近年来，随着世界经济增长、国际合作深入及旅游业的发展，民航工业蓬勃发展，飞机及航线数量双双攀升，使得航空燃油消耗急剧增加，飞机废气及噪声排放大幅上升，给环境带来不可忽视的影响。此外，伴随着航空燃油价格上涨，航空公司运营成本也大幅增加。多电飞机（More Electric Aircraft, MEA）技术作为解决上述问题的有效途径之一，得到了快速的发展。

多电飞机的核心技术是采用电能来代替传统的液压、气压和机械能，可有效降低飞机部件质量，增加能量转换效率，提高可靠性，缩减运维成本，同时还可减少废气排放、缓解环境污染。当前，空客和波音等行业巨头均在考虑使用清洁、高效和低噪声的燃料电池（Fuel Cell, FC）供电系统替换传统的辅助供电系统，以减少废气排放，提高系统效率。

然而，在多电飞机领域大规模运用燃料电池供电系统主要受限于四个方面：

①动态响应较慢，难以满足未来多电飞机的机动性要求；②无法存储能量，系统运行效率较低；③耐久性较差，负荷快速变化的功率波动将大大缩短燃料电池供电系统的使用寿命；④成本较高。

因此，为适应多电飞机中大量新型电气化负荷的强脉动、宽频域变化（周期跨越ms～s～min范围）、冲击性强等特性，燃料电池在使用时往往需要与蓄电池（Battery, BAT）（动态响应为数百ms～s）和超级电容（Supercapacitor, SC）（动态响应为数ms至数百ms）结合，构成燃料电池-蓄电池-超级电容混合供电系统（FC-BAT-SC HPSS）。

对于燃料电池-蓄电池-超级电容混合供电系统，因快速变化的脉动负荷功率会大大缩短燃料电池的使用寿命，故燃料电池仅提供低频平均功率以提高其耐久性；超级电容因功率密度高、动态响应快，但能量密度低，因而承担高频脉动功率；而蓄电池能量密度相对较高、动态响应相对较快，但频繁的瞬态负荷功率波动也会缩短其使用寿命，故蓄电池提供中频波动功率以优化系统的体积和质量。

显然，动态功率分配技术是保证负荷功率按此分配的关键，对于燃料电池-蓄电池-超级电容混合供电系统能否成功运用于未来多电飞机电力系统具有极为重要的理论意义和现实价值。

然而，与用于汽车的燃料电池-蓄电池-超级电容混合供电系统相比，多电飞机对系统的供电可靠性要求更高，且电气化负荷数量更多、空间分布更广泛，导致动态功率分配实现极具难度。同时，还需兼顾储能单元荷电状态（State of Charge, SOC）限制、负荷再生能量的无损消纳、“热插拔”及冗余拓展等需求。

目前，国内外针对混合供电系统或混合储能系统的动态功率分配技术已开展了广泛深入的研究，不仅涉及多电飞机领域，还包含轨道交通、电动汽车、电气化船舶、直流微电网等领域。

但总体而言，已有研究大都采用基于通信网络的集中控制或协同控制策略，将其应用于燃料电池-蓄电池-超级电容混合供电系统时，仍存在以下不足：

• ①多电飞机电气化负荷数量众多，空间分布广泛，需要大量的电压、电流采样部件，使得系统结构复杂、成本高昂，更影响了全局可靠性；
• ②基于通信网络的控制器，任何环节的故障，都将使整个系统失效，无法满足机载设备对供电可靠性的严苛要求；
• ③通信延时的存在，使得动态功率分配实时性能差，无法达到预期效果；
• ④供电单元无法实现“热插拔”，使得系统不具备冗余容错及灵活扩容能力，难以满足未来多电飞机分布式供电对电力系统提出的多样性、宜扩展、强容错等新要求。

为克服集中控制或协同控制的缺点，无需互联通信网络的分散式控制策略逐渐受到了国内外学者的关注。对现有的分散式动态功率分配方法进行分析总结，可大致归为以下两类：

（1）基于频域解耦的分散式控制方法

有学者通过对燃料电池和超级电容端口变换器施加相互独立的控制，实现了动态功率分配和SC SOC调节等控制目标。然而，不难发现，这些控制方法均需采集负荷电流、母线电压等公共信号。由于多电飞机中电气化负荷数量众多、空间分布广泛，若不利用通信链路很难直接获取这些公共信号。因此，这类控制方法不是真正意义上的分散控制。

（2）基于混合下垂控制的分散式控制方法

根据供电单元输出阻抗组合形式的不同，混合下垂控制主要可分为三种方案：①虚拟高通滤波器和虚拟低通滤波器的组合形式；②虚拟电阻和虚拟电容的组合形式及其改进形式；③虚拟电感和虚拟电阻的组合形式及其改进形式。

尽管这些混合下垂控制方法均以分散的控制方式实现了动态功率分配、储能单元SOC调节、再生能量回收等控制目标，但这些策略仅解决了脉动负荷功率在两种不同特性供电单元间的优化分配，不适用于燃料电池-蓄电池-超级电容混合供电系统。

因此，重庆大学等单位的科研人员在现有研究基础上，针对燃料电池-蓄电池-超级电容混合供电系统动态功率分配技术展开研究，提出了一种分散式动态功率分配策略，实现了动态功率分配、储能单元SOC调节、再生能量回收等控制目标，以延长供电单元的使用寿命，间接提升系统的能量利用率。

图1 混合供电系统及所提功率分配策略

另外，当系统处于健康状态（即所有供电单元均能正常运行）和部分失效状态（即某一供电单元发生故障）时，研究了各供电单元间的动态功率分配关系，分析了供电单元故障对系统动态功率分配性能的影响，以说明所提动态功率分配策略的高可靠性。此外，研究人员还分析了系统参数对实际动态功率分配性能的影响。通过优化选取系统参数，保证了系统期望的动态功率分配性能。

图2 混合供电系统实验平台

通过他们的实验结果表明，不论系统处于健康状态还是部分失效状态，在不使用中央控制器或通信网络的条件下，所提策略即可同时实现直流母线电压调节、动态功率分配、蓄电池和SC SOC调节及再生能量回收等控制目标。以这种方式，极易实现供电单元的模块化和冗余设计，增强系统的可扩展性，提高系统的可靠性，可满足未来多电飞机分布式供电对电力系统提出的高效、长寿命、多样化、宜扩展、强容错等高要求。

本文编自2022年第2期《电工技术学报》，论文标题为“多电飞机用燃料电池-蓄电池-超级电容混合供电系统的高可靠动态功率分配技术”，作者为宋清超、陈家伟 等。