一種貯能消磁電源的儲(chǔ)能電容和濾波電感、電容選定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于艦艇消磁領(lǐng)域，特別涉及一種貯能消磁電源的儲(chǔ)能電容和濾波電感、 電容選定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地球是一個(gè)巨大的磁體，而鋼鐵是易被磁化的材料，鋼鐵建造的艦船或潛艇長期 處于地球的磁場(chǎng)中、其就會(huì)被磁化。只要艦艇航行在海洋上，被磁化的艦艇就必然要產(chǎn)生磁 場(chǎng)，如果不消除這個(gè)磁場(chǎng)，被磁化的艦艇很容易受到磁性水雷、魚雷等武器攻擊，或是成為 磁性探測(cè)設(shè)備的目標(biāo)。艦艇本身有兩個(gè)磁場(chǎng)，一個(gè)是感應(yīng)磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)靠艦艇上自消磁系 統(tǒng)抵消；另一個(gè)是固定磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)則要靠消磁站或消磁船定期對(duì)其進(jìn)行通電消除。
[0003] 在艦船上安裝消磁系統(tǒng)是艦船磁性防護(hù)的最有效手段。目的是預(yù)防敵方磁性武器 攻擊和磁性探測(cè)提高艦船的生命力，艦船消磁系統(tǒng)主要由艦內(nèi)消磁繞組、消磁控制設(shè)備和 消磁電源部分組成。消磁電源是消磁設(shè)備的功率放大裝置，它按控制器輸出的控制信號(hào)向 艦船消磁繞組提供直流可控電流，是消磁設(shè)備的重要組成部分。消磁電源一般都用在軍隊(duì) 的艦船、潛艇上，必須具有極高的可靠性，特別是在戰(zhàn)時(shí)。在依靠超級(jí)電容貯能和電站供電 的消磁電源中，有兩個(gè)能量源向脈沖放電提供能量，一個(gè)是電站，一個(gè)是超級(jí)電容。脈沖放 電能量總和是不變的，增加超級(jí)電容容量，就可以降低電站的功率；反之增大電站容量就可 以降低超級(jí)電容的容量。必須對(duì)電站的功率和超級(jí)電容的組數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，使電站和 超級(jí)電容容量得到極佳的匹配，減小消磁電源啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)必須保證消磁電 源極高的可靠性、冗余性。
[0004] 針對(duì)以上對(duì)消磁電源的性能要求，提出一種能夠保證消磁電源具備極高冗余可靠 性的儲(chǔ)能電容容量及濾波電感、電容的選定方法甚為必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 技術(shù)問題：本發(fā)明提供一種能夠根據(jù)不同的消磁電源脈沖參數(shù)要求，得到與前級(jí) 電站功率相匹配的儲(chǔ)能電容容量，以及滿足各個(gè)脈沖放電的要求的后級(jí)變換器濾波電感、 電容選定方法。該方法設(shè)計(jì)了采用多重冗余機(jī)制的電容模組放電方案，不僅使得總濾波電 感量降低，更重要的是極大地提高了消磁電源的可靠性，更符合軍工需求。
[0006] 技術(shù)方案：本發(fā)明方法針對(duì)的貯能消磁電源由整流器、充電控制器、儲(chǔ)能超級(jí)電 容、后級(jí)恒流變換器、電流換向裝置、系統(tǒng)監(jiān)控器組成；整流器、充電控制器、儲(chǔ)能超級(jí)電容、 后級(jí)恒流變換器、電流換向裝置順序串接，系統(tǒng)監(jiān)控器通過通信線與充電控制器、儲(chǔ)能超級(jí) 電容、后級(jí)恒流變換器、電流換向裝置通信；消磁電源系統(tǒng)接受交流電站的交流電能量，經(jīng) 過整流、儲(chǔ)能、變換、換向等環(huán)節(jié)后，為負(fù)載提供正負(fù)交替、逐步衰減的間歇脈沖電流。
[0007] 本發(fā)明的貯能消磁電源的儲(chǔ)能電容和濾波電感、電容選定方法，包括如下步驟：
[0008] (1)計(jì)算貯能消磁電源第1個(gè)脈沖到第i個(gè)脈沖的累積能量Ep具體方式為：[0009]根據(jù)公式Ii=hX(l-kAI)H計(jì)算指數(shù)衰減方式下第i個(gè)脈沖的理論放電電流仁， 或根據(jù)公式Ii=I「(i-l)XAI計(jì)算等差衰減方式下第i個(gè)脈沖的理論放電電流Ii;
[0010] 根據(jù)公式Ui=IiXRJ十算第i個(gè)脈沖的理論放電電壓Ui，根據(jù)公式Pi=UiX以十 算第i個(gè)脈沖的理論放電功率Pi，根據(jù)公式Qi=PiXTm計(jì)算第i個(gè)脈沖的理論能量Qi，按 照公式€ = 計(jì)算從第1個(gè)脈沖到第i個(gè)脈沖的累積能量Ei;
[0011] 其中，i為脈沖序號(hào)，取值范圍1~Npulse，Npulse為脈沖總數(shù)，Ii為首脈沖理論放電 電流，kAI為脈沖電流指數(shù)衰減系數(shù)，△I為電流等差衰減公差，為負(fù)載電阻，T"為單個(gè)脈 沖放電時(shí)間，即脈沖寬度，j同為脈沖序號(hào)，取值范圍1~i;
[0012] (2)確定儲(chǔ)能電容模組的額定電壓以及電容單體串聯(lián)個(gè)數(shù)，具體方式為：
[0013] 根據(jù)公式(UAu)X心計(jì)算后級(jí)變換器采用降壓方式 時(shí)第i個(gè)脈沖允許的儲(chǔ)能電容模組放電最小電壓Uic;_b_min，或根據(jù)公式Uic;_b_b_min= [(l-db_b_MX) + Au]Xk#算后級(jí)變換器采用升降壓方式時(shí)第i個(gè)脈沖允許的儲(chǔ) 能電容模組放電最小電壓 Ujx-b-b-min，
[0014] 按照以下方式確定單個(gè)儲(chǔ)能電容模組的額定電壓Ue_N:根據(jù)公式Ue_N_b = 仏。+^乂1(*__計(jì)算后級(jí)變換器采用降壓方式時(shí)單個(gè)儲(chǔ)能電容模組的額定電壓1_1^，或根 據(jù)公式Urf_b_b=Ulc;_b_b_minXKsafe_u_b_b計(jì)算后級(jí)變換器采用升降壓方式時(shí)單個(gè)儲(chǔ)能電容模組 的額定電壓11。^，或直接取額定電壓11。^=U
[0015] 根據(jù)公式N' seriesUc-n,Uc-single>^。__^。"^計(jì)算單個(gè)儲(chǔ)能電容模組的電容單體 串聯(lián)個(gè)數(shù)N' _ies，如果N' _^不是整數(shù)，則對(duì)其向正無窮大方向作取整修正，得到修正后 的儲(chǔ)能電容單體串聯(lián)個(gè)數(shù)Ns_s;
[0016] 其中，dbuc;k_maxS降壓方式下開關(guān)管的最大占空比，db_b_max為升降壓方式下開關(guān)管的 最大占空比，Au為變換器輸入輸出電壓差補(bǔ)償，kK為儲(chǔ)能電容內(nèi)阻和輸電銅排壓降系數(shù)， Ulc;+min為后級(jí)變換器采用降壓方式時(shí)首個(gè)脈沖允許的儲(chǔ)能電容模組放電最小電壓，Ksaft_u_b 為后級(jí)變換器采用降壓方式時(shí)儲(chǔ)能電容模組額定電壓安全系數(shù)，Ulc;_b_b_min為后級(jí)變換器采 用升降壓方式時(shí)首個(gè)脈沖允許的儲(chǔ)能電容模組放電最小電壓，Ksafe_u_b_b為后級(jí)變換器采用 升降壓方式時(shí)儲(chǔ)能電容模組額定電壓安全系數(shù)，為單個(gè)儲(chǔ)能電容模組的額定電壓，即 為U。__或U。__，為儲(chǔ)能電容單體串聯(lián)電壓不均勻系數(shù)，U。__16為儲(chǔ)能電 容單體耐壓值；
[0017] (3)初步計(jì)算與電站供電功率匹配的儲(chǔ)能電容容量值c'sum，具體方式為：
[0018] 根據(jù)公式=Q1-18_。11__計(jì)算儲(chǔ)能電容模組需要給首脈沖供給的能量 WmffOT，再根據(jù)公式
涉計(jì)算出與電站供電功率P#id相匹 配的儲(chǔ)能電容容量值c' sum;
[0019] 其中，仏。_為首脈沖允許的儲(chǔ)能電容模組放電最小電壓，n。^!為儲(chǔ)能電容模組 對(duì)負(fù)載放電的效率，Qi為首脈沖理論能量，Wg"x為電站在脈沖放電期間內(nèi)給脈沖供給的 取大目匕里，由A式Wg-Qn-maxPgridXTQnXr[ 確疋，n^^為電站經(jīng)前級(jí)充電控制器和后 級(jí)恒流變換器給負(fù)載供能的效率；
[0020] (4)對(duì)所述步驟（3)初步算得的儲(chǔ)能電容容量值c'sum進(jìn)行校驗(yàn)修正，并確定儲(chǔ) 能電容模組總數(shù)凡__;
[0021] (5)對(duì)儲(chǔ)能電容模組總數(shù)1_進(jìn)行修正并分組，具體方式為：
[0022] 依據(jù)消磁電源采用后級(jí)變換器的路數(shù)N_V6rtJfN。__組儲(chǔ)能電容模組一共分成 N_verter組，每組包含Nparallel=Nc_sum/N_vertel^ii儲(chǔ)成電谷|旲組，Nparallel應(yīng)該是大于1的正整 數(shù)，且各路后級(jí)變換器配置的儲(chǔ)能電容模組數(shù)要一致，如果NpaMllel不滿足上述兩個(gè)要求，則 對(duì)儲(chǔ)能電容單體容量csingle按照下式進(jìn)行修正后，返回步驟（4) :csingle;= ，其 中ke_single為儲(chǔ)能電容單體容量修正系數(shù)；
[0023] 如果NpaMllel滿足上述兩個(gè)要求，則由\_1161組儲(chǔ)能電容模組電氣并聯(lián)成電容容量 為csingl?dule=NparallelXCsingiyN_ies、額定電壓為1的單個(gè)儲(chǔ)能電容工作組，然后對(duì)得到 的所有單個(gè)儲(chǔ)能電容工作組進(jìn)行分組；
[0024] (6)進(jìn)行脈沖放電過程設(shè)計(jì)，具體方式為：
[0025] 當(dāng)?shù)趇個(gè)脈沖的理論放電電流L大于I力時(shí)，N_vertOT個(gè)正常工作組全部參與放 電；
[0026] 當(dāng)?shù)趇個(gè)脈沖的理論放電電流L大于I/4而小于1/2時(shí)，由包含N_vertOT/2個(gè)儲(chǔ) 能電容工作組的大組進(jìn)行放電；
[0027] 當(dāng)?shù)趇個(gè)脈沖的理論放電電流L大于I/8而小于1/4時(shí)，由包含N_TCrtOT/4個(gè)儲(chǔ) 能電容工作組的小組進(jìn)行放電；
[0028] 當(dāng)?shù)趇個(gè)脈沖的理論放電電流L小于I/8時(shí)，由單個(gè)儲(chǔ)能電容工作組進(jìn)行放 電，此時(shí)，如果給第i個(gè)脈沖供電的所有儲(chǔ)能電容工作組能夠釋放的最大能量大于從第i 個(gè)到最后一個(gè)脈沖的脈沖能量之和，則電站就不再向儲(chǔ)能電容和負(fù)載提供任何能量，其中 i〈Npulse;
[0029] (7)進(jìn)行脈沖放電過程計(jì)算，具體方式為：
[0030] 根據(jù)公S=計(jì)算第i個(gè)脈沖放電之后單個(gè)儲(chǔ)能電容工
作組儲(chǔ)存的能量QhftOT，根據(jù)公式
i第i個(gè)脈沖放電之后單個(gè)儲(chǔ)能電 容工作組的電壓Ui_aftOT，根據(jù)公式Q 計(jì)算第i個(gè)脈沖放電之前單個(gè) 儲(chǔ)能電容工作組儲(chǔ)存的能量，如果大于單個(gè)儲(chǔ)能電容工作組的最大存儲(chǔ)能量Qm?x，則根據(jù)％ -beforeQc-one-max修正Qi-before?
[0031] 根據(jù)公式1
計(jì)算第i個(gè)脈沖放電之前單個(gè)儲(chǔ)能電容工作組的電 壓，對(duì)于首脈沖放電之前的電壓按公式Ui_befOTe=Ue_N計(jì)算，首個(gè)脈沖放電之 前的單個(gè)儲(chǔ)能電容工作組儲(chǔ)存的能量按公式Q 1-beforeQc-one-max取值，根據(jù)公式 Mi計(jì)算第i個(gè)脈沖放電時(shí)單路后級(jí)變換器流過的電流；
[0032]其中，Qi_befOTe為第i個(gè)脈沖放電之前單個(gè)儲(chǔ)能電容工作組儲(chǔ)存的能量，]\^為 第i個(gè)脈沖放電時(shí)參與供能的儲(chǔ)能電容工作組組數(shù)，Mi取值為N_VOTte、N_VOTte/2、 N_VOTtCT/4或1，為電站在脈沖放電間隔時(shí)間內(nèi)給單個(gè)儲(chǔ)能電容工作組提供的能 量，當(dāng)正常組放電且 Qi-c-M^c-load彡KQX〇卜-_時(shí)W8_。"_"6取0,其它情況下由公 工〔Wg-0ff-onePgridxTf+N_vertOTXMiXnp算得，Q為第i個(gè)脈沖時(shí)Mi個(gè)儲(chǔ)能電容 工作組能夠釋放的最大能量，由公式I-A/=a5xcsingl?。#x )算得， Qimrfast為從第i個(gè)脈沖到最后一個(gè)脈沖所有脈沖能量之和，i彡Npulse，心為儲(chǔ)能電 容獨(dú)立放電安全系數(shù)，WgufM為電站在脈沖放電時(shí)間內(nèi)供給脈沖的能量，同樣的，在正 常組放電且Q i-c-MXUc-load$KgXQi-sum-baek-iast時(shí)Wg-Qn-0，其他b況下取Wg-Qn-Qffer PgridXT〇n.Nc〇nverterXMiXr[i0a(j，Qc-0ne-max由A式Qc-one-max 1 2XCsingie-m0duieXUc-