直流應(yīng)急電源沖擊性負(fù)載補(bǔ)償策略研究

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(duì)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(wèn)題:

(1)直流應(yīng)急電源負(fù)載多屬于動(dòng)態(tài)特性差別較大的負(fù)載,當(dāng)負(fù)載中有沖擊電流時(shí),直流應(yīng)急電源電壓會(huì)出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象,從而影響到直流負(fù)載或電力電子變換裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。因此,對(duì)直流應(yīng)急電源穩(wěn)定控制的時(shí)間常數(shù)要求極高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度要求嚴(yán)格,系統(tǒng)存在較強(qiáng)的剛性非線性問(wèn)題。

(2)直流應(yīng)急電源中部分應(yīng)急供電負(fù)載啟動(dòng)時(shí),啟動(dòng)電流遠(yuǎn)大于額定電流,且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),導(dǎo)致其需要的瞬時(shí)輸入功率急劇增大。為保證負(fù)載的正常啟動(dòng),直流應(yīng)急電源的容量、保護(hù)器件選型、線路布置應(yīng)與瞬時(shí)啟動(dòng)功率相匹配,否則容易造成直流應(yīng)急電源保護(hù)裝置誤動(dòng)作,嚴(yán)重情況下甚至?xí)p壞電源裝置。

(3)直流應(yīng)急電源由電力電子半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)構(gòu)成,電力電子元件過(guò)載能力小,如IGBT的過(guò)流倍數(shù)僅為額定電流的2倍左右:同時(shí)保護(hù)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(duì)于沖擊性負(fù)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(guò)低,不僅會(huì)造成直流應(yīng)急電源的輸出電壓瞬間跌落過(guò)大,而且還會(huì)對(duì)直流應(yīng)急電源的器件選型以及直流輸入的配電保護(hù)開(kāi)關(guān)選型等造成影響。

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

1沖擊性負(fù)載補(bǔ)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?fù)?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(kāi)關(guān)器件的寄生電容和變壓器漏感、線路電感等來(lái)實(shí)現(xiàn)變換器兩個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)。此方式開(kāi)關(guān)損耗小,容易實(shí)現(xiàn)高頻化,且控制簡(jiǎn)單,頻率、脈寬恒定,只需控制移相角,無(wú)須額外的緩沖電路。

直流應(yīng)急電源的負(fù)載都可以簡(jiǎn)化為圖2所示的等效電路圖,直流應(yīng)急電源負(fù)載的穩(wěn)態(tài)特性取決于穩(wěn)態(tài)負(fù)載的特性,其啟動(dòng)特性由前端RC決定。負(fù)載啟動(dòng)時(shí),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(guò)電阻R給電容C充電,沖擊電流的持續(xù)時(shí)間由RC共同決定,其啟動(dòng)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(fù)載的正常工作。基于大電容補(bǔ)償?shù)臎_擊性負(fù)載補(bǔ)償方案如圖4所示,該方案既能滿足穩(wěn)態(tài)負(fù)載時(shí)的電壓要求,又能響應(yīng)沖擊性負(fù)載時(shí)的電壓要求。同時(shí)為限制輸入和輸出側(cè)的沖擊性電流,可以將大電容補(bǔ)償方案和硬件滯環(huán)限流結(jié)合起來(lái),以減小對(duì)直流應(yīng)急電源容量和保護(hù)的影響。

2大電容補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法

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

兩端電壓可近似為:

可見(jiàn)當(dāng)電容足夠大時(shí),大電容兩端電壓下降不大。此時(shí)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(bǔ)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(wèn)題,電容的取值范圍受變換器穩(wěn)定性影響,并聯(lián)過(guò)大的電容將導(dǎo)致變換器輸出電壓產(chǎn)生振蕩。

根據(jù)ZVs移相全橋小信號(hào)模型,可知經(jīng)過(guò)控制器補(bǔ)償后系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:

當(dāng)采用基于大電容補(bǔ)償及限流技術(shù)的補(bǔ)償策略時(shí),由于在輸出端口并聯(lián)了大電容,此時(shí)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(diǎn)將發(fā)生變化,因此系統(tǒng)整體穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)都將發(fā)生改變,原先基于未并聯(lián)大電容時(shí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制器不一定能對(duì)并聯(lián)大電容的系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)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(jì)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(kāi)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(shí)將k定為變量,可以畫(huà)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(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)定裕度的電容值

通過(guò)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(shí)為了確定滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)定裕度的具體并聯(lián)電容取值,可以通過(guò)畫(huà)出具體電容取值的閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和開(kāi)關(guān)傳遞函數(shù)Bode圖。按照系統(tǒng)所需滿足的動(dòng)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(duì)直流應(yīng)急電源進(jìn)行時(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)將變差,階躍響應(yīng)的超調(diào)量增大,上升時(shí)間變長(zhǎng),調(diào)整時(shí)間增加?？梢?jiàn)并聯(lián)的大電容并不是越大越好。

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

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述沖擊性負(fù)載補(bǔ)償策略,搭建移相全橋電路,并針對(duì)該補(bǔ)償策略進(jìn)行半實(shí)物仿真驗(yàn)證,移相全橋電路拓?fù)淙鐖D1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(kāi)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(shí)物仿真中控制器帶有硬件限流,負(fù)載為450A沖擊性RC負(fù)載,分別針對(duì)不加大電容補(bǔ)償和加大電容補(bǔ)償兩種模式進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)波形分別如圖7和圖8所示。

從上面實(shí)驗(yàn)對(duì)比波形可以看出,直流應(yīng)急電源帶450A沖擊性負(fù)載啟動(dòng),在不增加大電容補(bǔ)償時(shí),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(huì)有2ms的持續(xù)電流,但瞬間放電電流會(huì)達(dá)到200A左右:并聯(lián)大電容后,在負(fù)載啟動(dòng)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(huì)有10ms的持續(xù)電流,但瞬間放電電流也會(huì)達(dá)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(duì)直流應(yīng)急電源的容量設(shè)計(jì)和保護(hù)帶來(lái)不利影響,需要通過(guò)增加限流來(lái)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(bǔ)償策略時(shí)接入沖擊性負(fù)載波形。由圖可知,采用基于大電容補(bǔ)償和硬件限流的直流應(yīng)急電源沖擊性負(fù)載補(bǔ)償策略,不僅輸入、輸出沖擊電流得到了有效的限制,而且對(duì)輸出電壓的影響幾乎可以忽略,完全能夠滿足關(guān)鍵負(fù)載的用電需求。

4結(jié)語(yǔ)

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