王孫清，鄭恒持，徐紀(jì)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(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 214082；3. 深海載人裝備全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。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(qiáng)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(bǔ)水下能源供應(yīng)平臺，將極大促進(jìn)水下裝備的大潛深、長續(xù)航和規(guī)模化進(jìn)程，為建設(shè)海洋強(qiáng)國奠定堅(jiān)實(shí)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(jìn)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(jī)械運(yùn)動的部件，具有高效率、零排放、低噪聲的特點(diǎn)。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(dú)供電時(shí)，其輸出特性偏軟，動態(tài)響應(yīng)慢，無法實(shí)時(shí)滿足負(fù)載的能量需求的快速變化。并且在負(fù)載功率突增時(shí)可能會威脅燃料電池的安全運(yùn)行，大功率作業(yè)型設(shè)備工作時(shí)有可能在停止或者制動時(shí)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(jī)性、間歇性、波動性負(fù)載以及獨(dú)立運(yùn)行對負(fù)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(yùn)行，提高燃料電池的經(jīng)濟(jì)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(fù)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(yàn)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(fù)載組成，是一個(gè)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(fù)責(zé)為整個(gè)深海能源基站的正常運(yùn)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(fù)責(zé)儲存多余能量并釋放負(fù)載所需的能量，從而維持直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3）負(fù)載模塊：負(fù)載由直流負(fù)載和交流負(fù)載組成。直流負(fù)載通過DC/DC 變換器接入直流母線，而交流負(fù)載通過AC/DC 變換器與直流母線相連。微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)能量不足以滿足負(fù)載的需要，可以依次選擇非重要負(fù)載進(jìn)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(jì)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(dá)1 至10 000F，遠(yuǎn)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(hù)、充放電電流較大、整個(gè)壽命周期較長等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)等缺陷，將二者運(yùn)用在儲能系統(tǒng)中可達(dá)到互補(bǔ)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(jìn)行充放電。本文將詳細(xì)介紹超級電容的充放電控制方法，從而能夠更好地為負(fù)載進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)能量在雙向的流動，可以更有效對超級電容進(jìn)行充放電，同時(shí)保證兩端電壓穩(wěn)定，降低功耗，減少資源浪費(fèi)。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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。整個(gè)系統(tǒng)中負(fù)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?fù)?/p>

整個(gè)系統(tǒng)中電流是雙向流動的，也就實(shí)現(xiàn)了超級電容的充電和放電過程。當(dāng)雙向半橋DC/DC變換器工作在升壓模式時(shí)，超級電容放電，當(dāng)雙向半橋DC/DC 變換器工作在降壓模式時(shí)，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(dāng)超級電容需要放電時(shí)，開關(guān)S2 為PWM 工作方式，開關(guān)S1 關(guān)斷。0-DT 時(shí)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(shí)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(gè)周期重復(fù)同樣的動作。

當(dāng)超級電容工作在充電狀態(tài)時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(gè)信號，控制端為1，接通第二個(gè)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(jìn)行限制。電流環(huán)的給定再和實(shí)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(gè)開關(guān)管進(jìn)行開關(guān)，實(shí)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(jìn)行減速或者能量回饋工況下進(jìn)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(dá)到1 500 V 時(shí)，超級電容的放電電流為1000 A，母線電壓達(dá)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(dá)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(dá)到1 000 V 時(shí)，充電電流為1 000 A，超級電容電壓達(dá)到1 000 V 充滿時(shí)，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(yàn)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(shí)現(xiàn)削峰填谷效果，具有一定工程指導(dǎo)意義。