船舶光伏-混合儲能系統的控制優化

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

采用太陽能發電與儲能相配合的內河電力推進船舶將得到廣泛應用[1-2]。太陽能發電清潔，但存在功率不可預測性和出力間歇性，無法得到高可靠性的供電[3]，必須引入儲能系統[4]。單一的儲能形式一般難以同時滿足高功率密度和高能量密度的要求，蓄電池和超級電容在性能上有很強的互補性[5]，兩者組成混合儲能，配以相應的能量管理方案和控制策略，可實現光伏發電的的穩定、經濟運行[6]。儲能元件的合理的工作狀態用荷電狀態(SOC)來表示。SOC過高或過低都會造成蓄電池、超級電容的壽命減少[7]。船舶電網混合儲能的功率控制至關重要。

內河直流船舶電網可簡化為拓撲圖1，系統經由直流母線與變換器分別連接光伏、蓄電池、超級電容與船舶負載。光伏、蓄電池和超級電容協調出力共同構成船舶的能量來源。直流母線電壓值是直流電制船舶電網的電能質量控制的主要指標[8]。當母線電壓跌落時，要求發電端仍能有效提供電能維持一定的電壓，確保推進電機不脫離電網維持運行狀態，具備“穿越”低電壓區域系統的低電壓穿越能力[9]。

圖1 船舶電網的簡化拓撲結構

針對在船舶運行中，光伏發電和負載功率接近的臨界狀態下，蓄電池充放電切換頻繁；船舶啟動時低電壓穿越(LVRT)能力差的問題，在文獻[10]提出的混合儲能分頻協調控制基礎上，提出可變增益值的控制策略；根據船舶運行情況將混合儲能元件分成在3種典型工況下的3種工作模式；以優化超級電容的SOC，減少蓄電池的充放電切換次數，加快LVRT的速度。

1 超級電容SOC的控制策略設計

1.1 可變增益的SOC控制的原理

對不考慮直流母線電容濾波的傳統混合儲能分頻協調控制過程進行簡化，見圖2。

圖2 傳統分頻協調控制

電壓外環輸出參考電流Iref之后，在電流內環之前，設置低通濾波器，對電流內環的參考電流信號進行分配。蓄電池和超級電容分別響應低頻和高頻直流母線電壓波動的信號。

由圖2可得

Ic-ref=Iref-Ib-ref

(1)

在Iref不變的情況下，蓄電池和超級電容的參考信號的變化趨勢總是相反的。因此，設計一種快速調節超級電容SOC控制方法。在低通濾波器后，Ib-ref負反饋信號檢測前，加入一個可變增益控制環，增益值為K。此時有

Ic-ref=Iref-KIb-ref

(2)

調節K值，快速改變Ic-ref的正負，即改變超級電容的充放電狀態，從而控制超級電容SOC。

1.2 K值的調節要求

1)K值調節的啟動和退出條件。若K值調節條件為一個邊界點，負載功率波動工況下K值切換頻繁，蓄電池充放電電流不穩定。故設定SOC值達到S1，進入調節狀態；S2時退出調節。

2)K值變化率要求。增益K不能變化太快，變化太快，蓄電池的電流參考信號KIb-ref變化快，蓄電池無法進行平滑電流的充放電，弱化低通濾波器的功能。

3)K值的大小要求。超級電容與蓄電池相比能量較小，K值不超過2即可實現SOC控制。考慮蓄電池不過流，故設定K=1.4。

1.3 不同SOC情況下的K值

根據超級電容實際SOC，將濾波器輸出的參考電流作為輸入，通過函數判斷，確定需要輸出的K值。

1.3.1SOC的設定調節參考值

為防止超級電容的過充和過放，考慮SOC估計值與真實值的誤差和直流母線的電壓快速跌落的情況，設定SOC下限值為40%，上限為90%，控制目標值為70%。

1.3.2K值和蓄電池參考電流Ib-ref的關系

1)超級電容SOC低于40%。

(1)若Ib-ref>0(蓄電池放電模式)，增益K>1可提高蓄電池的放電量，從而傳遞到超級電容的負反饋信號增大。由式(2)知，超級電容獲得的參考電流信號Ic-ref<0，即超級電容獲得充電信號，從而增加SOC。

(2)若Ib-ref<0(蓄電池充電模式)，增益K直接設為0，此時蓄電池停止工作。由式(2)知，Ib-ref不變時，可使傳遞給蓄電池的充電信號轉移到超級電容，超級電容獲得的充電電流信號Ic-ref增加，增加SOC，同時也減少了蓄電池充放電次數。

2)超級電容SOC大于設定值90%。分析方法同上。由此建立不同SOC值下增益K值的分段函數取值表如下。

表1 SOC不同狀態下的K值

2 低電壓穿越和臨界狀態控制優化

2.1 3種狀態模式的分頻協調控制設計

根據船舶的實際情況設計控制策略，將船舶電網工作狀態細分為正常狀態、臨界狀態、低電壓穿越狀態,分別對應3種控制模式，見圖3。

圖3 3種狀態模式的分頻協調控制設計

1)臨界狀態。當光伏輸出功率與負載功率接近時，蓄電池處在小電流充放電頻繁切換的臨界狀態，斷開圖3中的開關1，使蓄電池停止充放電，由超級電容替代蓄電池工作。避免蓄電池組因高頻率的充放電切換導致壽命減少。

2)低電壓穿越狀態(LVRT)。通常為船舶離岸時第一次啟動，低電壓狀態被識別后，開關1閉合，斷開圖3中的開關3，閉合開關2。在低電壓狀態下，蓄電池和超級電容同時輸出提高低電壓穿越能力。

3)正常狀態。母線電壓正常調節的非臨界狀態，此時為傳統分頻協調控制狀態。

2.2 3種狀態模式識別與轉換條件

通過控制開關1、2和3，實現3種狀態對應3種控制模式的轉換，見表2。

3 仿真實驗

利用MATLAB/Simulink軟件搭建光伏-混合儲能系統在電力推進船舶負載下的仿真模型，見圖4。光伏-混合儲能系統由鋰電池組、超級電容、光伏、充放電變換器和能量控制優化子系統組成，系統仿真基本參數見表3。

表2 狀態識別與開關操作

圖4 光伏-混合儲能系統仿真模型

表3 系統仿真基本參數

3.1 超級電容SOC控制分析

對超級電容充放電不平衡的負載設計時，為加快系統仿真計算速度，對超級電容值進行如下設置。

1)超級電容的電容值從5.8 F設置為1.0 F，提高SOC變化率。

2)SOC初始給定值在下限40%上端附近，實驗開始時加負載，觸發從正常SOC到低于正常SOC值。

仿真時間150 s，超級電容SOC變化見圖5。

圖5 超級電容SOC變化

由圖5可知，開始時超級電容處在放電模式，SOC減小并在達到40%穩定后上升，超級電容處于充電模式；SOC到達90%后，又迅速下降到70%，超級電容放電模式。由SOC變化斜率可知，觸發下限40%到額定值70%的過程中，斜率較大，此時增益K為1.4；達到70%后斜率變小，增益從1.4變為1。當觸發到SOC上限90%后，增益K改變，由超級電容放電。SOC回落到額定值70%后，增益K變為1重新進入正常狀態。整個仿真時段內，超級電容SOC一直在40%～90%。

3.2 臨界狀態充放電控制分析

光伏發電系統在標準環境下正常輸出最大功率8.6 kW，前5 s給定37-40 kW的波動負載，在5 s時將負載功率突降至7～10 kW，母線負載端電流變化見圖6。

圖6 正常模式到臨界模式的放電電流

仿真過程中，在5 s后，由于光伏發電功率(8.6 kW)和負載功率(7～10 kW)大小相近，光伏電流Ipv與負載電流IL差值較小。鋰電池放電電流變為0，停止工作；超級電容處于正常工作模式來穩定母線電壓。控制系統實現了從正常模式到臨界模式的轉換。臨界模式下，超級電容單獨工作，減少了鋰電池工作時間和充放電切換次數，從而提高了鋰電池的壽命。

3.3 低電壓穿越優化分析

初始給定負載功率為5 kW，并在2 s時將負載功率突變為60 kW，檢驗LVRT功能。傳統和優化后分頻協調的控制策略對比見圖7。

圖7 低電壓穿越過程中母線電壓仿真對比

由圖7可知，在2 s時母線電壓跌落。在恢復正常電壓的過程中，優化后的分頻協調控制，首先達到可正常工作的電壓下限450 V，比傳統分頻協調控制快0.1 s左右。當達到450 V電壓后，優化前與優化后的調節能力基本一致。從低電壓恢復到450 V的電壓正常值過程中，優化后的控制可以同時實現超級電容和鋰電池最大程度的輸出，充分利用了超級電容短時快速放電的能力，電壓恢復所需時間較短。

4 結論

1)可變增益值控制策略，能夠實現對超級電容SOC優化控制，整個仿真實驗中，超級電容SOC控制在40%～90%，但超級電容的容量沒有完全的得到利用，進一步的研究需要降低超級電容的下限設定值。

2)控制系統實現了從正常模式到臨界模式的轉換，超級電容單獨工作，充分發揮了超級電容快速充放電的優勢，減少了臨界狀態蓄電池充放電切換的次數。

3)控制系統從正常模式到LVRT模式，母線電壓恢復至正常值時間加快，相比于改進前的控制策略快了0.1 s，但恢復速度未見較大優勢，LVRT的速度需要進一步優化。