多電船舶的能量管理策略仿真研究

楊再明,高海波,林治國,盧炳岐,張澤輝,徐宏東

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

在節能減排的背景下，目前燃料電池是船舶最具前景的動力系統之一，國內外對燃料電池在船舶上應用進行了很多研究，如文獻[1]研究了燃料電池在船舶中的儲氫技術；文獻[2]測試了燃料電池在船舶上應用的功能特性；文獻[3]使用Matlab/Simulink對船舶燃料電池進行建模仿真實驗，并制定相應的能量管理策略對其進行優化；文獻[4]建立了包含燃料電池、DC/DC變換器、DC/AC變換器、船-機-槳、儲能系統和能量管理系統的船舶推進系統數學模型，進行性能預測；文獻[5]討論了燃料電池在船舶中的儲氫效率。

這些工作基本都是對單一的燃料電池作為能量源進行研究，但在實際的多變航行工況中，由于燃料電池無能量儲存能力、冷啟動困難、動態響應很慢以及輸出電壓特性偏軟[6-7]，不能完全滿足船舶功率需求。本文結合超級電容能大電流充放電，磷酸鐵鋰電池啟動快且儲存能力較強的特點，設計了以這2種元器件為核心的復合儲能裝置，輔助氫燃料電池滿足多變的負荷需求。

1 多電混合系統的構建

本文選取以氫燃料電池為動力的德國客船 “Alsterwasser”號為母型船，該船船長25.56 m，寬5.2 m，吃水1.3 m，時速可達15 km/h，氫燃料電池的額定功率為80 kW，鉛酸蓄電池為560 V/360 Ah。

母型船每天工作8 h，工作時刻表如表1所示，其中1 h的功率需求如圖1所示，其1 d的負載功率是按如圖1所示的功率輸出重復8次。由圖1、表1可看出船舶工作狀態重復且工作時間較短，為了便于能量管理策略仿真分析，則選擇其中360 s內典型工況，包含定速航行、加減速及停船工況，如圖2所示。0～90 s和200～360 s時船舶處于定速航行狀態，此時負載的功率需求比較穩定，約為42 kW；90～200 s時船舶處于機動航行狀態，此時負載的功率需求波動幅度較大，負載功率需求的范圍為0～105 kW。

表1 母型船時刻表

圖1 母型船功率

經過對圖2機動航行工作段積分計算，得出需要配置的超級電容最大放電量應不小于1 kW·h，本文選擇型號UCEY-48V165F超級電容，并把13個單體串聯成1組，并聯4組，總容量為50.76 F。超級電容的正常放電區間為[364 V，560 V](額定電壓的65%～100%)，放電量為1.28 kW·h，滿足超級電容承擔的能量。考慮到超級電容可承擔大部分的瞬時負載需求，并參考其他學者文獻，可減少蓄電池容量，設定磷酸鐵鋰電池容量為560 V/180 Ah。

圖2 母型船的部分功率曲線

圖3為模擬改裝過后的船舶動力系統結構圖，保持原有的質子交換膜燃料電池作為主能量源，由磷酸鐵鋰電池和超級電容組成的復合儲能裝置替代鉛酸電池，其中VUC為半徑DC/DC逆變的直流母線電壓，VDC為直流母線電壓。

圖3 改裝后的動力系統

2 船舶工況識別

船舶工況多變復雜，本文采用徑向核函數(RBF)對支持向量機進行訓練，輸入船舶工況的識別輸入參數Pload(K-1)、[Pload(K)-Pload(K-1)/Ts]，其中Pload(K)為K時刻船舶的功率輸出，Pload(K-1)為K-1時刻船舶功率輸出，Ts為K-1到K的時間步長，輸出參數Gt={1,2}(1為定速航行工況，2為機動航行工況)。對向量機進行驗證，訓練集錯誤率為1.18%，驗證集錯誤率為1.25%，2個集合的錯誤率結果相近，證明該算法具有良好的泛化能力。在圖2中母型船功率圖譜的基礎上引入均值為0、方差為0.01的隨機噪聲，支持向量機在隨機噪聲干擾下，對功率圖譜的識別結果如圖4所示，可以看出支持向量機對船舶工況的判別有很高的準確性。

圖4 支持向量機識別結果

3 低通濾波器設計

磷酸鐵鋰電池頻繁切換充放電狀態來應對工況變化會縮短電池壽命，本文針對不同的航行工況，設計不同的濾波器。

船舶負載通過支持向量機識別工況，通過低通濾波器濾波得到船舶低頻負載Pfc，讓氫燃料電池承擔。用實際功率需求Pload減去Pfc得到復合儲能裝置承擔負載PMload，再經1次濾波，分離出復合儲能裝置高頻負載Psc，由超級電容承擔，充分發揮其大電流充放電的特性。用PMload減去Psc得到復合儲能裝置低頻功率Pbat，由磷酸鐵鋰電池承擔。

3.1 濾波器時間常數的性能函數建立

定速航行與機動航行情況下所選擇的低通濾波器分別為：

(1)

式中:T1、T2為濾波器時間常數；s為simulink一階低通濾波器中傳遞函數的微分算子。

在滿足工況的前提下，低通濾波器設計的目的是讓氫燃料電池的功率Pfc、母線電壓VDC、磷酸鐵鋰電池的電流Ibat的波動以及系統能量的損失JE越小越好，設計的評價公式如下：

(2)

式中：X(i)為i時刻的系統能量損失。

根據式(2)分別算出氫燃料電池的功率波動Jfc、磷酸鐵鋰電池的電流波動Jbat、母線電壓波動JDC和系統的能量損失(電池不一致性造成損失、系統能量傳遞損失等)JE。

結合波動值得出評價低通濾波器性能函數如公式(3)所示：

Jmin=αJfc+βJbat+λJDC+μJE。

(3)

性能函數的目標是減小氫燃料電池的功率波動，使其保持在較高效區間工作，減小磷酸鐵鋰電池的電流波動而延長其使用壽命，提升電網電能質量，提高復合電源的能量效率，則氫燃料電池損耗權重α、磷酸鐵鋰電池損耗權重β與電網波動權重λ為最重要的因素，取氫燃料電池損耗權重α為0.4；磷酸鐵鋰電池損耗權重β為0.25；電網波動權重λ為0.25，因復合儲能裝置采用半主動式拓撲結構，系統能量效率比較高，所以能量損失權重μ取值最小為0.1。約束條件如公式(4)所示：

(4)

約束條件中，第一個約束條件是指氫燃料電池、磷酸鐵鋰電池與超級電容的輸出功率等于船舶負載的需求功率；第二個約束條件為超級電容的電壓不得低于最大電壓的一半(防止超級電容出現低電壓工作縮短其壽命)；第三、第四個約束條件為磷酸鐵鋰電池與超級電容都不能過電流充放電。

3.2 濾波器時間常數優化

經過大量計算與仿真調試，最終得出時間常數T1=30.0 s，T2=38.7 s。

濾波結果如圖5所示，已知本船氫燃料電池的最大效率約64%，其輸出功率在[10.1 kW，80.2 kW]時，效率較高。由圖5(a)可看出氫燃料電池的功率工作區間為[17.4 kW，53.3 kW]，能使其在較高效率工作區間工作。

從圖5(b)、(c)可看出經過低通濾波后，磷酸鐵鋰電池的輸出功率波動平緩，工作區間在[-13.2 kW，23.1 kW](輸出功率為負表示電池處于充電狀態)，有助于電池活化、延長電池使用壽命；超級電容則充分發揮可大電流充放電的優點，工作區間在[-44.6 kW，92.4 kW]。

圖5 低通濾波器濾波圖

4 兩種能量管理策略

為進一步抑制磷酸鐵鋰電池的功率波動，更好地發揮超級電容的作用，本文采用2種能量管理策略繼續對其進行功率優化分配。

4.1 經典PI控制

PI控制系統由比例單元(P)、積分單元(I)組成。其工作原理是先得出控制參數的誤差err(t)，之后通過比例、積分計算出控制量。公式為：

(5)

式中：KP為超調量；Ti為i時刻的積分時間常數。

將Pbat作為PI調節的被控對象，將磷酸鐵鋰電池動態荷電狀態與給定的參考荷電狀態比較得出偏差，經過PI調節器得到控制量，將其輸入到被控對象Pbat，優化輸出。

經過多次調試，得出KP=128，積分時間常數Ti=0.15，基本能將高頻部分分離出去。

4.2 模糊邏輯控制

模糊邏輯控制主要是基于模糊邏輯控制規則，根據輸入量變化來得到輸出量。

將PMload作為模糊邏輯控制的一個輸入量，同時輸入磷酸鐵鋰電池的電荷量(SOCbat)以及超級電容的電荷量(SOCsc)，經模糊邏輯控制后輸出復合儲能裝置的功率分配因子G。

根據復合儲能裝置的正常工作功率區間[-38.1 kW，86.3 kW]定義PMload模糊論域為 [-40，90]，選用模糊子集為{T，L，M，H}；根據磷酸鐵鋰電池正常荷電狀態區間[0.3，0.9]及超級電容正常工作荷電狀態區間[0.2，0.9]定義SOCbat以及SOCsc的模糊論域為[0，1]，選用的模糊子集為{L，M，H}；G的模糊論域為[0，1] ，選用的模糊子集為{T，L，M，H}，其隸屬度函數如圖6所示，最后寫入制定的模糊規則。

圖6 隸屬度函數

5 能量管理策略仿真

圖7為能量管理策略圖。

圖7 能量管理策略圖

圖7(a)、(b)為模糊邏輯控制的結果，(c)、(d)為PI控制的結果，圖中可看出船舶定速航行工況時，超級電容與磷酸鐵鋰電池的充放電功率接近0，由燃料電池來承擔船舶功率需求；船舶機動航行工況時，磷酸鐵鋰電池承擔復合儲能裝置功率中低頻功率需求，超級電容承擔復合儲能裝置功率中高頻功率需求，輔助氫燃料電池承擔船舶總功率需求。

其中，模糊邏輯控制中磷酸鐵鋰電池的充放電功率區間為[-11.1 kW，19.4 kW]，超級電容的充放電功率區間為[-44.6 kW，92.8 kW]；經典PI控制能量管理策略中磷酸鐵鋰電池的充放電功率區間為[-13.1 kW，22.8 kW]，超級電容的充放電功率區間為[-46.4 kW，92.5 kW]；從數據可看出2種控制策略都能減小磷酸鐵鋰電池承擔的功率波動，并充分發揮超級電容可大電流充放電的特性，但模糊控制策略對磷酸鐵鋰電池的保護作用更強。