王孫清，鄭恒持，徐紀偉，于 朝，李彬彬，孔 昕

（1. 中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082；2. 深海技術(shù)科學(xué)太湖實驗室，江蘇無錫 214082；3. 深海載人裝備全國重點實驗室，江蘇無錫 214082）

0 引言

近年來，隨著海洋科技的快速發(fā)展，海洋開發(fā)和勘探所需的水下裝備迅速增加。相應(yīng)地，對水下能源的需求也日益旺盛。深海能源的獲取、傳輸和管理技術(shù)已成為海洋工程領(lǐng)域的研究熱點。深海能源供應(yīng)技術(shù)水平?jīng)Q定海洋開發(fā)速度，影響海洋強國的發(fā)展命脈。開發(fā)水下能源新技術(shù)，建設(shè)取之不盡、用之不竭的多能互補水下能源供應(yīng)平臺，將極大促進水下裝備的大潛深、長續(xù)航和規(guī)模化進程，為建設(shè)海洋強國奠定堅實的基礎(chǔ)。目前水下裝備的供電方式可分為有纜和無纜兩種。有纜方式工作深度有限，在水下復(fù)雜環(huán)境中供電連續(xù)性不高；無纜方式主要采用自給式方案，如通過自帶儲能電池供能，或者通過攜帶燃料進行現(xiàn)場發(fā)電等。但大型水下平臺往往對電能的需求較大，受體積和重量的限制，電池容量往往不能滿足需求。燃料電池內(nèi)部幾乎不含任何機械運動的部件，具有高效率、零排放、低噪聲的特點。因此，燃料電池可以很好地應(yīng)用于大型水下作業(yè)平臺。但是，燃料電池在單獨供電時，其輸出特性偏軟，動態(tài)響應(yīng)慢，無法實時滿足負載的能量需求的快速變化。并且在負載功率突增時可能會威脅燃料電池的安全運行，大功率作業(yè)型設(shè)備工作時有可能在停止或者制動時由于能量回饋造成電壓泵升引起電網(wǎng)振蕩。為了應(yīng)對隨機性、間歇性、波動性負載以及獨立運行對負荷投切敏感等技術(shù)問題，確保燃料電池能夠安全穩(wěn)定運行，提高燃料電池的經(jīng)濟性以及使用壽命，可以在燃料電池供電系統(tǒng)中加入鋰電池、超級電容等輔助能源，起到能量緩沖的作用，使大功率負載能夠安全地接入系統(tǒng)，提高能量利用率。本文提出了一種以燃料電池為主，蓄電池和超級電容為輔的深海能源基站儲能系統(tǒng)。超級電容采用雙閉環(huán)控制，以保證母線側(cè)的電壓穩(wěn)定，仿真驗證了超級電容充放電控制策略的可行性。

1 深海能源基站供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的深海能源基站系統(tǒng)由燃料電池、蓄電池、超級電容及負載組成，是一個孤立且復(fù)雜的微電網(wǎng)。該系統(tǒng)中各組成部分分別通過電力電子器件與直流母線相連。

圖1 深海能源基站供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）燃料電池模塊：燃料電池主要負責為整個深海能源基站的正常運行提供能量，通過單相DC/DC 變換器連接到直流母線。

2）混合儲能模塊：混合儲能系統(tǒng)由電池和超級電容器組成，均通過雙向DC/DC 變換器連接到直流母線。其主要負責儲存多余能量并釋放負載所需的能量，從而維持直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3）負載模塊：負載由直流負載和交流負載組成。直流負載通過DC/DC 變換器接入直流母線，而交流負載通過AC/DC 變換器與直流母線相連。微電網(wǎng)系統(tǒng)運行時，當能量不足以滿足負載的需要，可以依次選擇非重要負載進行切除，從而保證電網(wǎng)的穩(wěn)定。

2 超級電容充放電控制策略

各國學(xué)者在上世紀七八十年代開發(fā)出超級電容，通過極化電解質(zhì)存儲能量，也稱為法拉電容器。其容量范圍可達1 至10 000F，遠高于普通電解電容的pF 或μF 量級。它與傳統(tǒng)的化學(xué)電源不同，是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間具有特殊性能的電源。它主要依靠雙電層電荷轉(zhuǎn)移來儲存電能，但其儲能過程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這種儲能過程是可逆的，因此具有優(yōu)異的循環(huán)能力，可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。超級電容與蓄電池相比，具有環(huán)保免維護、充放電電流較大、整個壽命周期較長等優(yōu)點，可以極大改善傳統(tǒng)電池在虧電等某些惡劣工況下無法正常輸出、充電效率低下、應(yīng)急響應(yīng)不及時等缺陷，將二者運用在儲能系統(tǒng)中可達到互補的效果。超級電容的控制采用與鋰電池類似的控制方法，同樣采用非隔離型半橋DC/DC 變換器進行充放電。本文將詳細介紹超級電容的充放電控制方法，從而能夠更好地為負載進行供電。

超級電容的充電和放電過程是能量雙向流動的過程，功率變換器需實現(xiàn)儲能設(shè)施儲存和釋放能量的雙向性流動。雙向DC/DC 變換器可以實現(xiàn)能量在雙向的流動，可以更有效對超級電容進行充放電，同時保證兩端電壓穩(wěn)定，降低功耗，減少資源浪費。雙向DC/DC 變換器DC/DC 變換器分為隔離型和非隔離型兩種，本文中所使用的是非隔離型雙向半橋DC/DC 變換器，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2 所示。整個系統(tǒng)中負載直流母線的壓是高于超級電容電壓。

圖2 雙向半橋DC/DC 變換器拓撲

整個系統(tǒng)中電流是雙向流動的，也就實現(xiàn)了超級電容的充電和放電過程。當雙向半橋DC/DC變換器工作在升壓模式時，超級電容放電，當雙向半橋DC/DC 變換器工作在降壓模式時，超級電容充電，其等效電路如圖3 所示。

圖3 放電模式等效電路

當超級電容需要放電時，開關(guān)S2 為PWM 工作方式，開關(guān)S1 關(guān)斷。0-DT 時間內(nèi)開關(guān)S2 導(dǎo)通，超級電容放電向電感L 充電；DT-T 時間內(nèi)開關(guān)S2 斷開，超級電容與電感L 通過開關(guān)管S1反并聯(lián)的二極管D1 向直流母線釋放能量，維持直流母線電壓穩(wěn)定，下個周期重復(fù)同樣的動作。

當超級電容工作在充電狀態(tài)時也就是雙向變換器工作在降壓模式，其等效電路如圖4 所示。

圖4 充電模式等效電路

充電模式下，開關(guān)S1 為PWM 工作方式，開關(guān)S2 不工作。0-DT 時間內(nèi)開關(guān)S2 導(dǎo)通，超級電容放電向電感L 充電；DT-T 時間內(nèi)開關(guān)S2 斷開，超級電容與電感L 通過開關(guān)管S1 反并聯(lián)的二極管D1 向直流母線釋放能量，維持直流母線電壓穩(wěn)定，下個周期重復(fù)同樣的動作。

為了保證輸出電壓的穩(wěn)定，充放電控制都采用閉環(huán)反饋的控制方法。而閉環(huán)控制又分為單閉環(huán)控制和雙閉環(huán)控制。單閉環(huán)是只將輸出電壓作為反饋量，構(gòu)成單環(huán)控制系統(tǒng)來控制開關(guān)信號。雙閉環(huán)是將輸出電壓作為外環(huán)反饋，經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)后作為內(nèi)環(huán)電感電流的給定量，構(gòu)成電壓電流雙閉環(huán)控制，從而提高整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性。本文采用電壓電流雙閉環(huán)控制。如圖5 所示為超級電容充放電系統(tǒng)中所搭建的PI 控制電路模型。

圖5 電壓電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

3 仿真模型搭建及結(jié)果分析

利用PSIM 軟件搭建系統(tǒng)仿真模型，模型如圖6 所示。主電路使用雙向buck-boost 電路，可以看做一個半橋電路。從左向右是buck 模式，從右向左是boost 模式。直流母線位于高壓側(cè)，超級電容位于低壓側(cè)，雙向DC/DC 變換器在其工作象限內(nèi)，輸入輸出電壓極性不變，電流方向雙向變化，實現(xiàn)能量的雙向流動。

圖6 超級電容充放電控制仿真模型

圖7 充放電仿真波形

為了保證充放電的電流電壓均可控，使用電壓電流雙閉環(huán)控制，雙向工作均為雙閉環(huán)，通過切換工作模式，切換對應(yīng)的控制變量，來實現(xiàn)對應(yīng)能量方向的控制。

控制模塊中，Mux 模塊的信號切換器，控制端為0，接通第一個信號，控制端為1，接通第二個信號，以此來切換2 種模式下的反饋信號。左邊是母線電壓/電容電壓的電壓給定，母線給定是1 500V，電容給定的1 000V。給定和對應(yīng)的電壓反饋量作差后經(jīng)過電壓環(huán)的PI 控制器，得到電流環(huán)的給定值。為了不超過范圍，使用限幅器進行限制。電流環(huán)的給定再和實際電感電流作差，得到電流誤差，經(jīng)過電流環(huán)的PI 控制器后得到控制量，即占空比。限幅后和三角波比較，產(chǎn)生對應(yīng)的PWM 波，驅(qū)動兩個開關(guān)管進行開關(guān)，實現(xiàn)電壓電流閉環(huán)控制。

在母線側(cè)需求功率瞬間增大和系統(tǒng)進行減速或者能量回饋工況下進行了仿真，仿真結(jié)果波形如下圖所示。

波形的前20 s 為超級電容放電，母線電容充電狀態(tài)，母線電壓Udc不斷上升直到1 500 V，超級電容電壓Vbat不斷下降，從1 000V 下降到500 V 左右。母線電壓充到1 500 V 后，超級電容不再放電，從超級電容的電流波形I(Cbat)可以看出，母線電壓未達到1 500 V 時，超級電容的放電電流為1000 A，母線電壓達到1 500 V 后，超級電容的放電電流為0 A。

20 s 后為超級電容充電，母線電容放電狀態(tài)。母線電容的電壓從1 500 V 不斷下降，超級電容的電壓不斷升高，直到超級電容的電壓達到1 000 V，充電停止。從超級電容的電流波形可以看出，超級電容電壓未達到1 000 V 時，充電電流為1 000 A，超級電容電壓達到1 000 V 充滿時，充電電流變?yōu)? A。

4 結(jié)論

提出了一種以燃料電池為主，蓄電池和超級電容為輔的水下電源混合動力系統(tǒng)，著重研究了超級電容功率控制，采用雙閉環(huán)控制，以保證母線側(cè)的電壓穩(wěn)定，仿真驗證了超級電容充放電控制策略的可行性。通過雙向DC/DC 變換器可在系統(tǒng)重載降超級電容存儲的電能釋放出來，在系統(tǒng)輕載、減速或制動等工況下降回饋再生電能存儲至超級電容中，實現(xiàn)削峰填谷效果，具有一定工程指導(dǎo)意義。