引言

現(xiàn)代艦船中使用了大量的電子設(shè)備,這大大提高了艦艇的作戰(zhàn)能力,但也對艦船供電系統(tǒng)提出了更高的要求。其中部分關(guān)鍵設(shè)備使用直流應(yīng)急電源供電,因此直流應(yīng)急電源供電的穩(wěn)定性可靠與否直接影響到艦船的戰(zhàn)斗力。目前直流應(yīng)急電源供電主要存在如下問題:

(1)直流應(yīng)急電源負載多屬于動態(tài)特性差別較大的負載,當負載中有沖擊電流時,直流應(yīng)急電源電壓會出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象,從而影響到直流負載或電力電子變換裝置的穩(wěn)定運行。因此,對直流應(yīng)急電源穩(wěn)定控制的時間常數(shù)要求極高,動態(tài)響應(yīng)速度要求嚴格,系統(tǒng)存在較強的剛性非線性問題。

(2)直流應(yīng)急電源中部分應(yīng)急供電負載啟動時,啟動電流遠大于額定電流,且持續(xù)時間較長,導致其需要的瞬時輸入功率急劇增大。為保證負載的正常啟動,直流應(yīng)急電源的容量、保護器件選型、線路布置應(yīng)與瞬時啟動功率相匹配,否則容易造成直流應(yīng)急電源保護裝置誤動作,嚴重情況下甚至會損壞電源裝置。

(3)直流應(yīng)急電源由電力電子半導體開關(guān)構(gòu)成,電力電子元件過載能力小,如IGBT的過流倍數(shù)僅為額定電流的2倍左右:同時保護裝置的極限通斷能力有限,因此直流應(yīng)急電源必須限制沖擊電流。

對于沖擊性負載,傳統(tǒng)的直流應(yīng)急電源通常采用基于硬件限流的控制方法,如果限流值設(shè)置過低,不僅會造成直流應(yīng)急電源的輸出電壓瞬間跌落過大,而且還會對直流應(yīng)急電源的器件選型以及直流輸入的配電保護開關(guān)選型等造成影響。

為滿足直流應(yīng)急電源沖擊負載要求,本文提出了一種基于大電容補償和硬件限流的直流應(yīng)急電源沖擊性負載補償策略。首先根據(jù)沖擊性負載沖擊功率確定電容器的容量設(shè)計,然后通過大電容補償及限流技術(shù)將輸出電壓控制在負載的合理工作范圍之內(nèi),最后通過實驗驗證了該補償策略的可行性和有效性。

1沖擊性負載補償方案

直流應(yīng)急電源采用ZVs方式移相全橋變換器作為變流裝置主電路拓撲,如圖1所示。ZVs方式移相全橋變換器充分利用主電路的寄生參數(shù),如開關(guān)器件的寄生電容和變壓器漏感、線路電感等來實現(xiàn)變換器兩個橋臂開關(guān)管的零電壓開關(guān)。此方式開關(guān)損耗小,容易實現(xiàn)高頻化,且控制簡單,頻率、脈寬恒定,只需控制移相角,無須額外的緩沖電路。

直流應(yīng)急電源的負載都可以簡化為圖2所示的等效電路圖,直流應(yīng)急電源負載的穩(wěn)態(tài)特性取決于穩(wěn)態(tài)負載的特性,其啟動特性由前端RC決定。負載啟動時,電容C處于短路狀態(tài),沖擊電流的大小由電阻R的大小決定,隨后直流應(yīng)急電源通過電阻R給電容C充電,沖擊電流的持續(xù)時間由RC共同決定,其啟動沖擊電流波形如圖3所示。

硬件滯環(huán)限流速度快、可靠性高,是一種重要的限流手段,但硬件滯環(huán)限流可能造成輸出電壓瞬間跌落較大,影響直流應(yīng)急負載的正常工作?；诖箅娙菅a償?shù)臎_擊性負載補償方案如圖4所示,該方案既能滿足穩(wěn)態(tài)負載時的電壓要求,又能響應(yīng)沖擊性負載時的電壓要求。同時為限制輸入和輸出側(cè)的沖擊性電流,可以將大電容補償方案和硬件滯環(huán)限流結(jié)合起來,以減小對直流應(yīng)急電源容量和保護的影響。

2大電容補償設(shè)計方法

在DC/DC變換器兩端并聯(lián)大電容,此時濾波電容與大電容相比較小,可以忽略,當電路穩(wěn)定時,大電容兩端電壓即為輸出電壓。當阻容性負載啟動瞬間,濾波電感電流無法突變,大電容為負載供電,而此時大電容

兩端電壓可近似為:

可見當電容足夠大時,大電容兩端電壓下降不大。此時大電容輸出電流為:

根據(jù)公式(1)和(2),為了穩(wěn)定輸出電壓以及補償沖擊電流,大電容的取值越大,電壓的變化量越小,輸出電流越大。

但由于DC/DC變換器的穩(wěn)定性問題,電容的取值范圍受變換器穩(wěn)定性影響,并聯(lián)過大的電容將導致變換器輸出電壓產(chǎn)生振蕩。

根據(jù)ZVs移相全橋小信號模型,可知經(jīng)過控制器補償后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:

當采用基于大電容補償及限流技術(shù)的補償策略時,由于在輸出端口并聯(lián)了大電容,此時系統(tǒng)的傳遞函數(shù)發(fā)生改變,系統(tǒng)傳遞函數(shù)的零極點將發(fā)生變化,因此系統(tǒng)整體穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)都將發(fā)生改變,原先基于未并聯(lián)大電容時的系統(tǒng)設(shè)計的控制器不一定能對并聯(lián)大電容的系統(tǒng)進行補償,為此需要確定系統(tǒng)所能并聯(lián)的電容容值的取值范圍。設(shè)計電容容值的具體步驟如下:

2.1并聯(lián)電容的取值范圍

并聯(lián)大電容后的開環(huán)傳遞函數(shù)為:

kC為并聯(lián)大電容后的整體等效電容,這時將k定為變量,可以畫出閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的根軌跡,即可確定系統(tǒng)穩(wěn)定時的k值取值范圍。根據(jù)式(5)即可求出系統(tǒng)所能并聯(lián)的電容取值范圍。

2.2滿足系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)定裕度的電容值

通過系統(tǒng)隨并聯(lián)電容大小變化的根軌跡可得電容的最大取值,這時為了確定滿足系統(tǒng)動態(tài)性能及穩(wěn)定裕度的具體并聯(lián)電容取值,可以通過畫出具體電容取值的閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和開關(guān)傳遞函數(shù)Bode圖。按照系統(tǒng)所需滿足的動態(tài)性能要求及穩(wěn)定裕度要求,選擇合適的電容取值,一般系統(tǒng)的相位裕度取309~609。對直流應(yīng)急電源進行時域、頻域分析,如圖5所示。

由圖5可知,隨著并聯(lián)的大電容變大,變換器系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)將變差,階躍響應(yīng)的超調(diào)量增大,上升時間變長,調(diào)整時間增加。可見并聯(lián)的大電容并不是越大越好。

根據(jù)圖6可知,當大電容增大時,系統(tǒng)的相角裕度不斷減小。C=1.5F時,系統(tǒng)的相角裕度為309,無法滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。綜合考慮動態(tài)要求以及系統(tǒng)穩(wěn)定性要求,取大電容為0.5F。

3實驗驗證

根據(jù)上述沖擊性負載補償策略,搭建移相全橋電路,并針對該補償策略進行半實物仿真驗證,移相全橋電路拓撲如圖1所示,其中直流應(yīng)急電源額定功率為4kw,輸入電壓為DC176~264V,輸出電壓為DC24V,開關(guān)頻率為50kHz,諧振電感Lr為4uH,隔直電容Cp為4.5uF,變壓器變比為4.5:1:1,輸出濾波電感為10uH,濾波電容為60000uF。

半實物仿真中控制器帶有硬件限流,負載為450A沖擊性RC負載,分別針對不加大電容補償和加大電容補償兩種模式進行驗證。實驗波形分別如圖7和圖8所示。

從上面實驗對比波形可以看出,直流應(yīng)急電源帶450A沖擊性負載啟動,在不增加大電容補償時,輸出電壓瞬間跌落至20V左右,輸入側(cè)有2ms的持續(xù)充電電流,峰值為50A左右,輸出也會有2ms的持續(xù)電流,但瞬間放電電流會達到200A左右:并聯(lián)大電容后,在負載啟動瞬間,輸出電壓瞬間跌落至23.8V左右,輸入側(cè)有10ms的持續(xù)充電電流,峰值為50A左右,輸出也會有10ms的持續(xù)電流,但瞬間放電電流也會達到200A左右。因此,并聯(lián)大電容可以減小輸出電壓的跌落,但直流應(yīng)急電源輸入、輸出仍然有沖擊電流,對直流應(yīng)急電源的容量設(shè)計和保護帶來不利影響,需要通過增加限流來限制直流應(yīng)急電源輸入側(cè)和輸出側(cè)的沖擊電流。

圖9為采用所提補償策略時接入沖擊性負載波形。由圖可知,采用基于大電容補償和硬件限流的直流應(yīng)急電源沖擊性負載補償策略,不僅輸入、輸出沖擊電流得到了有效的限制,而且對輸出電壓的影響幾乎可以忽略,完全能夠滿足關(guān)鍵負載的用電需求。

4結(jié)語

本文提出了一種基于大電容補償和硬件限流的直流應(yīng)急電源沖擊性負載補償策略,該補償策略可以抑制直流應(yīng)急電源輸入、輸出的沖擊電流,無須額外增加電路,同時能降低直流應(yīng)急電源和配電保護裝置的容量,因此基于大電容輸出及限流技術(shù)的補償策略具有較好的補償效果和工程應(yīng)用價值。