機(jī)動式光-油綜合能源系統(tǒng)設(shè)計研究

李 淵，李 釧，宋建青，劉文平

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

為保障外場測試能源供應(yīng)體系，不斷改進(jìn)外場測試保障設(shè)備，研究人員針對可移動式方艙供電系統(tǒng)提出了利用太陽能等綠色可再生能源解決方艙的各種用電需求[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步、用電設(shè)備的日益復(fù)雜化以及外場環(huán)境條件的日趨嚴(yán)苛，對能源保障起關(guān)鍵作用的供電方艙的性能要求也越來越高，供電方艙不僅要具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，還應(yīng)具有穩(wěn)定、方便、可靠的電源系統(tǒng)[2]。

方艙在后勤能源核心能力建設(shè)中發(fā)揮著極其重要的作用，主要包括方艙醫(yī)院、方艙指揮中心、方艙廚房等。目前我國可移動式方艙的電源系統(tǒng)主要是利用電站方艙或發(fā)電掛車發(fā)電的方式供電，該供電方式供電系統(tǒng)鋪設(shè)范圍大、噪聲大，而且油耗量大，需要頻繁加油，這些缺點(diǎn)限制了方艙更好的應(yīng)用[3]。

能源是現(xiàn)代工業(yè)時代的命脈，是進(jìn)行外場工作的根基力量，掌握可靠的能源供給就掌握了主動權(quán)。由于人員赴外試驗所處地區(qū)基本沒有電力供應(yīng)，針對供電難以長時間滿足的問題，本文提出了一種機(jī)動式光-油綜合能源系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托可移動式方艙，通過艙頂光伏展開結(jié)構(gòu)可以很好地利用太陽能發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)，為方艙提供連續(xù)、可靠的電力供應(yīng)，可有效解決傳統(tǒng)供電模式中噪音大且需頻繁加油的缺點(diǎn)；搭配的能源系統(tǒng)可以作為獨(dú)立的電源系統(tǒng)應(yīng)用于方艙中，該系統(tǒng)不但能達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)，并且操作程序大大簡化，應(yīng)用和維護(hù)都方便許多，能夠滿足快速穩(wěn)定的供電要求，解決外場試驗中各種儀器設(shè)備的用電需求，確保任務(wù)順利完成。

1 機(jī)動式光-油綜合能源系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成介紹

機(jī)動式光-油綜合能源系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能電池系統(tǒng)、柴油機(jī)組供電系統(tǒng)和電能智能管理中樞組成，如圖1 所示，其中電能智能管理中樞負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的總體軟硬件控制，負(fù)責(zé)多能源的輸入、整合與轉(zhuǎn)化，將不同的能源輸入按照一定規(guī)則調(diào)度，使輸出達(dá)到負(fù)載所需電壓及功率。

圖1 機(jī)動式光-油綜合能源系統(tǒng)

(1)光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要采用太陽能帳篷的方式，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的太陽電池板。太陽能帳篷即在方艙的外壁涂覆上一層太陽電池材料制成的薄膜，并且太陽電池表面設(shè)有一層透明防護(hù)層，保護(hù)薄膜太陽電池不易劃傷。

(2)儲能電池系統(tǒng)

蓄電池系統(tǒng)主要由磷酸鐵鋰電池組組成，其主要作用是平時將光電儲存，在無光的情況下向負(fù)載提供電力。

(3)柴油機(jī)組供電系統(tǒng)

當(dāng)連續(xù)多日無太陽且蓄電池系統(tǒng)儲存的電能已經(jīng)無法繼續(xù)支持負(fù)載的正常工作時，可啟動備用柴油機(jī)組供電部分為負(fù)載供電。

(4)能源管理中心

能源管理中心負(fù)責(zé)能源系統(tǒng)的總體軟硬件控制，負(fù)責(zé)多能源的輸入、整合與轉(zhuǎn)化，將不同的能源輸入按照一定規(guī)則調(diào)度，使輸出達(dá)到負(fù)載所需電壓及功率。主要針對太陽能、儲能、柴油機(jī)三種能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換、管理控制，并利用這三種能源進(jìn)行電能輸出，建立光-燃-儲型離并網(wǎng)綜合微電網(wǎng)系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)基本原理

考慮避免能源損耗，滿足高效率輸出目標(biāo)，本系統(tǒng)采用380 V/50 Hz 交流耦合的技術(shù)方案，如圖2 所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，光柴儲協(xié)調(diào)運(yùn)行等控制策略簡潔容易實(shí)現(xiàn)，交流保護(hù)技術(shù)成熟，系統(tǒng)更加安全可靠。

圖2 光油綜合能源系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭D

本系統(tǒng)基本功能包括：

(1)具備光伏發(fā)電、柴油發(fā)電、電能存儲和單相/三相交流輸出功能，滿足各輸出支路獨(dú)立控制，并具備接入市電的能力，具備市電、光伏組件和柴油發(fā)電為儲能電池充電的功能。

(2)柴油發(fā)電機(jī)組由柴油發(fā)電機(jī)和連接線纜等組成。柴油發(fā)電機(jī)滿足在3 000 m 海拔穩(wěn)定有效輸出功率38.17 kW，可根據(jù)能源管理系統(tǒng)綜合調(diào)度，在儲能電池組能量不足時自啟動，為任務(wù)設(shè)備提供電源保障，也可通過能源管理系統(tǒng)為儲能電池組充電。

(3)具備監(jiān)控、保護(hù)、黑啟動、柴油機(jī)無縫投退等功能。

(4)供配電網(wǎng)絡(luò)：a)系統(tǒng)配套相應(yīng)功率的供配電網(wǎng)絡(luò)；b)供配電網(wǎng)絡(luò)各輸出支路可獨(dú)立控制，支持單相負(fù)載和三相負(fù)載接入；c)具備故障聲光告警功能，具有故障自動切斷、手動復(fù)位功能。

2 基于容錯控制的混合能量協(xié)調(diào)控制技術(shù)

2.1 電智能單元模塊化

本項目設(shè)計了一種“智能DC/DC-儲能模塊”(In‐telligent DC/DC and Battery Module,IDBM)的模塊架構(gòu)，該架構(gòu)是將DC/DC 元件、儲能電池單體分別以經(jīng)過優(yōu)化后的較小規(guī)模串聯(lián)成組，然后配置微型變流器(即通常所說的功率優(yōu)化器)，再將它們與儲能電池組并聯(lián)，利用儲能電池為DC/DC 單元提供可靠的功率輸入、輸出裝置。將DC/DC 單元、儲能電池看作一個整體，再配置一個微型變流器控制它們給負(fù)荷供電的功率，就形成了一個電源模塊的雛形。電源模塊的控制功能是通過一個微型處理器編程實(shí)現(xiàn)的，因而稱其為“智能DC/DC-儲能模塊”(簡稱電源模塊)，工作原理及結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 IDBM的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖

在IDBM 中，通過檢測DC/DC 輸入端的電壓、電流，可以計算出DC/DC 組串當(dāng)前的發(fā)電功率；通過儲能電池的電壓、電流的持續(xù)檢測和積分，可以估算儲能電池當(dāng)前的電量，即電池荷電狀態(tài)(SOC)；通過輸出側(cè)電壓、電流檢測以及系統(tǒng)級的功率調(diào)度指令，可以確定本模塊需要輸出的功率。利用這些信息，分別控制發(fā)電功率變流器、輸出功率變流器，就可以使DC/DC 模塊產(chǎn)生期望的功率Pin、使模塊輸出載荷所需要的功率Pout，同時，儲能電池的充放電功率也得到了控制。

2.2 分布式協(xié)同控制策略

分布式協(xié)同控制策略是底層控制策略，應(yīng)用到每個IDBM 模塊上。引入多智能體系統(tǒng)(multi-agent system，MAS)思想，將每個IDBM 模塊視為一個節(jié)點(diǎn)單元，各個節(jié)點(diǎn)單元之間相互協(xié)作，既要在層內(nèi)滿足發(fā)電和用電功率匹配，又要實(shí)現(xiàn)各個儲能單元之間的均衡。具體而言，本項目將每個IDBM 建模為一個智能體，對每個IDBM 設(shè)計分布式協(xié)同控制策略，使得各個IDBM 模塊僅依靠各模塊間的通訊實(shí)現(xiàn)儲能均衡，即各單元儲能電池SOC彼此相同。在實(shí)現(xiàn)均衡的同時還要滿足功率平衡的設(shè)計目標(biāo)，調(diào)節(jié)能量流動大小，保證各模塊輸出能量的總和能夠滿足負(fù)荷的需求。分布式協(xié)同控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見圖4。

圖4 分布式協(xié)同控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過對IDBM 模塊能量流分析確立一致性調(diào)節(jié)手段。

式中：Pout為IDBM 模塊輸出到母線上的功率；PPV為光伏電池產(chǎn)出的功率；PBat為儲能電池吸收的功率，PBat＞0 代表電池充電，PBat＜0 代表電池放電，因此，通過調(diào)節(jié)POM 模塊占空比即可控制IDBM 模塊能量的流動方向和大小。

當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模逐漸增大時，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)越來越多，每個IDBM 均需要將自身狀態(tài)(包括光伏發(fā)電功率、儲能系統(tǒng)核電狀態(tài)、儲能電池電壓等)通過網(wǎng)絡(luò)與周圍節(jié)點(diǎn)交互，網(wǎng)絡(luò)承載的數(shù)據(jù)負(fù)載過大，容易導(dǎo)致通訊時延、丟包等問題。為了解決網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量過大的問題，本項目采用事件觸發(fā)控制策略，僅當(dāng)每個IDBM 節(jié)點(diǎn)與預(yù)測的鄰居誤差超過某一界限時才傳輸一次數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作時，各個模塊狀態(tài)幾乎同步，僅在擾動或負(fù)荷波動作用下才導(dǎo)致狀態(tài)的輕微偏離預(yù)期軌線，因此網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流可以盡可能地降低。

2.3 容錯控制策略

能源系統(tǒng)的容錯控制方法是提高系統(tǒng)可靠性和降低風(fēng)險的重要方法。故障檢測與診斷是容錯控制的重要基礎(chǔ)，因此研究容錯控制必然涉及故障檢測與診斷技術(shù)。本項目通過研究每個IDBM 以及能源系統(tǒng)整體的可靠性問題，采用模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動相結(jié)合的故障診斷方法，并設(shè)計主、被動容錯控制策略，以規(guī)則庫為基礎(chǔ)，建立系統(tǒng)的安全運(yùn)行基準(zhǔn)，同時結(jié)合基于模型的辨識方法對系統(tǒng)未來數(shù)據(jù)可預(yù)測性質(zhì)，使故障的識別速度和精準(zhǔn)度大為提升。

本項目首先基于IDBM 模型建立分布式狀態(tài)參數(shù)估計器，并實(shí)時預(yù)測未來系統(tǒng)狀態(tài)演化，同時通過多元信息統(tǒng)計分析方法對實(shí)時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取與異常辨識，并最終確定故障狀態(tài)。

對于分布式電源系統(tǒng)故障情況下的控制問題，首先需要建立故障模型。為分析方便，在系統(tǒng)標(biāo)稱模型中引入故障因子。

其中，ρi∈[ 0,1] 為第i節(jié)點(diǎn)的故障率，表示系統(tǒng)發(fā)生故障的程度。若ρi=0 則系統(tǒng)未發(fā)生故障，此時可執(zhí)行分布式協(xié)同控制算法并對上層優(yōu)化算法很好地執(zhí)行。若ρi=1 則該IDBM 完全失去控制，對于網(wǎng)絡(luò)故障也應(yīng)歸為此類。此時系統(tǒng)檢測出故障后應(yīng)立即隔離該節(jié)點(diǎn)，防止未定義的節(jié)點(diǎn)動作影響正常節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行，導(dǎo)致故障在系統(tǒng)中蔓延，最終拖垮整個平臺。若0 ＜ρi＜1，則該節(jié)點(diǎn)部分功能喪失，但仍可以正確的趨勢執(zhí)行控制器指令。通常，對于0 ＜ρi＜1的情形，可以通過控制理論分析得出系統(tǒng)的吸引域(domain of attraction，DOA)，進(jìn)而設(shè)計被動容錯控制策略。

3 功率網(wǎng)關(guān)與電源模塊的柔性互聯(lián)技術(shù)

3.1 網(wǎng)絡(luò)化能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本項目研究一種基于電源模塊的能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在較小的規(guī)模實(shí)現(xiàn)電能輸入與電池的最佳融合與控制，再利用基本的電源模塊串并聯(lián)，構(gòu)成完整的電能源輸入與儲能系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)再與DC/DC 組成分布式可移動供能方艙車的能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，向負(fù)荷供電。基于電源模塊的分布式可移動供能方艙車電源系統(tǒng)可以采用如圖5 所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖5 電能源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖

如圖5 所示，輸入開關(guān)陣列用于調(diào)整多重能源與功率網(wǎng)關(guān)模塊的輸入對應(yīng)關(guān)系，以及各功率網(wǎng)關(guān)模塊之間的串并聯(lián)關(guān)系；高低壓直流母線用于實(shí)現(xiàn)對應(yīng)電壓等級的功率網(wǎng)關(guān)模塊輸出以及電源模塊的輸入連接；母線開關(guān)陣列用于改變電源模塊的直流母線電壓，同時用于改變模塊之間的串并聯(lián)關(guān)系；輸出開關(guān)陣列則是為了改變電源模塊的輸出串并聯(lián)關(guān)系以及所對應(yīng)的負(fù)載；儲能單元作為輸出、輸出之間的另外一個能量暫存通道，可以用來改變能量流的時空特性，并對功率網(wǎng)關(guān)和電源模塊實(shí)現(xiàn)功率解耦控制，增加了模塊控制的靈活性和可靠性。

綜上，正是由于開關(guān)陣列和多母線結(jié)構(gòu)，使得該系統(tǒng)的能量/功率流可完全由控制平臺和自身控制器來控制，實(shí)現(xiàn)了功率流與信息流的深度交互，以及電源系統(tǒng)的高度可重構(gòu)。

3.2 模塊化分布式智能互聯(lián)電能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)荷情況對能源動力子系統(tǒng)進(jìn)行配置優(yōu)化，但由于負(fù)荷變化的不確定性，尤其是要應(yīng)對大功率沖擊性負(fù)荷的功率需求，將會出現(xiàn)某個能源子系統(tǒng)的功率和能量難以滿足負(fù)荷需求、而其他子系統(tǒng)的功率或能量過剩的情況。為進(jìn)一步提高整個能源動力系統(tǒng)的安全性和可靠性，需要通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)各個子系統(tǒng)之間互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)功率和能量的有序調(diào)度。

由于各個智能電源模塊(ISM)具備功率和信息兩種對外的接口，當(dāng)ISM 連接組成系統(tǒng)時，實(shí)際上就在構(gòu)成功率回路(功率網(wǎng))的同時，構(gòu)成了一個信息網(wǎng)，也可以把功率網(wǎng)和信息網(wǎng)合稱為“可重構(gòu)子網(wǎng)絡(luò)”。每個能源子系統(tǒng)就是一個子網(wǎng)，所有的子網(wǎng)互聯(lián)就構(gòu)成了模塊化分布式智能互聯(lián)電能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

4 系統(tǒng)運(yùn)行仿真測試結(jié)果

場景設(shè)定：測試場地假定為新疆地區(qū)，屬于光伏一類地區(qū)；全年日照大約在2 550～3 500 h；夏至日照時長約為14～16 h，冬至日照大約在9 h，春秋季節(jié)日照時長約為12 h；晴天較多，且天空中云量很少，因此日照強(qiáng)度大、時間長；設(shè)備出場測試以儲能電池滿電作為初始條件。

負(fù)載供電要求：15 kW 任務(wù)設(shè)備每日工作5 h，期間其他生活用電為5 kWh；除工作時間外的19 h 按照每小時3 kWh 的用電量統(tǒng)計，共計57 kWh；因此，一天用電總需求為137 kWh。

設(shè)備裝機(jī)容量：儲能電池組90.93 kWh；光伏發(fā)電系統(tǒng)10.71 kW；柴油發(fā)電機(jī)38 kW(油箱容量120 L)。

(1)發(fā)電量計算

通過軟件仿真模擬，得出新疆地區(qū)各季節(jié)典型日的發(fā)電量曲線，通過計算得出：夏至日發(fā)電量為84.26 kWh；春分、秋分日發(fā)電量為55.12 kWh；冬至日發(fā)電量為23.13 kWh。圖6 為四季典型日光伏發(fā)電功率曲線示意圖。

圖6 四季典型日光伏發(fā)電功率曲線

(2)能量數(shù)據(jù)統(tǒng)計

綜合計算可得出各項能源數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 能量數(shù)據(jù)統(tǒng)計 kWh

柴油發(fā)電燃油消耗率為0.221 kg/kWh，考慮啟動和環(huán)境因素綜合燃油消耗率為0.28 kg/kWh，根據(jù)油箱容量配置可提供發(fā)電量428.57 kWh。

冬季考慮低溫啟動，加熱器需要消耗一部分柴油，燃油率為0.56 L/h；折算1 天加熱器合計用油量為1 L。

(3)運(yùn)行時間統(tǒng)計

因春、夏、秋季節(jié)發(fā)電量相對較高，因此在進(jìn)行外場試驗時，第一天均可以通過光伏發(fā)電量及儲能電量滿足當(dāng)天設(shè)備負(fù)載供電；在冬季外場測試時，光伏發(fā)電量和儲能電量不夠支撐當(dāng)天負(fù)載用電需求，每天均需啟動柴油發(fā)電。外場測試運(yùn)行時間，春、夏、秋、冬分別為6、9、6、4 h。

通過選用本套光-油綜合能源系統(tǒng)，在全年任何一次外場測試任務(wù)均可滿足保障3～4 天的測試需求。

5 結(jié)論

本文從傳統(tǒng)的風(fēng)光互補(bǔ)混合發(fā)電系統(tǒng)中吸取經(jīng)驗，提出了一套以移動方艙的形式作為載體的機(jī)動式光-油綜合能源系統(tǒng)，論述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行控制模式。太陽能發(fā)電是清潔的可再生能源，可以為方艙提供連續(xù)、可靠的電力供應(yīng)，可有效解決傳統(tǒng)供電模式中噪音大且需頻繁加油的缺點(diǎn)，同時也順應(yīng)國家“碳達(dá)峰，碳中和”發(fā)展的大方向，光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對自然資源的合理利用，而光油綜合系統(tǒng)的技術(shù)方案保證了系統(tǒng)的高可靠性。現(xiàn)階段已經(jīng)開展系統(tǒng)仿真、環(huán)境適應(yīng)性分析、系統(tǒng)可靠性與安全性分析等相關(guān)工作，系統(tǒng)架構(gòu)及功能設(shè)計論證充分，技術(shù)成熟度高，繼承性高，并在實(shí)際應(yīng)用中得到了檢驗。