飞轮储能在舰船中压直流电力系统中的应用

卓 秀，郭 燚，李 闯

（上海海事大学物流工程学院，上海201306）

随着对舰船综合电力系统研究的不断深入以及舰船电力设备技术的发展，未来战舰负载不仅包括必须的推进负载和日常用电负荷，还包括电磁弹射器、电磁轨道炮、激光炮等先进的电磁武器，且这些先进的电磁设备都需要依靠极大的电流产生电磁力［1］，发电机组却不能快速跟随脉冲负载的需求功率。为了有效解决所面临的问题，在舰船中压直流（Medium Voltage Direct Current，MVDC）电力系统中接入储能系统来快速响应脉冲负载需求成为现代及未来战舰的重要举措［2］。而飞轮储能系统具有输出功率大，充电时间短，结构紧凑，工作温度要求低，使用寿命长和绿色无污染等优点，与其他储能技术相比具有很大的优越性，是目前最有发展前景的储能技术之一。

由于发电机不能够及时响应脉冲负载的功率需求，文献［3］比较了飞轮储能系统的接入对脉冲型负载的投切所造成的母线电压波动是否有抑制作用。文献［4］提出了一种基于双向DC-DC的飞轮储能系统控制策略，验证了所提出的控制策略在充电方面解决了传统控制策略的局限性，控制灵活；在放电方面具有更好的抗负载干扰和目标值跟随能力。文献［5］提出了双模式双闭环控制策略，以及相应的飞轮工作模式自动切换流程，可以有效抑制舰船综合电力系统的电压波动。文献［6］设计了一种基于矢量控制的综合控制策略，实现了飞轮储能装置的工作模式平滑快速切换以及功率控制的快速响应。文献［7］利用永磁无刷直流电动机和独立的充放电电流变换器搭建了飞轮储能系统的充放电电路，验证了所采用电路拓扑和控制方法的可行性。

本文针对舰船MVDC电力系统中脉冲型负载的投切造成的母线电压波动，设计了基于DC-DC变换器的飞轮储能系统，采用平抑波动的脉冲功率控制策略提高系统稳定性及运行效率，并通过仿真验证了飞轮储能系统的接入能够抑制母线电压的波动。

1 新型环形舰船MVDC电力系统模型

为了使舰船动力系统配置得到优化，节省能源，进一步减小舰船体积、提升效率，克服大规模发电、配电和优化有关的技术挑战，文献［8］提出了环型舰船MVDC电力系统模型，如图1所示。该系统模型分为左、右舷，每舷配置了一个额定功率主发电机和一个额定功率辅助发电机，发电机电压调节器和二极管整流器相互配合，为MVDC母线提供能量，确保直流母线实现5 kV稳压。断路器位于船头与船尾，连接左、右舷直流母线，当至少一个断路器闭合时，左、右舷母线公共运行，MVDC呈环形；当两个断路器均断开时，MVDC分离为两条直流母线，左、右舷母线独立工作。舰船负载包括4个区域负载中心和1个高功率雷达负载区域中心，各自通过独立的DC-DC变换器分别与左、右舷母线相连，实现电压等级的变换工作，此外还有储能装置与脉冲负载分别配置于MVDC左、右舷，因此新型环形舰船MVDC电力系统即使处于极端恶劣的工作环境中，也能保持最佳的工作状态。

图1 新型环形舰船MVDC电力系统模型

2 飞轮储能系统的工作原理

通常飞轮储能系统工作时分为3个状态：充电、放电和保持。当系统处于充电状态时，飞轮电机作为电动机形式运行，直流母线输入的电能通过驱动电路加快飞轮的旋转，把电能转化为机械能存储在飞轮中；当系统处于保持状态时，飞轮储能系统释放与吸收能量，但由于飞轮自身存在损耗，所以飞轮转速略微下降；当系统处于放电状态时，飞轮的转速下降，电机作为发电机将机械能转换成电能，通过驱动电路将电能输送到直流母线，满足脉冲型负载的需求。由此，实现了整个系统电能的存储、保持和释放［9-10］。飞轮储能系统工作原理如图2所示。其中，Udc、Idc为母线电压与电流。

图2 飞轮储能系统的工作原理

基于d/q坐标系下永磁同步电动机的数学模型如下所示：

忽略损耗，有

式中：ufd、ufq为电机侧电压dq轴分量；ifd、ifq为定子电流dq分量；ψfd、ψfq为定子磁链dq轴分量；Lfd、Lfq为定子电感dq轴分量；Rfs为定子电阻；ωf为电动机同步角速度；ψf为气隙磁通；Tem为电磁转矩；Pn为极对数；J为电机转动惯量；Pe为飞轮储能的功率；W为飞轮存储和释放的能量；p=d/dt为微分算子。

由图2可知，飞轮储能系统的核心部件是带动飞轮旋转的电动机，有

为了提高飞轮的寿命，通常会让飞轮转速控制在最低转速ωmin和最高转速ωmax之间，那么飞轮储存或释放的能量大小为

3 飞轮储能系统的控制策略

飞轮储能系统处于电动状态时，永磁同步电动机的控制方式一般分为转速控制、功率控制、母线电压控制3种，当用于具有强直流电压源的系统时，飞轮储能系统控制器多采用功率控制方式，跟踪当前飞轮储能吸收的功率。充电控制系统如图3所示，功率指令通过功率控制器生成q轴电流参考值，根据永磁同步电动机的数学模型可以得到d、q轴电压参考值，通过dq/αβ变换后可转换为永磁同步电动机在α、β两相静止坐标系下的参考控制电压值，经过空间矢量脉宽调制单 元（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）产生的脉冲信号输送给三相脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）变换器，将直流电逆变成交流电，电动机转速增加，将剩余的电能以电动机的机械能储存起来［11］。

图3的功率控制器内部控制框图如图4所示，主要目的是利用飞轮的参考功率与飞轮输出的电压得到飞轮输出电流的给定值和测量值Idc的误差，经过PI控制器，对开环生成的进行校正，最终使飞轮储能快速地吸收存储外部提供的能量，稳定母线电压。

图3 飞轮储能系统充电框图

图4 功率控制器框图

3.1 DC/DC变换器控制方式

图5的双向半桥DC-DC变换器是连接飞轮储能和母线的纽带，实现能量的双向流动以及稳定母线电压在5 kV，可被看作由一个Buck电路和一个Boost电路组合而成的变换器。它由两个开关管S1、S2，两个二极管D1、D2，电感L以及电容C1和C2构成。当Udc为输入，U为输出时，此时变换器为Boost升压电路；当U为输入，Udc为输出时，此时变换器为Buck降压电路。

图5 双向半桥DC-DC变换器拓扑结构

DC-DC变换器的控制方式一般有直接功率闭环控制、电压闭环控制和输出电流闭环控制等。其中直接功率控制［12］能提高变换器动态响应速度，快速响应负载功率需求，及时稳定母线电压。DC/DC直接功率控制原理如图6所示。根据脉冲负载所需要的飞轮储能释放的功率Pfw与DC-DC变换器电压反馈值Ufw得到电流参考值Ifw，ref；当Pfw＞0，飞轮处于放电状态时，Ifw，ref＞0，飞轮储能通过DC-DC变换器释放能量；当Pfw＜0，飞轮处于充电状态时，Ifw，ref＜0，飞轮储能通过DC-DC变换器吸收能量；当Pfw=0，飞轮处于保持状态时，Ifw，ref=0，飞轮储能与舰船MVDC电力系统没有能量交换。将得到的Ifw，ref与当前变换器电流Ifw作比较，生成PWM脉冲控制变换器开关管的导通和关断，稳定系统中脉冲型负载的投入和切除带来的波动。

图6 直接功率控制

3.2 平抑波动的脉冲功率控制方法

该控制方法遵循能量守恒定律，以飞轮储能输出功率为正、输入功率为负，可得功率变量关系式为

式中：Pge为发电机经整流器输出到母线的功率；Ppl为脉冲负载需求功率；Pl为系统中除脉冲负载之外的所有恒功率负载消耗功率之和；Pfw为飞轮储能系统输出的功率。

为减少脉冲负载功率对系统稳定性及运行效率的影响，需研究合适的策略对脉冲负载需求功率进行控制。首先对脉冲负载需求功率曲线进行傅里叶变换，得到其功率频谱图，可以初步确定截止频率的范围，再根据发电机和飞轮储能各自的特性需求，可以确定发电机与飞轮储能之间的截止频率fc，频率大于截止频率的脉冲负载功率由飞轮储能提供，频率低于截止频率的脉冲负载功率由发电机提供［13］。

根据脉冲负载功率的频谱分布图，结合发电机和飞轮储能特性需求，可知低通滤波器的截止频率fc的取值范围，从而得出发电机和飞轮储能输出参考功率值，Tc为fc所对应的时间常数。对功率进行频域分析可得

式中：s为拉普拉斯变换后的微分算子。

由于脉冲负载的低频分量波动较大，带限制的低通滤波控制策略可以对低通滤波后的发电机参考功率进行限值修正，超出其限制的功率由飞轮储能来提供。脉冲负载需求功率经限值修正后得出发电机输出参考功率Pge，ref，曲线平缓，波动小，满足发电机的输出功率特性。由于限值修正策略引入了高频波动的功率分量，因此，需对Pge，ref再次滤波，最终得到发电机和飞轮实际释放的功率值［14］，带限制的低通滤波控制策略框图如图7所示。

图7 带限制的低通滤波控制策略框图

4 建模和仿真分析

4.1 建模

为验证所提出方法的有效性，根据图1建立了Matlab/Simulink仿真模型，包括1个发电机模型（经二极管整流接入MVDC母线上），1个脉冲负载，1个恒功率负载，1个飞轮储能模型和1个DC/DC变换器模型。系统模型的仿真参数：发电机的额定功率36 MW，线电压4.16 kV，频率240 Hz，额定转速3 600 r/min；二极管整流器交流侧串联电感0.124 mH，交流侧串联电阻7.5 mΩ，直流侧电容1 mF；三相测试负载功率为5 MW，恒功率负载功率为15 MW；永磁同步电动机的定子电阻R=0.15Ω，定子d相和q相电感L d=L q=1 mH，极对数P=2，转动惯量J=400 kg·m2，永磁磁链ψf=0.8 V·s，额定转速n=5732 r/min。

舰船电力系统中脉冲型负载主要包括电磁弹射装置、轨道炮、脉冲雷达等周期性瞬时大功率负载［15］。脉冲负载模型的建立是利用模块输出的脉冲负载需求功率除以电压表测得的端口实时电压，获得实际需求电流，输入受控电流源中，恒功率负载模型的建立与此类似。

图8所示为脉冲型负载仿真波形，1.00～1.01 s和3.00～3.01 s 3 MW脉冲负载投入，功率变化率为300 MW/s，2.00～2.01 s和4.00～4.01 s内脉冲负载切除，功率变化率和投入时相同，可见脉冲负载投入切除的功率变化率非常大，且具有周期性。

图8 脉冲型负载仿真波形

图9所示为脉冲负载功率分配波形图，飞轮储能输出的功率为脉冲负载功率的高频分量，发电机输出的是脉冲负载的低频分量，由于对发电机的输出功率进行了限幅修正，发电机的输出功率相对平滑且稳定在1 MW。

图9 功率分配波形图

4.2 仿真分析

4.2.1 恒功率负载 为验证所建立的舰船MVDC电力系统模型的稳定性，对只有恒功率负载的情况进行仿真，得出如图10所示发电机输出的有功功率波形和图11所示恒功率负载时的母线电压波形。

图10 发电机输出有功功率波形

图11 恒功率负载时的母线电压波形

由图10可知，当系统中只接入恒功率负载时，通过有功功率控制环，发电机在极端的时间内输出功率就可以达到20 MW，进入稳态后，输出的有功功率几乎没有波动。

由图11可知，当系统中只接入恒功率负载时，通过发电机电压控制环，母线电压在0.2 s时就可以达到参考值5 kV，进入稳态后，母线电压的波动很小，可得出所建立模型的稳定性很高。

4.2.2 同时接入恒功率负载和脉冲型负载的仿真结果分析 为了更加清楚脉冲型负载对电力系统的影响，同时接入常规型负载和脉冲型负载并对其进行仿真，得出如图12所示接入脉冲型负载后的母线电压波形。

图12 接入脉冲负载后的母线电压波形

从图12可以看出，系统接入15 MW的恒功率负载时，母线电压通过发电机系统中电压控制环，经0.2 s就可以稳定在5 kV；在1.00～1.01 s和3.00～3.01 s时间段内接入3 MW的脉冲型负载，发电机所发出的功率不能及时响应脉冲负载功率需求，导致直流母线电压剧烈跌落至4 kV；在2.00～2.01 s和4.00～4.01 s时间段内脉冲型负载切除，由于发电机提供的脉冲负载功率的低频分量的存在，母线电压将会上升至5.3 kV。

综上可知，脉冲型负载对系统的影响很大：脉冲型负载投入会引起母线电压的跌落，脉冲型负载的切除会引起母线电压的上升。

4.2.3 减小母线电压巨幅震荡的仿真验证 脉冲负载的投切会导致母线电压的波动，为研究飞轮储能系统对电压波动的抑制作用，接入飞轮储能系统进行仿真如图13所示，飞轮转速变化如图14所示。

图13 接入飞轮储能系统时母线电压波形

图14 飞轮转速变化曲线

由图13可知，在1.0～2.0 s和3.0～4.0 s投入脉冲型负载时，发电机与飞轮储能释放能量满足脉冲负载功率需求，母线电压为4.9 kV，抑制了电压降落。

由图14可知，在0～1.0 s，飞轮和外界没有能量交换，由于飞轮本身内阻的存在，飞轮的转速还是会略微下降；在1.0～2.0 s，脉冲负载的投入，飞轮提供能量，转速从7 630 r/min下降至7 285 r/min；在2.0～3.0 s，脉冲负载切除，飞轮储能吸收发电机输出的脉冲负载的低频分量，飞轮转速从7 285 r/min升高至7 330 r/min；在3.0～4.0 s，脉冲负载再次投入，飞轮提供能量，转速从7 330 r/min下降至7 052 r/min；在4.0～5.0 s脉冲负载切除，飞轮转速从7 052 r/min升高至

7 123 r/min。

5 结 论

本文基于环形舰船MVDC电力系统，解决了脉冲型负载瞬时投切造成的母线电压波动问题，并在Matlab/Simulink上搭建了带飞轮储能系统的舰船MVDC电力系统仿真模型。仿真结果表明，飞轮储能系统的接入可以显著抑制母线电压的波动，提高能量的利用率。本文不足之处在于，采用的储能方式过于单一，不利于更好地维持直流电力系统的稳定性，在此基础上可以进一步研究混合储能系统对母线电压波动的抑制情况。