混合儲能技術在船舶電網中的應用

2018-07-25 06:30:06毛亞洲俞孟蕻

艦船科學技術 2018年7期

毛亞洲，俞孟蕻

(江蘇科技大學，江蘇鎮江 212003)

0 引言

隨著電力電子裝置的飛速發展，船舶電力推進逐漸顯示出其無可比擬的優越性，電力推進逐漸成為船舶動力裝置的發展方向。但是隨著船舶電力推進的應用，船舶上的用電裝置正在不斷增加，一些較大功率的負載越來越多的出現在船舶上。這些大功率負載的應用，給船舶帶來巨大便利的同時，也給船舶帶來了很大的危害。比如：在輕載狀態下，船舶電網的頻率和功率波動較小。但是相比于陸地電網，船舶電站容量較小，電網輸電線短且船舶工作環境較為惡劣，當船舶電網中有大功率負載變化時，就會使船舶電網的頻率和功率產生較大的波動，這些波動除了可能會對電網中其他負載的運行產生顯著的影響，增加原動機的機械應力和熱應力，增加船舶燃料的消耗；還有可能造成整個船舶電網斷電，整個船舶無法運行。

針對這一問題，本文創新性的采用能量儲存技術。這些年來，能量儲存技術在國內外得到了飛快的發展，特別是鋰電池和超大容量電容技術發展十分迅猛，并且已經很好的應用到汽車領域（比如特斯拉和比亞迪）。這種能量存儲技術同樣也適用于船舶電力系統，利用儲能裝置（超級電容和鋰電池）補償電網中能量波動，即當系統輕載時，儲能裝置吸收能量減小這些能量對系統的沖擊；當系統重載或過載時，儲能裝置釋放能量，滿足系統的需求。

本文以某1 500 m作業水深鉆井船為模型，利用Matlab對船舶電力推進系統進行建模，運用粒子群算法對混合儲能單元容量進行優化，精確地控制了混合儲能單元的充放電，并研究了混合儲能技術對船舶功率波動和頻率波動的影響。

1 船舶電站的建模

船舶電站系統一般由原動機、發電機、附屬設備和配電板組成。柴油機具有結構簡單、熱效率高、經濟性好等特點，因而在船舶電站系統大部分采用柴油機作為原動機拖動同步發電機進行發電，下面對柴油機調速系統、發電機勵磁系統進行建模。

1.1 柴油機調速系統

當柴油機所加負載增大時，柴油機轉速就會相應增加，使輸入輸出轉矩達到新的平衡。反之，當柴油機所加負載減小時，柴油機轉速就會相應減小，使輸入輸出轉矩達到新的平衡。但是在船舶上要求柴油機的轉速是一個定值，因而調速系統必須將轉速恢復到設定值。柴油機調速系統的原理框圖如圖1所示。

圖1 柴油機調速系統的原理框圖Fig.1 Schematic diagram of speed control system in the diesel engine

根據柴油機調速器數學模型和原理框圖，用Matlab/Simulink構建出柴油機調速系統的仿真模型如圖2所示。

圖2 柴油機調速系統的仿真模型Fig.2 Simulation model of diesel engine speed regulation system

調速控制系統通過油門執行器動作，調節柴油機的噴油量，從而達到調節柴油機轉速的目的。圖2以柴油機的轉速為控制對象，采用比較典型的PID控制的閉環反饋控制系統。K為控制器放大系數，t1，t2，t3為控制器時間常數，t4，t5，t6為執行器時間常數。wref（pu）為設定轉速，w（pu）為檢測模塊測得的發電機轉子的實際轉速。將wref（pu）和w（pu）進行對比，接著通過調速器對柴油機速度進行控制，最后得到機械轉矩，將得到的機械轉矩與測得的柴油機實際轉速w（pu）相乘，就可以得到同步發電機的機械功率pmec（pu）。同步發電機在此功率的驅動下進行運轉。

1.2 發電機勵磁系統

當船舶上的負載發生變化時，同步發電機輸出端電壓的也隨之發生變化，偏離額定值，使得電網中的用電設備不能正常工作，更為嚴重的是可能導致船舶發電機解列、電網崩潰導致整個船舶停電。因此需要采用控制系統對發電機進行調節，使得同步發電機端電壓返回到額定的狀態。而能夠實現這種功能的是同步發電機的勵磁系統。勵磁系統的基本功能是給同步發電機磁場繞組提供直流電流。除此之外，勵磁系統還能通過控制勵磁電壓控制勵磁電流，完成控制功能（電壓調節、無功功率分配和電力系統穩定性的提高）和保護功能（發電機、勵磁機和其他設備不超過自身容量上限）。故同步發電機勵磁系統是保證船舶電力系統具有良好工作性能的重要部分。同步發電機勵磁系統原理框圖如圖3所示。

圖3 柴油機調速系統的仿真模型Fig.3 Simulation model of diesel engine speed regulation system

根據圖3發電機勵磁系統原理框圖和發電機勵磁系統的數學模型，利用Matlab/Simulink建立同步發電機相復勵交流勵磁系統的仿真模型，如圖4所示。

在圖4中，采用一個典型PID控制的閉環反饋勵磁系統，補償器和主調節器共同構成一個組控制回路。一個微分環節構成了系統的反饋回路，該微分環節對整個控制系統起到阻尼和穩定的作用。在圖4中，交流勵磁系統有4個輸入量Uref，Ud，Uq，Ustab和一個輸出量Vf。Uref是同步發電機的設定電壓，Ud是同步發電機d軸上的電壓分量，Uq是同步發電機q軸上的電壓分量，Ustab是同步發電機的接地零電壓，Vf是勵磁電壓。電壓分量Ud，Uq通過d-q軸電壓與功率投影計算后通過低通濾波器的作用，產生一個相復勵的電壓信號。該電壓信號一部分被送到主控制回路和比例飽和環節進行處理，一部分直接送到比例飽和環節，經過選擇后輸出到勵磁機。

圖4 相復勵交流勵磁系統simulink仿真模型Fig.4 Simulink simulation model of phase compound excitation syste

2 混合儲能單元

2.1 混合儲能單元充放電電路

為了實現對超級電容和鋰電池的充放電控制，本文采用如圖5所示的DC-DC變換器。DC-DC變換器實質上就是BUCK-BOOST電路，也被稱為反號變換器。DC-DC變換器與經過變頻器整流過后的直流電流直接相連。DC-DC變換器主要有IGBT、電感、二極管等原件組成，這個電路能夠使能量的雙向流動。

圖5 DC-DC變換器Fig.5 DC-DC converter

超級電容器的充放電工作原理：當開關管T1導通，T2截止，此時電路運行在BUCK模式下，能量通過T1和電感L1向超級電容器充電；當開關管T2導通，T1截止時，電路工作在BOOST模式下，超級電容器通過T2，L1釋放能量。特別注意的是開關管T1和T2不能同時導通，一旦同時導通，系統將會發生短路。對于鋰電池來說，其充放電工作原理和超級電容器的充放電原理一樣，開關管T3和T4也不能同時導通。

超級電容器和鋰電池組成的混合儲能單元的能量值的大小和方向是由半導體器件的周期決定的。當系統中有大功率負載突加時，開關管T2，T4導通，開關管T1，T3截止，即混合儲能單元工作在BOOST模式下，它和同步發電機一起放電，提供負載所需要的能量，用公式表示如下：

2.2 超級電容器

超級電容器有時被稱為電雙層電容器，是一種擁有高能量密度的電化學容器。其具有高電流容量、使用壽命長、溫度范圍廣、環境友好、維護保養容易、狀態容易監控等優點。超級電容器能量存儲量由以下公式確定：

2.3 鋰電池

鋰電池是一種可逆電池，既可以放電也可以充電。主要靠鋰離子在正負極之間移動來工作。其具有高能量密度、單體電壓高、自放電率小、輸出功率大、工作溫度范圍廣等優點。單個鋰電池的端電壓可以用下列公式確定：

假設給出鋰電池的最大放電程度DOC，那么鋰電池中剩余能量的最小值為：

3 混合儲能單元的容量

混合儲能單元有超級電容器和鋰電池組合而成，而超級電容器和鋰電池具有不同的功率密度、能量密度和循環壽命。與單個超級電容器和鋰電池相比，如何通過這兩者有效組合，使系統獲得最佳的功率和能量密度就變得尤為重要。本文創新性使用粒子群算法，很好地解決了這一問題。

3.1 目標函數的建立

考慮到混合儲能單元能量準確的分配、超級電容器和鋰電池操作特性互補、系統中發電機狀態的優化、系統功率的波動、多余能量存儲時多余成本等因數，選取如下目標函數：

3.2 船舶電力系統的限制條件

考慮到船舶電力系統的安全運行，以下2個限制條件需要考慮：1）同步發電機的輸出功率限制，2）同步發電機的運行功率限制。具體公式如下：

3.3 混合儲能單元的限制條件

考慮到整個系統的安全運行，下面的限制條件需要考慮:

3.4 粒子群算法確定混合儲能單元容量

粒子群算法也稱粒子群優化算法，是J. Kennedy和R. C. Eberhart等對鳥兒捕食行為的研究后提出的一種算法，其基本思想是通過群體中個體的協作和信息共享來尋找最優解。與遺傳算法相比，粒子群算法的優勢在于簡單容易實現并且沒有許多參數需要調整。粒子群算法能夠很好地解決非線性系統優化問題，因此目前已被廣泛的應用到神經網絡的訓練、模糊系統的控制、函數的優化等領域。

把超級電容器和鋰電池的數量看成一個粒子，那么基于粒子群算法的混合儲能單元容量優化的步驟如下：

1）根據3.1中的目標函數和3.2中的限制條件，寫出需要優化的函數。

2）初始化隨機生成的N個二維粒子粒子群。根據混合存儲單元容量的能量跨度，每個隨機粒子獲得初始值。因此第i個粒子的位置和速度可以通過下列公式獲取：