DOI:10.19486/j.cnki.11-1936/tj.2023.08.008
提升微电网的性能
虽然目前还没有一种成熟的技术可以完全消除美国陆军对柴油燃料的依赖，但军用微电网的现代化是支持战争电气化关键的第一步。在短期内，微电网的中期现代化可以通过集成储能系统和增配小型光伏发电机来实现。这种现代化可推动美国陆军当前指挥所微电网向适用于电动战车和定向能武器的微电网方向发展。
储能系统的集成已被提出作为中期改进微电网的一种方案。储能系统是一组用于储存能量的电池。对于指挥所和作战前哨来说，集成储能系统有助于引入冗余发电设备，具有存储可再生能源的能力，以及进行较低的热量信号特征静默发电。通过协调发电机和储能系统的操作，可以最大限度地降低威胁窗口期的信号特征。为了实现指挥所微电网的现代化，建议采用“双单元”储能系统，使其存储的能量得以快速为定向能武器或电动战车供电。 集成储能系统允许将光伏发电机集成到美国陆军的微电网中。 比如，5千瓦的小型光伏阵列可以显著降低燃料消耗。
然而，在战术微电网中，光伏发电有许多缺点不容忽视。在作战条件下，光伏阵列的大小受其自身机动性、装配和拆除时间的限制。光伏板（一般指太阳能电池板）具有高反射性，易于被对手的地面雷达系统探测到。此外，光伏板的定位方向对于实现最大光伏发电量极为重要，地形和其他战术环境可能不允许对其进行定向。太阳辐射量因位置、气候和天气等条件而异。因此，光伏发电机未必总是有效的发电源。
中期改进型微电网配置
美军的一种改进型交流微电网配置（如下页上图所示），包括一台5千瓦的发电机和一套储能系统。该配置保留了作为营级指挥所的功能，但为电动战车和定向能武器的供电留出了拓展空间（图中虚线所示）。这种微电网可以作为支持电动战车和定向能武器所需电力系统的模型。在初步分析中，研究人员使用了位于加利福尼亚州美国陆军欧文堡国家训练中心一个营级指挥所的合成负载数据。为了证明中期改进型微电网的价值，研究人员利用OpenDSS软件，在欧文堡国家培训中心对原始微电网和改进型交流微电网进行了模拟评估分析。该分析采用储能系统（ESS）存储评级优化算法，储能系统的单向效率为96.5%。中期改进型交流微电网集成的储能系统由两个单元组成，即ESS-A和ESS-B储能单元。 改进型交流微电网集成了一个额定功率为5千瓦的光伏阵列，该阵列由14个360瓦的光伏板组成，每个光伏板都有一个效率为95%的微型逆变器。此次模拟评估分析共计耗时56天，包括在欧文堡每个季节的两周时间，以考虑光伏发电和气候控制电力需求的季节性变化。模拟中使用的太阳辐射数据和地表温度数据来自于2018年的观测数据。
论证中期改进型微电网
根据中期改进型微电网的分析结果，在原始微电网中，柴油发电机在56天的模拟期间“湿堆积”达到24%。“湿堆积”发生在柴油发电机负载不足时，此次模拟中占其额定功率输出的30%。储能系统的集成使得发电机只能在其最省油的工作点运行，即额定功率。如果有足够的阳光照射，当储能系统和光伏发电机同时为微电网供电时，发电机可以在加载过程中停机，从而不仅能够消除“湿堆积”现象，而且可以降低发电机的磨损和维护要求。与目前的微电网相比，改进型交流微电网除了能够消除发电机的“湿堆积”现象，柴油消耗也降低35%。由于美军在阿富汗某些地区的燃料成本已达到400美元/加仑，因此节省的费用可能相当可观。燃料消耗的降低很大程度上应该归功于光伏发电机的集成。本文图片（上图）显示了在一天的模拟过程中，10千瓦微电网“双单元”储能系统的实际功率输入和输出。正值表示储能系统向微电网提供的电力数值，负值表示发电机为储能系统充电的数值。 模拟开始时，ESS-A和ESS-B两个储能单元已经充满电。从图中可以看出，第0.0天到第0.1天期间，ESS-B储能单元最初是不工作的。 在此期间，ESS-A储能单元放电，为负载供电，直到能量耗尽或低于其储能容量的10%。在第0.1天，ESS-B储能单元工作，旨在满足负载用电需求，柴油发电机以其额定功率启动，并以其额定充电功率为ESS-A充电。在第0.18天，ESS-B储能单元能量耗尽，因此ESS-A储能单元工作，以满足负载需求，ESS-B储能单元由柴油发电机充电。储能系统中的构网逆变器（Grid-FormingInverter）可保持微电网的稳定，并允许最大限度地“捕获”光伏能量。在图中，储能系统的功率数值为负时表示充电，数值为正时表示放电。
图片还显示了在模拟的同一天内储能系统的两个储能单元的能量存储情况。ESS-A储能单元最初放电为负载供电，直到第0.1天，耗尽其储存的能量。在中，ESS-B储能单元最初都是不工作的。从图中还可以看出，ESS-B储能单元的能量消耗可延长到午后，因此光伏发电的影响是显而易见的，同时光伏发电还可使发电机和ESS-A储能单元从第0.3天到第0.7天处于不工作状态。发电机在不工作状态时，降低了燃料消耗。在第0.4天的短暂时间内，光伏发电超过了微电网的电力需求，向为负载供电的储能系统充电，增加其储存的能量。如果光伏发电机发电时超过负载需求，双重配置可防止任何光伏能源的损失，且为保障动力战车和定向能武器的供电做好准备。
模拟一天内发电机的实际功率输出图片显示，发电机仅在其最省油的工作点，即额定功率下运行。当储能系统能够满足为负载供电的要求时，发电机会在储能系统供电期间停机。图片显示了发电机以额定功率条件下的运行状况，以及储能系统充电期间存储能量的增加状况，这两者之间存在明显的对应关系。由于发电机仅在其额定功率下运行，因此不会出现“湿堆积”现象（蓝色线数值始终为“零”）。如果发电机以低于其额定负载的30%运行，呈现出该时间步长（TimeStep，指前后两个时间点之间的差值）蓝色线的数值应该为“1”。橙色线表示发电机对应时间步长的油耗。在额定功率下运行，发电机的油耗最低。
详解中期改进型微电网
前面的分析清楚地展示出改进型指挥所微电网的优势，即不仅消除了“湿堆积”现象，而且降低了35%的燃料消耗。此外，由于光伏发电和储能系统的组合引入了冗余发电设备，改进型微电网的弹性得到了增强。如果发电失效，改进型微电网仍可以继续工作。“双单元”储能系统还可通过能量存储的冗余性提高自身的弹性。此外，能量储存创造了在没有热量或声音信号特征的有限时间内产生能量的能力。限制负载可以延长微电网的运行时间。
“双单元”储能系统可为微电网提供最大的灵活性。储能系统拥有两个独立的储能单元，允许存储能量的同时进行充电和放电，使可用存储容量加倍，并确保最大限度地“捕获”光伏能量。此外，储能系统还可使微电网具有两倍于其额定功率的放电能力，为保障定向能武器和电动战车等高功耗装备的供电做好准备。比如，一个储能单元可以满足指挥所的需求，而另一个单元则为电动战车供电。
美国海军正在开发的战术激光系统（TLS）被建模为用于此次分析的定向能武器。该系统可生成10千瓦的激光束，能够有效抵御小型弹药、无人机，以及小型舰船或车辆的袭击。光纤激光器的功率要求为75千瓦。模拟期间，激光器直接与微电网的储能系统相连接，并且在每个时间步长有1/256的放电概率，相当于每天大约放电6次；其主要目的是摧毁向指挥所发射的弹药和来袭小型飞机。这个数字来源于这样的假设，即对手的炮兵连拥有6门加农炮，每天向指挥所集火射击一次。
在这样的假设场景中，有10辆电动战车负责对己方指挥所实施保护与支援。假设为这10辆电动战车的充电电压是600伏、充电电流是200安培，每辆战车的储能容量为500千瓦时；还假设其中一半数量的电动战车需要每24小时进行一次充电，这将导致每天的预期充电时间为16.67小时；如果每次只为一辆进行充电，则其在每个时间步长开始充电的概率为70%（如果没有其他车辆在充电），一旦启动，完成充电的概率为85%。引入这些概率是为了在模型中制造一些不确定性，以提高真实感。
首先，在改进型交流微电网中增加一套定向能武器系统，与一台额定功率为15千瓦的发电机和拥有20千瓦时储能容量的储能系统进行综合分析。因为原始微电网中没有储能系统，电容器组将被用来为定向能武器供电，所以定向能武器的有效性将显著降低。究其原因，虽然作为能量“缓冲”存储器的电容器组能够存储足够的能量，使定向能武器在其额定功率（超过发电机的额定功率）下进行发射，但电容器组这种充放电装置需要时间进行充电，并为定向能武器供电（比如，10千瓦的光纤激光器在650瓦的功率下充电大约需要10分钟），从而限制了定向能武器的发射速度，其遭受对手加农炮集火射击的威胁大大增加。
重复进行前面介绍的56天模拟评估分析得出的结果是，燃料消耗从没有定向能武器的199加仑增加到278加仑。与之前的模拟相比，正是因为增加了定向能武器，所以燃料消耗显著增加。储能系统的增加为定向能武器的快速发射提供了能量，这正是美国陆军实施主动防护的要求。
接下来，改进型交流微电网配备了由10辆电动战车组成的车队。这些电动战车的电力消耗比指挥所微电网要高出几个数量级。为了进行分析，改进型交流微电网同时要为车队和营级指挥所供电，但更换了一台额定功率为150千瓦的柴油发电机和一套500千瓦时储能容量的储能系统（每辆电动战车的储能容量也是500千瓦时），以为电动战车供电。
此次模拟再次耗时56天。在此期间，改进型交流微电网没有发生任何“湿堆积”现象，储能系统进行了不到200次的充放电循环，发电机仅在额定功率下运行，共计消耗了9310加仑柴油燃料。
军用发电机有标准尺寸，但电池功率和能量等级更灵活。储能系统储能容量的变化对增加10辆电动战车的改进型交流微电网油耗产生影响，由于电池效率（即充放电的转换效率）达不到100%，因此在每次充放电循环中都会有损耗。忽略发电机的限制，只考虑储能系统的储能容量，8500千瓦时的储能容量是在没有储能系统的相同电网配置下实现“收支平衡”的最小容量。以目前的电池技术，这样的储能容量对于移动微电网来说是非常大的。
对中期改进型微电网的要求
为了满足美国陆军未来战争电气化的需求，军用微电网的设计应该满足以下指导原则：柴油发电机的总额定输出功率应与需求峰值相等。如果没有详细的负载数据，可以通过将所有负载设备标识牌上的额定数值相加来确定。这可确保如果储能系统不可用，发电机能够满足需求。光伏阵列受到安装时间和蒸腾作用的影响，所以建议采用额定功率为5千瓦的小型光伏发电机，以便在一个小时内就能够完成14个光伏板的安装或拆除。由于部队通常主要在夜间实施行动，所以要有足够的时间对光伏发电设备进行安装和拆除，而不会损失发电量。此外，储能系统的额定功率应与预期峰值需求、光伏发电额定功率，或发电机额定功率中的最大值相匹配。为了确保发电机的最大效率、电力供应的冗余性，并最大限度地降低电池充放电循环造成的性能下降，储能系统的额定储能容量应约为额定功率的两倍。除了降低燃料消耗之外，中期改进型交流微电网还应满足定向能武器和电动战车的发展需求。
初步设计的改进型直流微电网
美国陆军指挥所可谓现代化的指挥与控制节点，附属有大量消耗电力的计算机和通信设备，都需要直流电源供电；而柴油发电机产生的是交流电，这就需要将交流电转换成直流电源。通常，交流电—直流电（AC—DC）或直流电—交流电（DC—AC）的转换效率为90%，直流电—直流电（DC—DC）的转换效率可达95%。定向能武器和电动战车基本上都属于直流用电装备，需要大量的电力供应。因此，将微电网转换为基于直流电的配电系统应该更为经济。美国陆军的大多数装备和车辆都采用标准的24伏直流电压；不过，如此低的电压不太适合指挥所微电网进行远距离的电力传输。所以，建议采用250伏的直流配电电压，并在使用时将其降压至24伏。这样的配电足够高、以实现有效传输，但也仍足够低、以相对安全地实现与装备和车辆快速连接和断开。未来的相关设备，比如电动战车的充电装置，可以使用直流电—直流电（DCDC）转换器来获得期望的电压。
该建议有两个局限性。首先，需要对柴油发电机进行重大改造，以发出直流电，或设计部署新型发电机。其次，并非所有在美国陆军指挥所常见的设备和装备都需要直流电源供电。气候控制单元属于典型的交流电源供电设备，因为它们配有一个需要交流电源供电的压缩机；一个直流电—交流电（DCAC）转换器就可以完成为压缩机这一负载的供电。用于气候控制单元的能源比定向能武器和电动战车（两者都使用直流电源）所需的能源要小几个数量级。现地直流发电、配电和耗电可以降低5%的燃料消耗。目前，改进型直流微电网的概念尚处于初步设计开发阶段，还需要进行深入研究。
结语
毋庸置疑，战争电气化将继续加速发展，因此美国陆军在提高战术微电网效率和效能的同时，正在降低作战行动的后勤保障需求。现在，从柴油燃料和一次性电池立即过渡至可靠的高效微电网，在技术上还不完全成熟，但军用微电网的改进与完善可以降低其运行风险。美国陆军未来司令部已经通过投资和协调研究，为改善能源安全提供了巨大动力，同时旨在提高能源效率和部队作战能力。
在短期内，电动战车和定向能武器的电力需求，将对美国陆军目前电力基础设施的正常运行造成一定的影响，但其作战部队所属营级战术指挥所可以作为移动军用微电网的核心，保障旅战斗队的电动战车和定向能武器的供电，以完成多域作战任务。整合能源储存和有限的可再生能源发电，对于支持这些新兴技术和能力至关重要。当然，电动战车和定向能武器的功率和能量等级会影响军用微电网的可靠运行，因此需要认真地进行分析和设计。
无论如何，战术微电网融入这些创新可以显著降低燃料消耗，降低后勤保障需求，提高电力弹性，并为保障电动战车和定向能武器的电力需求做好准备。与此同时，战术微电网所具有的移动特性，及其降低热量和声音信号特征的能力，也能够提高作战部队和武器装备的生存能力。此外，在消除发电机的“湿堆积”现象、提高燃料经济性的同时，还降低了发电机的维护要求。因此，改进型移动军用微电网可使美国陆军指挥官们更加灵活地整合各种能源及其存储，灵活地为与近乎均势对手的现代冲突提供所需的能源。