供電可靠性作為評價多電飛機電力系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)重慶大學(xué)航空航天學(xué)院，關(guān)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(tǒng)動態(tài)功率分配技術(shù)存在的成本高、可靠性低、靈活性差等弊端，重慶大學(xué)自動化學(xué)院、輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室（重慶大學(xué)）、南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)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(shù)學(xué)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(tài)功率分配策略，實現(xiàn)脈動負荷功率在供電單元間優(yōu)化分配、儲能單元荷電狀態(tài)調(diào)節(jié)和再生能量回收。在某一供電單元因故障而退出系統(tǒng)后，該策略仍能實現(xiàn)負荷功率在其余供電單元間的動態(tài)分配，確保關(guān)鍵負荷的供電。

近年來，隨著世界經(jīng)濟增長、國際合作深入及旅游業(yè)的發(fā)展，民航工業(yè)蓬勃發(fā)展，飛機及航線數(shù)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(huán)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(shù)作為解決上述問題的有效途徑之一，得到了快速的發(fā)展。

多電飛機的核心技術(shù)是采用電能來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓、氣壓和機械能，可有效降低飛機部件質(zhì)量，增加能量轉(zhuǎn)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(huán)境污染。當(dāng)前，空客和波音等行業(yè)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(tǒng)替換傳統(tǒng)的輔助供電系統(tǒng)，以減少廢氣排放，提高系統(tǒng)效率。

然而，在多電飛機領(lǐng)域大規(guī)模運用燃料電池供電系統(tǒng)主要受限于四個方面重慶大學(xué)航空航天學(xué)院：

①動態(tài)響應(yīng)較慢，難以滿足未來多電飛機的機動性要求重慶大學(xué)航空航天學(xué)院；②無法存儲能量，系統(tǒng)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(tǒng)的使用壽命；④成本較高。

因此，為適應(yīng)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(tài)響應(yīng)為數(shù)百ms～s）和超級電容（Supercapacitor, SC）（動態(tài)響應(yīng)為數(shù)ms至數(shù)百ms）結(jié)合，構(gòu)成燃料電池-蓄電池-超級電容混合供電系統(tǒng)（FC-BAT-SC HPSS）。

對于燃料電池-蓄電池-超級電容混合供電系統(tǒng)，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(tài)響應(yīng)快，但能量密度低，因而承擔(dān)高頻脈動功率；而蓄電池能量密度相對較高、動態(tài)響應(yīng)相對較快，但頻繁的瞬態(tài)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(yōu)化系統(tǒng)的體積和質(zhì)量。

顯然，動態(tài)功率分配技術(shù)是保證負荷功率按此分配的關(guān)鍵，對于燃料電池-蓄電池-超級電容混合供電系統(tǒng)能否成功運用于未來多電飛機電力系統(tǒng)具有極為重要的理論意義和現(xiàn)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(tǒng)相比，多電飛機對系統(tǒng)的供電可靠性要求更高，且電氣化負荷數(shù)量更多、空間分布更廣泛，導(dǎo)致動態(tài)功率分配實現(xiàn)極具難度。同時，還需兼顧儲能單元荷電狀態(tài)（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(nèi)外針對混合供電系統(tǒng)或混合儲能系統(tǒng)的動態(tài)功率分配技術(shù)已開展了廣泛深入的研究，不僅涉及多電飛機領(lǐng)域，還包含軌道交通、電動汽車、電氣化船舶、直流微電網(wǎng)等領(lǐng)域。

但總體而言，已有研究大都采用基于通信網(wǎng)絡(luò)的集中控制或協(xié)同控制策略，將其應(yīng)用于燃料電池-蓄電池-超級電容混合供電系統(tǒng)時，仍存在以下不足：

①多電飛機電氣化負荷數(shù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，更影響了全局可靠性；②基于通信網(wǎng)絡(luò)的控制器，任何環(huán)節(jié)的故障，都將使整個系統(tǒng)失效，無法滿足機載設(shè)備對供電可靠性的嚴(yán)苛要求；③通信延時的存在，使得動態(tài)功率分配實時性能差，無法達到預(yù)期效果；④供電單元無法實現(xiàn)“熱插拔”，使得系統(tǒng)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(tǒng)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(xié)同控制的缺點，無需互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)的分散式控制策略逐漸受到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。對現(xiàn)有的分散式動態(tài)功率分配方法進行分析總結(jié)，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(xué)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(xiàn)了動態(tài)功率分配和SC SOC調(diào)節(jié)等控制目標(biāo)。然而，不難發(fā)現(xiàn)，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(shù)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(jù)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(xiàn)了動態(tài)功率分配、儲能單元SOC調(diào)節(jié)、再生能量回收等控制目標(biāo)，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(yōu)化分配，不適用于燃料電池-蓄電池-超級電容混合供電系統(tǒng)。

因此，重慶大學(xué)等單位的科研人員在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，針對燃料電池-蓄電池-超級電容混合供電系統(tǒng)動態(tài)功率分配技術(shù)展開研究，提出了一種分散式動態(tài)功率分配策略，實現(xiàn)了動態(tài)功率分配、儲能單元SOC調(diào)節(jié)、再生能量回收等控制目標(biāo)，以延長供電單元的使用壽命，間接提升系統(tǒng)的能量利用率。

圖1 混合供電系統(tǒng)及所提功率分配策略

另外，當(dāng)系統(tǒng)處于健康狀態(tài)（即所有供電單元均能正常運行）和部分失效狀態(tài)（即某一供電單元發(fā)生故障）時，研究了各供電單元間的動態(tài)功率分配關(guān)系，分析了供電單元故障對系統(tǒng)動態(tài)功率分配性能的影響，以說明所提動態(tài)功率分配策略的高可靠性。此外，研究人員還分析了系統(tǒng)參數(shù)對實際動態(tài)功率分配性能的影響。通過優(yōu)化選取系統(tǒng)參數(shù)，保證了系統(tǒng)期望的動態(tài)功率分配性能。

圖2 混合供電系統(tǒng)實驗平臺

通過他們的實驗結(jié)果表明，不論系統(tǒng)處于健康狀態(tài)還是部分失效狀態(tài)，在不使用中央控制器或通信網(wǎng)絡(luò)的條件下，所提策略即可同時實現(xiàn)直流母線電壓調(diào)節(jié)、動態(tài)功率分配、蓄電池和SC SOC調(diào)節(jié)及再生能量回收等控制目標(biāo)。以這種方式，極易實現(xiàn)供電單元的模塊化和冗余設(shè)計，增強系統(tǒng)的可擴展性，提高系統(tǒng)的可靠性，可滿足未來多電飛機分布式供電對電力系統(tǒng)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(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“多電飛機用燃料電池-蓄電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的高可靠動態(tài)功率分配技術(shù)”，作者為宋清超、陳家偉 等。