一种贮能消磁电源的储能电容和滤波电感、电容选定方法

文档序号:8907266
一种贮能消磁电源的储能电容和滤波电感、电容选定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于舰艇消磁领域,特别涉及一种贮能消磁电源的储能电容和滤波电感、 电容选定方法。
【背景技术】
[0002] 地球是一个巨大的磁体,而钢铁是易被磁化的材料,钢铁建造的舰船或潜艇长期 处于地球的磁场中、其就会被磁化。只要舰艇航行在海洋上,被磁化的舰艇就必然要产生磁 场,如果不消除这个磁场,被磁化的舰艇很容易受到磁性水雷、鱼雷等武器攻击,或是成为 磁性探测设备的目标。舰艇本身有两个磁场,一个是感应磁场,这一磁场靠舰艇上自消磁系 统抵消;另一个是固定磁场,这一磁场则要靠消磁站或消磁船定期对其进行通电消除。
[0003] 在舰船上安装消磁系统是舰船磁性防护的最有效手段。目的是预防敌方磁性武器 攻击和磁性探测提高舰船的生命力,舰船消磁系统主要由舰内消磁绕组、消磁控制设备和 消磁电源部分组成。消磁电源是消磁设备的功率放大装置,它按控制器输出的控制信号向 舰船消磁绕组提供直流可控电流,是消磁设备的重要组成部分。消磁电源一般都用在军队 的舰船、潜艇上,必须具有极高的可靠性,特别是在战时。在依靠超级电容贮能和电站供电 的消磁电源中,有两个能量源向脉冲放电提供能量,一个是电站,一个是超级电容。脉冲放 电能量总和是不变的,增加超级电容容量,就可以降低电站的功率;反之增大电站容量就可 以降低超级电容的容量。必须对电站的功率和超级电容的组数进行合理的设计,使电站和 超级电容容量得到极佳的匹配,减小消磁电源启动时对电网的冲击,同时必须保证消磁电 源极高的可靠性、冗余性。
[0004] 针对以上对消磁电源的性能要求,提出一种能够保证消磁电源具备极高冗余可靠 性的储能电容容量及滤波电感、电容的选定方法甚为必要。

【发明内容】

[0005] 技术问题:本发明提供一种能够根据不同的消磁电源脉冲参数要求,得到与前级 电站功率相匹配的储能电容容量,以及满足各个脉冲放电的要求的后级变换器滤波电感、 电容选定方法。该方法设计了采用多重冗余机制的电容模组放电方案,不仅使得总滤波电 感量降低,更重要的是极大地提高了消磁电源的可靠性,更符合军工需求。
[0006] 技术方案:本发明方法针对的贮能消磁电源由整流器、充电控制器、储能超级电 容、后级恒流变换器、电流换向装置、系统监控器组成;整流器、充电控制器、储能超级电容、 后级恒流变换器、电流换向装置顺序串接,系统监控器通过通信线与充电控制器、储能超级 电容、后级恒流变换器、电流换向装置通信;消磁电源系统接受交流电站的交流电能量,经 过整流、储能、变换、换向等环节后,为负载提供正负交替、逐步衰减的间歇脉冲电流。
[0007] 本发明的贮能消磁电源的储能电容和滤波电感、电容选定方法,包括如下步骤:
[0008] (1)计算贮能消磁电源第1个脉冲到第i个脉冲的累积能量Ep具体方式为:[0009]根据公式Ii=hX(l-kAI)H计算指数衰减方式下第i个脉冲的理论放电电流仁, 或根据公式Ii=I「(i-l)XAI计算等差衰减方式下第i个脉冲的理论放电电流Ii;
[0010] 根据公式Ui=IiXRJ十算第i个脉冲的理论放电电压Ui,根据公式Pi=UiX以十 算第i个脉冲的理论放电功率Pi,根据公式Qi=PiXTm计算第i个脉冲的理论能量Qi,按 照公式€ = 计算从第1个脉冲到第i个脉冲的累积能量Ei;
[0011] 其中,i为脉冲序号,取值范围1~Npulse,Npulse为脉冲总数,Ii为首脉冲理论放电 电流,kAI为脉冲电流指数衰减系数,△I为电流等差衰减公差,为负载电阻,T"为单个脉 冲放电时间,即脉冲宽度,j同为脉冲序号,取值范围1~i;
[0012] (2)确定储能电容模组的额定电压以及电容单体串联个数,具体方式为:
[0013] 根据公式(UAu)X心计算后级变换器采用降压方式 时第i个脉冲允许的储能电容模组放电最小电压Uic;_b_min,或根据公式Uic;_b_b_min= [(l-db_b_MX) + Au]Xk#算后级变换器采用升降压方式时第i个脉冲允许的储 能电容模组放电最小电压 Ujx-b-b-min,
[0014] 按照以下方式确定单个储能电容模组的额定电压Ue_N:根据公式Ue_N_b = 仏。+^乂1(*__计算后级变换器采用降压方式时单个储能电容模组的额定电压1_1^,或根 据公式Urf_b_b=Ulc;_b_b_minXKsafe_u_b_b计算后级变换器采用升降压方式时单个储能电容模组 的额定电压11。^,或直接取额定电压11。^=U
[0015] 根据公式N' seriesUc-n,Uc-single>^。__^。"^计算单个储能电容模组的电容单体 串联个数N' _ies,如果N' _^不是整数,则对其向正无穷大方向作取整修正,得到修正后 的储能电容单体串联个数Ns_s;
[0016] 其中,dbuc;k_maxS降压方式下开关管的最大占空比,db_b_max为升降压方式下开关管的 最大占空比,Au为变换器输入输出电压差补偿,kK为储能电容内阻和输电铜排压降系数, Ulc;+min为后级变换器采用降压方式时首个脉冲允许的储能电容模组放电最小电压,Ksaft_u_b 为后级变换器采用降压方式时储能电容模组额定电压安全系数,Ulc;_b_b_min为后级变换器采 用升降压方式时首个脉冲允许的储能电容模组放电最小电压,Ksafe_u_b_b为后级变换器采用 升降压方式时储能电容模组额定电压安全系数,为单个储能电容模组的额定电压,即 为U。__或U。__,为储能电容单体串联电压不均匀系数,U。__16为储能电 容单体耐压值;
[0017] (3)初步计算与电站供电功率匹配的储能电容容量值c'sum,具体方式为:
[0018] 根据公式=Q1-18_。11__计算储能电容模组需要给首脉冲供给的能量 WmffOT,再根据公式
涉计算出与电站供电功率P#id相匹 配的储能电容容量值c' sum;
[0019] 其中,仏。_为首脉冲允许的储能电容模组放电最小电压,n。^!为储能电容模组 对负载放电的效率,Qi为首脉冲理论能量,Wg"x为电站在脉冲放电期间内给脉冲供给的 取大目匕里,由A式Wg-Qn-maxPgridXTQnXr[ 确疋,n^^为电站经前级充电控制器和后 级恒流变换器给负载供能的效率;
[0020] (4)对所述步骤(3)初步算得的储能电容容量值c'sum进行校验修正,并确定储 能电容模组总数凡__;
[0021] (5)对储能电容模组总数1_进行修正并分组,具体方式为:
[0022] 依据消磁电源采用后级变换器的路数N_V6rtJfN。__组储能电容模组一共分成 N_verter组,每组包含Nparallel=Nc_sum/N_vertel^ii储成电谷|旲组,Nparallel应该是大于1的正整 数,且各路后级变换器配置的储能电容模组数要一致,如果NpaMllel不满足上述两个要求,则 对储能电容单体容量csingle按照下式进行修正后,返回步骤(4) :csingle;= ,其 中ke_single为储能电容单体容量修正系数;
[0023] 如果NpaMllel满足上述两个要求,则由\_1161组储能电容模组电气并联成电容容量 为csingl?dule=NparallelXCsingiyN_ies、额定电压为1的单个储能电容工作组,然后对得到 的所有单个储能电容工作组进行分组;
[0024] (6)进行脉冲放电过程设计,具体方式为:
[0025] 当第i个脉冲的理论放电电流L大于I力时,N_vertOT个正常工作组全部参与放 电;
[0026] 当第i个脉冲的理论放电电流L大于I/4而小于1/2时,由包含N_vertOT/2个储 能电容工作组的大组进行放电;
[0027] 当第i个脉冲的理论放电电流L大于I/8而小于1/4时,由包含N_TCrtOT/4个储 能电容工作组的小组进行放电;
[0028] 当第i个脉冲的理论放电电流L小于I/8时,由单个储能电容工作组进行放 电,此时,如果给第i个脉冲供电的所有储能电容工作组能够释放的最大能量大于从第i 个到最后一个脉冲的脉冲能量之和,则电站就不再向储能电容和负载提供任何能量,其中 i〈Npulse;
[0029] (7)进行脉冲放电过程计算,具体方式为:
[0030] 根据公S=计算第i个脉冲放电之后单个储能电容工
作组储存的能量QhftOT,根据公式
i第i个脉冲放电之后单个储能电 容工作组的电压Ui_aftOT,根据公式Q 计算第i个脉冲放电之前单个 储能电容工作组储存的能量,如果大于单个储能电容工作组的最大存储能量Qm?x,则根据% -beforeQc-one-max修正Qi-before?
[0031] 根据公式1
计算第i个脉冲放电之前单个储能电容工作组的电 压,对于首脉冲放电之前的电压按公式Ui_befOTe=Ue_N计算,首个脉冲放电之 前的单个储能电容工作组储存的能量按公式Q 1-beforeQc-one-max取值,根据公式 Mi计算第i个脉冲放电时单路后级变换器流过的电流;
[0032]其中,Qi_befOTe为第i个脉冲放电之前单个储能电容工作组储存的能量,]\^为 第i个脉冲放电时参与供能的储能电容工作组组数,Mi取值为N_VOTte、N_VOTte/2、 N_VOTtCT/4或1,为电站在脉冲放电间隔时间内给单个储能电容工作组提供的能 量,当正常组放电且 Qi-c-M^c-load彡KQX〇卜-_时W8_。"_"6取0,其它情况下由公 工〔Wg-0ff-onePgridxTf+N_vertOTXMiXnp算得,Q为第i个脉冲时Mi个储能电容 工作组能够释放的最大能量,由公式I-A/=a5xcsingl?。#x )算得, Qimrfast为从第i个脉冲到最后一个脉冲所有脉冲能量之和,i彡Npulse,心为储能电 容独立放电安全系数,WgufM为电站在脉冲放电时间内供给脉冲的能量,同样的,在正 常组放电且Q i-c-MXUc-load$KgXQi-sum-baek-iast时Wg-Qn-0,其他b况下取Wg-Qn-Qffer PgridXT〇n.Nc〇nverterXMiXr[i0a(j,Qc-0ne-max由A式Qc-one-max 1 2XCsingie-m0duieXUc-
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