- 頭條重慶大學科研人員提出多電飛機混合供電系統的動態功率分配新技術2022-07-01 作者：宋清超、陳家偉 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語供電可靠性作為評價多電飛機電力系統性能的關鍵指標，關乎飛行安全，其重要性不容忽視。針對多電飛機用燃料電池-蓄電池-超級電容混合供電系統動態功率分配技術存在的成本高、可靠性低、靈活性差等弊端，重慶大學自動化學院、輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）、南京航空航天大學自動化學院電氣工程系的研究人員宋清超、陳家偉、蔡坤城、陳杰，在2022年第2期《電工技術學報》上撰文，基于改進混合下垂控制方法，提出一種高可靠的分散式動態功率分配策略，實現脈動負荷功率在供電單元間優化分配、儲能單元荷電狀態調節和再生能量回收。在某一供電單元因故障而退出系統后，該策略仍能實現負荷功率在其余供電單元間的動態分配，確保關鍵負荷的供電。
近年來，隨著世界經濟增長、國際合作深入及旅游業的發展，民航工業蓬勃發展，飛機及航線數量雙雙攀升，使得航空燃油消耗急劇增加，飛機廢氣及噪聲排放大幅上升，給環境帶來不可忽視的影響。此外，伴隨著航空燃油價格上漲，航空公司運營成本也大幅增加。多電飛機（More Electric Aircraft, MEA）技術作為解決上述問題的有效途徑之一，得到了快速的發展。
多電飛機的核心技術是采用電能來代替傳統的液壓、氣壓和機械能，可有效降低飛機部件質量，增加能量轉換效率，提高可靠性，縮減運維成本，同時還可減少廢氣排放、緩解環境污染。當前，空客和波音等行業巨頭均在考慮使用清潔、高效和低噪聲的燃料電池（Fuel Cell, FC）供電系統替換傳統的輔助供電系統，以減少廢氣排放，提高系統效率。
然而，在多電飛機領域大規模運用燃料電池供電系統主要受限于四個方面：
①動態響應較慢，難以滿足未來多電飛機的機動性要求；②無法存儲能量，系統運行效率較低；③耐久性較差，負荷快速變化的功率波動將大大縮短燃料電池供電系統的使用壽命；④成本較高。
因此，為適應多電飛機中大量新型電氣化負荷的強脈動、寬頻域變化（周期跨越ms～s～min范圍）、沖擊性強等特性，燃料電池在使用時往往需要與蓄電池（Battery, BAT）（動態響應為數百ms～s）和超級電容（Supercapacitor, SC）（動態響應為數ms至數百ms）結合，構成燃料電池-蓄電池-超級電容混合供電系統（FC-BAT-SC HPSS）。
對于燃料電池-蓄電池-超級電容混合供電系統，因快速變化的脈動負荷功率會大大縮短燃料電池的使用壽命，故燃料電池僅提供低頻平均功率以提高其耐久性；超級電容因功率密度高、動態響應快，但能量密度低，因而承擔高頻脈動功率；而蓄電池能量密度相對較高、動態響應相對較快，但頻繁的瞬態負荷功率波動也會縮短其使用壽命，故蓄電池提供中頻波動功率以優化系統的體積和質量。
顯然，動態功率分配技術是保證負荷功率按此分配的關鍵，對于燃料電池-蓄電池-超級電容混合供電系統能否成功運用于未來多電飛機電力系統具有極為重要的理論意義和現實價值。
然而，與用于汽車的燃料電池-蓄電池-超級電容混合供電系統相比，多電飛機對系統的供電可靠性要求更高，且電氣化負荷數量更多、空間分布更廣泛，導致動態功率分配實現極具難度。同時，還需兼顧儲能單元荷電狀態（State of Charge, SOC）限制、負荷再生能量的無損消納、“熱插拔”及冗余拓展等需求。
目前，國內外針對混合供電系統或混合儲能系統的動態功率分配技術已開展了廣泛深入的研究，不僅涉及多電飛機領域，還包含軌道交通、電動汽車、電氣化船舶、直流微電網等領域。
但總體而言，已有研究大都采用基于通信網絡的集中控制或協同控制策略，將其應用于燃料電池-蓄電池-超級電容混合供電系統時，仍存在以下不足：
- ①多電飛機電氣化負荷數量眾多，空間分布廣泛，需要大量的電壓、電流采樣部件，使得系統結構復雜、成本高昂，更影響了全局可靠性；
- ②基于通信網絡的控制器，任何環節的故障，都將使整個系統失效，無法滿足機載設備對供電可靠性的嚴苛要求；
- ③通信延時的存在，使得動態功率分配實時性能差，無法達到預期效果；
- ④供電單元無法實現“熱插拔”，使得系統不具備冗余容錯及靈活擴容能力，難以滿足未來多電飛機分布式供電對電力系統提出的多樣性、宜擴展、強容錯等新要求。
為克服集中控制或協同控制的缺點，無需互聯通信網絡的分散式控制策略逐漸受到了國內外學者的關注。對現有的分散式動態功率分配方法進行分析總結，可大致歸為以下兩類：
（1）基于頻域解耦的分散式控制方法
有學者通過對燃料電池和超級電容端口變換器施加相互獨立的控制，實現了動態功率分配和SC SOC調節等控制目標。然而，不難發現，這些控制方法均需采集負荷電流、母線電壓等公共信號。由于多電飛機中電氣化負荷數量眾多、空間分布廣泛，若不利用通信鏈路很難直接獲取這些公共信號。因此，這類控制方法不是真正意義上的分散控制。
（2）基于混合下垂控制的分散式控制方法
根據供電單元輸出阻抗組合形式的不同，混合下垂控制主要可分為三種方案：①虛擬高通濾波器和虛擬低通濾波器的組合形式；②虛擬電阻和虛擬電容的組合形式及其改進形式；③虛擬電感和虛擬電阻的組合形式及其改進形式。
盡管這些混合下垂控制方法均以分散的控制方式實現了動態功率分配、儲能單元SOC調節、再生能量回收等控制目標，但這些策略僅解決了脈動負荷功率在兩種不同特性供電單元間的優化分配，不適用于燃料電池-蓄電池-超級電容混合供電系統。
因此，重慶大學等單位的科研人員在現有研究基礎上，針對燃料電池-蓄電池-超級電容混合供電系統動態功率分配技術展開研究，提出了一種分散式動態功率分配策略，實現了動態功率分配、儲能單元SOC調節、再生能量回收等控制目標，以延長供電單元的使用壽命，間接提升系統的能量利用率。
圖1 混合供電系統及所提功率分配策略
另外，當系統處于健康狀態（即所有供電單元均能正常運行）和部分失效狀態（即某一供電單元發生故障）時，研究了各供電單元間的動態功率分配關系，分析了供電單元故障對系統動態功率分配性能的影響，以說明所提動態功率分配策略的高可靠性。此外，研究人員還分析了系統參數對實際動態功率分配性能的影響。通過優化選取系統參數，保證了系統期望的動態功率分配性能。
圖2 混合供電系統實驗平臺
通過他們的實驗結果表明，不論系統處于健康狀態還是部分失效狀態，在不使用中央控制器或通信網絡的條件下，所提策略即可同時實現直流母線電壓調節、動態功率分配、蓄電池和SC SOC調節及再生能量回收等控制目標。以這種方式，極易實現供電單元的模塊化和冗余設計，增強系統的可擴展性，提高系統的可靠性，可滿足未來多電飛機分布式供電對電力系統提出的高效、長壽命、多樣化、宜擴展、強容錯等高要求。
本文編自2022年第2期《電工技術學報》，論文標題為“多電飛機用燃料電池-蓄電池-超級電容混合供電系統的高可靠動態功率分配技術”，作者為宋清超、陳家偉 等。
