以N+1的模块化方式组合系统容量。

风能控制模块在性能上可分为自稳压（AC-DC）型和依靠蓄电池稳压的电位型，性能差异与前述太阳能控制系统类似，只是风能控制器不必具备MPPT功能。风能控制器基本上与风力发电机单台配套使用，仅需选择控制器类型。

智能控制器使混合能源互补供电系统具有按太阳能（风能）—市电（油机）—蓄电池的先后次序自动选择使用能量，当上一级能量不足时，不足部分由下一级能量自动补足，充分利用了风光资源，保证了只有在最关键时才使用蓄电池的能量，最大限度地延长了蓄电池的供电时间，节约了电能。

为了降低逆变器的损耗，采用太阳能油机切换互补方式：当蓄电池组电压降低到设定值时，油机启动，待输出稳定后，自动切换到系统输出端直接驱动负载。在太阳能将蓄电池组恢复到饱满状态时，停止油机发电，由太阳能和蓄电池组供电。为了保证蓄电池的使用寿命，蓄电池组每次放电不超过容量的30%。可选择在220 V油机端子上接入开关电源，在必要时将220 V油机发电时多余的能量补给蓄电池组，提高系统应急供电性能。

4 武器装备混合能源互补供电关键技术

从装备用电设备角度来讲，它们是典型的独立、有限容量、非线性系统，特别是对于我军装备野战供电离网式有限容量供电系统，能量的转移、分配及切换均会造成线路潮流和节电电压发生变化，系统结构参数发生改变。武器装备用电特性对能量的有效管理、动态可用能量、稳定性与受电规模关系、多电能切入协调控制等方面提出了相应的要求，因此离网式系统与无限容量系统在计算理论及结构体系等方面存在很大的不同，是装备混合能源互补供电系统所特有的，为了使风光互补发电系统在军事装备中得到推广应用，还应在以下几方面进行研究。

4.1 体系结构研究

风光混合能源互补供电系统按照系统是否并入电网可划分为并网型系统和离网型系统，离网型系统按照母线类型又可分为直流母线系统和交流母线系统。基于直流母线系统的优点：只需对母线电压进行控制，容易满足系统性能要求，控制算法简单；系统容易扩展，容易满足用电设备和发电设备增加的需求，因此广泛应用于中小型风光互补发电系统中。

本文主要针对离网型直流母线系统进行研究，即独立运行的以直流母线为总线构建的风光混合能源互补供电系统，该型风光混合能源互补供电系统主要由发电单元（光伏阵列、风力发电机）、储能单元、能量控制单元（光伏控制器、风能控制器、充放电控制电路）、能量变换单元（变换器）、能量消耗单元（交直流负载）及上位机监控系统等组成。典型的离网型直流母线风-光-柴-蓄混合能源互补供电系统结构如图4所示。

图4 混合互补供电系统结构图

另外离网型风光混合能源互补供电系统还可以是交直流混合母线系统或纯交流母线混合发电系统[15-18]。其中交直流母线混合互补发电系统中，风力发电单元或通过整流单元变换为直流电对蓄电池充电或直接通过电力电子装置变换为交流电；纯交流母线系统中，光伏发电单元和风力发电单元均通过电力电子变换装置直接变换为交流电并入交流电网，柴油发电机组在外部信号控制下发电后并入交流母线，蓄电池储能单元通过充放电控制器不仅可以以独立逆变的方式提供弱电网，而且还可以以充放电的方式并入交流电网。

混合能源供电系统从技战术角度来看，整个系统体系结构必须采用集成的模块化设计，具备良好的兼容性和冗余性，根据自然环境条件和装备的电力消耗情况，对发电单元进行有机组合、合理配置，风-光-柴-蓄、风-柴-蓄、光-柴-蓄、柴-蓄等多种结构均可自由组合，或可从技战术的角度，考虑采用不同的发电单元为不同重要程度的负荷供电，提高混合能源互补供电系统的抗打击能力和战场生存能力[19]。

4.2 能量管理与控制技术研究

离网型混合能源互补供电系统是典型的独立、有限容量、非线性系统，能量的转移、分配及切换均会造成线路潮流和节电电压发生变化，系统结构参数发生改变。武器装备用电特性对能量的有效管理、动态可用能量、稳定性与受电规模关系、多电能切入协调控制等方面提出了相应的要求，因此离网式系统与无限容量系统在计算理论及结构体系等方面存在很大的不同，是装备混合能源互补供电系统所特有的。

在混合能源互补供电系统中，由于日照强度及气候条件的变化，太阳电池阵列和风力发电机输出的功率都存在着较大范围的波动，从能量产生的角度对混合能源互补供电能量管理系统提出了较高要求。混合能源互补供电系统属分布式发电系统，系统运行的最优控制与稳定性决定了该系统在装备供电时的成败，合理的能量管理策略对提高混合能源互补供电系统的供电质量和可靠性具有重要意义。

当混合能源互补供电系统用于装备供电时，武器装备电力系统容量不断增大，系统的稳定性问题更加突出，特别是对于我军装备野战供电离网式有限容量供电系统。能量的转移、分配及切换均会造成线路潮流和节电电压发生变化，系统结构参数发生改变，对能量存储、大功率释放、能量高效高速控制的技术要求都是前所未有的。如何使信息化装备具备高度的机动能力和突击能力，如何发挥好信息化装备的效能，武器装备用电特性对能量的有效管理、动态可用能量、稳定性与受电规模关系、多电能切入协调控制等方面提出了相应的要求。离网式系统与无限容量系统在计算理论及结构体系等方面存在很大的不同，是装备混合能源互补供电系统所特有的。

为了满足武器装备对混合能源互补供电系统安全性、可靠性和连续性的要求，混合能源互补供电是典型的交直流系统，多能源馈入相互作用强、功率支持的控制等，运行时影响性能的主要操作参数包括温度、电压、电流、功角等参量都要维持在稳定的理想状态，避免由于负载变化引起操作参数偏离理想范围而导致系统性能下降，甚至永久性损坏系统。混合能源互补供电系统包含多设备、多调节变量以及复杂的能量管理，进行完整的能量控制与协调管理设计是满足装备用电所必须的。

从系统运行经济性角度来考虑，在获得安装地点的气候数据、负载需求后，通过选择不同的发电单元组合方式确定系统容量，然后选择在给定系统容量下的最优运行策略，通过选择不同的运行策略会影响到系统的效率和经济性，最终会影响到系统的全寿命周期成本。必须一方面进行单机控制以提高单机运行效率，另一方面采用能量管理系统实现互补发电设备的动态优化组合及能源的最优功率匹配，降低系统运行成本，提高系统的运行效率。

通过上节的分析可看出，能量的管理与控制是风-光-柴-蓄混合能源实际应用到武器系统供电时最需解决的关键问题之一。合理的能量管理与控制系统不仅能够提高系统的安全性、稳定性、降低系统运行成本，而且能够实现互补发电设备的动态优化组合，提高电能质量，使风-光-柴-蓄混合能源互补供电系统成为一种稳定可靠的电源，满足武器装备对混合能源互补供电系统安全性、可靠性及连续性的要求。

应针对系统不同的运行状态及体系结构，在研究风、光、柴、蓄等各部件能量管理策略的基础上，基于多目标优化控制理论与方法提出风-光-柴-蓄混合能源互补供电系统的能量管理策略，开展系统指标与能量管理策略的关系研究，确定不同系统结构及运行方式下系统最优能量管理策略，如光-柴系统能量管理策略、风-柴系统能量管理策略、风-光-柴系统能量管理策略等等，以适应不同系统结构的需要。

4.3 储能设备及充放电控制策略

目前在混合能源供电领域所采用的储能装置一般仍采用铅酸蓄电池，其充电技术主要还是沿用其传统充电方式。对蓄电池的充电关心更多的是充电效率和速度，对循环使用寿命的考虑倒在其次，从而导致铅酸蓄电池在混合能源供电系统中不能很好地应用。

当前国内风/光互补系统中普遍采用的控制策略是对蓄电池进行浮充充电的控制模式，也就是让负载尽可能多地消耗由太阳电池方阵和风力机组发出的电，若有盈余，则给蓄电池充电；若不足，则蓄电池放电以保证负载运行。一般是通过电压监控蓄电池，确定其荷电状态。有的控制器设计中采用了电流、温度因素来补偿内阻损耗引起的蓄电池状态变化。

在混合能源供电领域内，国外在蓄电池充放控制策略上有所改进，文献[20-21]表明已有一些卓有成效的研究。在传统浮充充电模式的基础上，将剩余容量（SOC）作为蓄电池充放电管理的判断准则，从负荷用电与系统供电平衡的方面来改善控制器性能和系统性能。在SOC计算方面，根据有关资料显示，较为普遍接受的方法采用多参数进行准确度补偿，综合专家知识，运用智能控制的算法，通过对蓄电池的在线学习和适应，逐渐得到SOC与电流、电压以及温度的关系模型。在供电与用电平衡方面，尝试从对自然资源发电量的预测以及系统负荷的预测方面加强对能量的管理，以实现系统的智能化。

装备混合能源供电系统中重点考虑储能设备的充/放电控制策略，不仅关心其充电速度，而且重点研究如何既能最大限度地利用太阳能或风能，又能合理地实现充电的最小损耗和蓄电池的最长寿命，研究以太阳能/风能电压、电流和蓄电池电压、电流、容量同时作为变量和对象的综合的充/放电控制策略[22-23]。

4.4 符合装备用电特点的补偿技术

目前武器装备的信息化、智能化，需要提供高功率电力；武器装备系统为了提高射程和机动能力，需要提供更多的能量；一些新概念武器要大功率脉冲电源，因此对能量存储、大功率释放、能量高效高速控制的技术要求都是前所未有的。如何使信息化装备具备高度的机动能力和突击能力，如何发挥好信息化装备的效能，必须依靠电气补偿技术才能满足武器装备对电力及能量管理系统的需求。

根据装备对电能质量和电气指标的要求，对多种动态补偿装置进行特性分析，通过采取不同的动态补偿方案，由现场测试的数据对补偿效果对比分析，配置补偿装置的参数，评估其综合补偿后的效果，确保补偿方式的有效性，避免因电能质量问题影响装备技战术水平，使供电保障系统满足装备用电要求，从而保障装备作战效能的发挥[24-25]。

5 结论

分析了目前混合能源互补供电系统在武器装备中的应用现状，并对发展装备混合能源互补供电的若干关键技术及其可能的解决方案进行了阐述。研究表明，为解决高原海防部队对空情报、对海侦察雷达应用混合能源互补供电时的适应性、可靠性及安全性难题，开展多馈入有限容量的能量管理与控制技术研究是系统高效、可靠运行的前提和保证，构建协调高效的能量管理系统，提高供电系统性能，依靠电气补偿技术满足武器装备对供电品质的要求。

混合能源互补供电系统除应用于武器装备供电保障系统外，还可适用于军事指挥、作战、电子对抗、电子侦察、电子跟踪等所有的固定的或者移动的军事行动，以及兵站、海岛、哨所、野战医院、炊事等固定的或者移动的军事场所。

混合能源互补供电系统安装快捷、移动方便，是军队战时和和平时期最为理想的军事能源供电装备。混合能源互补供电系统产业化和使用推广，可以提升新时期我军现代化军事装备作战能力，并减轻军用物资供给和运输压力。另外，在和平时期也能够在引领全社会增强环境保护，促进绿色能源发展意识等方面将起到非常积极的示范作用。

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