基于DAB变换器的舰船中压直流混合储能系统端电压限制

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　　摘要：为解决脉冲负载投切对舰船中压直流（medium voltage direct current，MVDC）电力系统的冲击，引入基于双有源桥（dual active bridge，DAB）变换器的锂电池-超级电容混合储能系统。鉴于传统功率分配策略无法实现对超级电容端电压的主动限制的缺点，引入混合储能系统功率比的概念，建立锂电池功率传输与超级电容功率传输之间的联系;结合DAB变换器电压变比匹配度，提出一种新型动态补偿功率分配策略;采用直接功率控制在MATLAB/Simulink中进行仿真。结果表明，这种策略能有效平复脉冲负载投切对直流母线的冲击，实现闭环功率分配，对超级电容端电压进行主动限制，从而新型动态补偿功率分配策略的有效性得到验证。
　　关键词：舰船;中压直流（MVDC）;双有源桥（dual active bridge， DAB）变换器;混合储能系统;脉冲负载;电压限制
　　中图分类号：  U665.12
　　 文献标志码：  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
　　 隨着舰船综合电力系统（integrated power system，IPS）的不断发展，中压直流（medium voltage direct current，MVDC）配电方式以其灵活高效的特点受到广泛关注，相比中压交流（medium voltage alternating current，MVAC）配电方式更具优势[1-2]。近年来提出的新型MVDC环网模型[3]可以极大地提高MVDC系统的供电效率和可靠性。MVDC电力系统主要包括发电系统、配电系统、混合储能系统、常规负载和脉冲负载等。
　　高功率脉冲负载的上舰应用给MVDC的稳定性带来新的挑战。文献[4-5]详细探讨了舰船脉冲负载的工作特点，并列举了几种典型舰船脉冲负载，如电磁弹射装置、电磁轨道炮、脉冲雷达等。由于发电机无法在短时间内对大功率作出动态响应，所以有必要引入混合储能系统，由高功率密度的超级电容响应暂态过程，高能量密度的锂电池响应稳态过程，充分发挥它们的互补优势[6]。
　　储能系统与直流电网之间能量流通的关键是双向DC-DC变换器。随着舰船装备容量和电压等级的提升，传统双向DC-DC变换器已难以满足配电需求。双有源桥（dual active bridge，DAB）变换器以其电气隔离、电压变比灵活、双向传输、易实现软开关、功率密度高、模块化结构等优点，被广泛应用于航空电源、电动汽车、分布式发电领域，在舰船MVDC电力系统中也受到重点关注[7-11]。
　　目前，针对DAB变换器的研究大多集中于拓扑层面，主要有两个方向：一是采用改进的拓扑结构和软开关策略，但会损失DAB变换器的对称性[12];二是改进控制方法，通过多自由度移相控制算法来改善DAB变换器的环流特性，减小电流应力，提高功率传输能力[13]。然而，对DAB变换器系统控制层面的研究较少。文献[14]探讨了DAB变换器的大、小信号建模，但未进行闭环补偿设计;文献[15]提出了DAB变换器直接功率控制策略，具有优越的动态响应效果，但未结合具体应用场景进行讨论;文献[16]探讨了一种应用于交流电网的储能系统，采用了基于DAB变换器的AC-DC-DC双向变换器，以保证DAB变换器电压变比匹配。直流电网中基于DAB变换器的储能系统研究，大多未关注DAB变换器的实际工作特性，有些采用了简化模型，但与实际情况存在较大偏差。文献[11]将DAB变换器作为电力电子配电变压器应用于船舶MVDC系统中，并给出了详细的控制策略，但未结合储能系统进行讨论。文献[17]研究了基于DAB变换器的储能系统在脉冲负载工况下的能量管理，采用超级电容平复母线波动，但未结合DAB变换器的实际工作特性;文献[18]提出了一种基于DAB变换器的具有高度电压变比灵活性的混合储能系统，采用传统功率分配策略来应对分布式发电中负载功率突升突降，但未涉及储能系统端电压变化的讨论。 　　在混合储能系统中，锂电池与超级电容端电压随荷电状态的变化存在巨大差异[19-20]，锂电池具有充放电线性平台，端电压相对稳定，而超级电容不具有线性平台，端电压变化范围宽，对系统影响较大。
　　本文以基于DAB變换器的舰船MVDC混合储能系统端电压为优化目标，分析DAB变换器的工作特性以及闭环控制，针对超级电容端电压变化范围宽和在脉冲负载工况下传统功率分配策略属于开环分配的缺点，引入混合储能系统功率比h，建立锂电池与超级电容功率传输之间的联系，提出一种新型动态补偿功率分配策略。采用直接功率控制进行仿真，仿真结果表明该策略不仅能平复脉冲负载投切对系统的冲击，还能实现闭环功率分配，主动限制超级电容端电压。
　　5 结 论
　　对基于DAB变换器的舰船中压直流（MVDC）混合储能系统端电压限制进行了研究，根据锂电池和超级电容的充放电特性，结合DAB变换器的工作特点，引入混合储能系统功率比，建立了锂电池与超级电容传输功率之间的联系，进而提出一种新型动态补偿功率分配策略。对混合储能系统和补偿曲线进行了参数设计，采用直接功率闭环控制，仿真验证了新型策略的有效性。仿真结果表明，新型动态功率分配策略不仅能有效平复脉冲负载投切对直流母线的冲击，还能实现闭环功率分配，改善传统功率分配开环运行的缺点，对超级电容端电压进行主动限制和优化，避免脉冲负载工况下超级电容耗能过大，端电压低于工作电压导致系统停机的问题，对储能系统的能量管理研究具有借鉴意义。由于时间和精力有限，本文研究基于各储能单元功率均衡，后续可针对各储能单元之间参数存在偏差的情况进行研究。
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　　（编辑 贾裙平）
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