太陽能游船電力系統拓撲結構研究與改進

紀厚芝，俞萬能，李素文

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太陽能游船電力系統拓撲結構研究與改進

紀厚芝，俞萬能，李素文

（集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021）

在某種在運營太陽能游船中，時而會出現控制器重啟，繼而導致全船停電的故障，影響船舶運行的安全性。針對這一現象，在分析該船舶現有電力系統結構組成及工作原理基礎上，建立系統數學分析模型，應用MATLAB進行仿真研究，得出系統出現故障的問題關鍵。設計了一種更為完善的電力系統拓撲結構，實船應用說明該系統具有更高穩定性和可靠性。

太陽能游船 電力系統 拓撲結構 改進

0 引言

隨著旅游經濟、水上旅游的發展，游覽船舶需求量不斷增加。但面對日益突出的環境和污染問題，傳統的游覽船舶會對景區生態造成一定的破壞，不利于可持續發展。解決這一問題的方法就是采用新能源船舶，目前新能源船舶普遍采用太陽能[1-3]。太陽能游船電力系統主要由太陽能電池板，鋰電池，電池管理系統，能量管理控制系統組成，而各部分的組成匹配就成關鍵問題[4]。一旦拓撲結構及匹配不合理就會出現整條船電壓不穩，甚至電力中斷，這嚴重影響船舶的舒適性及航行安全。如在一種運營的太陽能游船中，由于鋰電池充電器、控制柜及PLC控制器的拓撲結構不合理，導致PLC偶爾會出現重啟，繼而導致整條船電力系統出現短暫斷電的情況。本文根據該船的電力系統結構，分析現有系統的組成原理，并建立系統仿真模型進行仿真研究，得出系統出現故障的問題關鍵。針對存在的問題，提出一種更為完善的電力系統拓撲結構，提高系統穩定性和可靠性，保證游覽船舶的舒適性及航行安全。

1 太陽能游覽船電力系統簡述

根據太陽能游覽船舶設計基本參數和基本性能要求，針對太陽能源具有低密度、清潔環保等特點，設計了太陽能雙體游覽船，現有太陽能游船中電力系統主主要由太陽能電池組，太陽能控制器，鋰電池，充電器（岸用），控制系統和推進系統組成。控制系統以西門子S7-300PLC為控制核心。鋰電池共有8組，左右各4組，每組電池額定電壓均為48 V。左右第1、2組作為動力用，分別為左右電機供電。左右第4組為生活用電，第3組為備用電池組，既可作為動力也可以作為生活。太陽能游船的控制核心PLC由右邊第3組輸出的48 V直流電經DC/DC轉換為 24 V直流電供電。電力系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

在長期運營中，當充電器（岸用）的開關K3閉合（僅接入未工作），開關K1閉合，DC/DC模塊開始給PLC供電，同時控制充電繼電器K2閉合，太陽能充電器開始給右邊組第3電池充電時，PLC會發生重啟的現象，由于整條船的電力都受控于PLC，所以會導致所有動力用電及生活用電短暫中斷。如果充電器（岸用）K3不閉合，重復上述動作時，不會出現上述問題。異常情況如圖2所示。在其他控制狀態下也不會出現類似的問題。

圖2 系統異常情況

2 電力系統建模及分析

根據太陽能游船所出現的問題，分析電力系統結構及其工作原理。從上面的故障描述可以看出，充電器的接入對整個電路的穩定性造成了影響，故本文提取其中的相關部分獨立分析。涉及到的部分包括充電器，DC/DC模塊及PLC。這里著重分析直流變換器DC/DC和充電器（岸用）對整個系統穩定性的影響，

2.1 電力系統充電回路數學模型分析

本文涉及的太陽能游船為純太陽能系統供電，太陽能電池發出的電能經控制器輸送到48V直流母線上。通過控制各電池組的充電接觸器就可以實現太陽能對鋰電池的充電。為滿足連陰雨天氣對太陽能游船的用電需求，配備了岸用充電器。不可避免的當太陽能控制器或充電器接入直流母線時，DC/DC直流變換器不再是一個獨立的部分，它的性能會受到太陽能控制器或岸用充電器的影響。下面我們將對此進行詳細分析。

充電器與DC/DC變換器連接原理圖如圖3所示[5]。

圖3 充電器與DC/DC連接原理

2.2 電源buck電路設計分析

由于本船上所用鋰電池的額定電壓為48 V，而PLC的額定工作電壓是24 V，所以需要進行48V轉24 V的DC/DC變換，這里采用的是降壓式buck電路。在圖2中，開關晶體管G的一個開與關的周期內，將輸入的直流電壓斬波，形成脈寬為T的方波脈沖。

當開關晶體管G導通時，有

當開關晶體管G截止時，有

電感L為：

2.3 電路充電狀態分析

2.3.1 充電狀態

當船上鋰電池能量耗盡且天氣狀況不佳時需要進行岸電補充。將圖3中的開關K閉合，充電器開始工作。本船所用的為充電機為艾默生ECH系列智能充電機，輸出額定電壓為直流47.7 V，輸出電壓范圍為直流42.0—50.0 V。當充電器正常工作時，它的輸出電壓滿足DC/DC設計的輸入電壓范圍，DC/DC模塊可以正常工作。太陽能游船運行平穩。

2.3.2未充電狀態

日常運行條件下，廈門地區光照充足，太陽能電池組發出的電量完全可以滿足該游船的用電需求。這時岸用充電器僅僅接入電路，但沒有工作。等效電路如圖4所示[7]。

圖4 系統等效電路

電容的電流：

當鋰電池電壓為50V時，開關K閉合瞬間：

3 仿真與分析

圖5 48 V時DC/DC端輸入電壓

圖6 48 V時DC/DC輸出端電壓

根據圖5-8的仿真可知，當鋰電池電壓在不同工況時，在充電器（岸用）接入電路的瞬間，電池輸出電壓降低至13 V左右，并有一段時間處在40 V以下，這一輸入電壓已經低于DC/DC允許輸入電壓的最低值。因此，此時DC/DC輸出端電壓最低時降至10 V以下，從而使DC/DC在短暫時間內無法提供PLC正常工作所需電壓，導致PLC發生重啟現象。

圖7 50 V時DC/DC端輸入電壓

圖8 50 V時DC/DC輸出端電壓

4 解決方案

根據以上數學分析和仿真，如果采用原先設計電力系統將不可避免產生PLC重啟現象，將大大降低系統運行穩定性和可靠性，甚至影響船舶運行安全。針對PLC供電的可靠性高要求，進行以下電力系統改進。在太陽能游艇上增加一組鋰電池單獨為PLC、繼電器等元件供電，電池額定電壓為24 V。該組電池狀態由BMS電池能量管理系統監測控制，電池組充電由逆變器逆變24V直流電直接給電池組充電，如圖9所示。

24 V電源系統控制策略為：當繼電器K4閉合，24 V電池組開始給PLC等設備供電，同時24 V充電器持續給24 V電池組充電，保證該組電池電壓維持在24 V左右。考慮到穩定性，當該組24 V電池組快要達到故障保護狀態時，將會啟用右邊第三組48 V電池作為整船的24 V低壓系統備用電源，此時控制充電器（岸用）開關K3斷開，在48 V電池組連接到DC/DC的回路中串聯一常開繼電器K1。當啟動備用模式時，岸用充電器開關K3斷開，控制常開繼電器K1閉合，右3 48V電池組開始為整個系統供電。這樣充電器（岸用）在未工作狀態下就不會接入到電力系統中，不會影響到DC/DC的性能。PLC、繼電器等由單獨的24 V鋰電池供電大大提高了系統的穩定性。

圖9 改進后的電力系統拓撲結構

該系統改造之后并用于實船，在實際應用中，BMS能量管理系統根據鋰電池發出的實時信息不斷調整充電狀態，24 V電池組的電壓基本維持在24 V左右，完全滿足PLC、繼電器等元件的工作要求。PLC沒有再出現重啟的情況，在改進后的電力系統拓撲結構下，整個系統運行穩定。

5 結論

通過對太陽能游覽船電力系統框架的分析及建模仿真，找出了導致PLC偶爾重啟故障的原因。這一問題的解決彌補了PLC供電系統設計之初的不足，使得整條船的控制系統更具穩定性。同時，使我們在設計電氣系統時更加注重電源的匹配問題。本文涉及到的問題，在遇到類似情況時可作為參考。

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Research and Improvement of the Power System Topology in A Solar Sightseeing Ship

Ji Houzhi, Yu Wanneng, Li Suwen

(Marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian, China)

U665.13

A

1003-4862（2014）12-00074-04

2014-10-20

紀厚芝（1989-），男，研究生。研究方向：船舶電力推進及其控制。