太陽能游船電力系統(tǒng)能量管理控制策略

于金良，俞萬能

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門361021)

太陽能游船電力系統(tǒng)能量管理控制策略

于金良，俞萬能

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門361021)

針對太陽能游船電力推進(jìn)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究基于雙能量源不同工作狀態(tài)下的能量管理控制策略，并進(jìn)行Simulink仿真．仿真結(jié)果驗證了該控制策略能有效地分配雙能量源之間的功率，實現(xiàn)太陽能利用的最大化，從而提升游船的續(xù)航能力．

多能源;游船;能量管理;Simulink

0 引言

太陽能的應(yīng)用有著很長的歷史，近些年來，光伏發(fā)電技術(shù)越來越成熟，風(fēng)光互補(bǔ)、光伏并網(wǎng)發(fā)電等課題給人類的新能源之路指明了方向．如何用太陽能直接驅(qū)動交通工具，為解決石油危機(jī)提供了行之有效的思路．但是，太陽能光伏陣列發(fā)出的電能受到氣候條件和環(huán)境因素的影響［1］，具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，因此當(dāng)其容量達(dá)到一定的等級，或者系統(tǒng)中存在儲能和其他發(fā)電單元時，需要采用一定的能量管理策略對系統(tǒng)的能量流進(jìn)行監(jiān)控和管理，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部各個發(fā)電單元、儲能單元及其與電網(wǎng)之間的能量流動的方向和幅值，以提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性［2－3］．

電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是直流變換器的發(fā)展，使太陽能供電得到有效穩(wěn)定的控制［4－5］．因此，在船舶電力推進(jìn)日益受到重視的環(huán)境下，結(jié)合目前對于分布式發(fā)電系統(tǒng)能量管理技術(shù)的研究成果［6］，本文提出一種太陽能游覽船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，研究適合太陽能游覽船舶多能量源管理策略，并根據(jù)游艇的工作模式提出了基于工況的能量管理策略及控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖．本論文只是研究過程中前期方案，其實驗平臺正在搭建過程中．

1 太陽能游船電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船舶電力系統(tǒng)是由船舶電源裝置、配電裝置、船舶電網(wǎng)和電力負(fù)載按一定方式連接的整體，是船上電能產(chǎn)生、傳輸、分配和消耗等全部裝置和網(wǎng)絡(luò)的總稱．為了使太陽能游覽船舶具有更好的動力性能和經(jīng)濟(jì)性能，提出電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示．

本設(shè)計系統(tǒng)的電源裝置主要由太陽能電池板、蓄電池組以及直流變換器組成;配電裝置主要由能源管理裝置、各種操作指示儀表及逆變器組成，負(fù)載主要有推進(jìn)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及其他用電設(shè)備．圖1中，雙能量源之間的聯(lián)結(jié)有并聯(lián)和串聯(lián)兩種方式，可以隨著工況而改變，這明顯區(qū)別于當(dāng)下采用雙能量源串聯(lián)工作的聯(lián)結(jié)方式．采用這種結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)控制的靈活性，便于進(jìn)行高效的能量管理．

圖1 太陽能游船電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System configuration of distributed generation

2 太陽能游覽船舶能源控制策略分析

常規(guī)的能量管理策略是簡單地設(shè)置一系列靜態(tài)閾值，將每個能量源的運行區(qū)間限制在一定的范圍內(nèi)．事實上在游船工作時，各參數(shù)之間存在相互影響，必須合理調(diào)整這些閾值或參數(shù)才能較好地滿足能量效率和整船性能要求．本文的能量管理策略是基于游船實際運行工作狀況而提出的，首先光伏發(fā)電供應(yīng)負(fù)荷，并為蓄電池充電，光伏發(fā)電供給不足時，結(jié)合推進(jìn)功率預(yù)測量、蓄電池容量等狀態(tài)，優(yōu)化使用蓄電池的電力供給．因此，本系統(tǒng)基本的供電規(guī)劃策略:1)太陽能的發(fā)電裝置能夠滿足主要的用電負(fù)荷;2)蓄電池組儲備太陽能裝置發(fā)出的多余電力進(jìn)行電力調(diào)度;3)蓄電池組充滿時，太陽能裝置退出MPPT(Maximum Power Point Tracking即最大功率跟蹤)模式，采用穩(wěn)壓控制模式，減輕系統(tǒng)應(yīng)力，延長設(shè)備使用壽命;4)太陽能裝置無法滿足負(fù)荷時，與蓄電池組聯(lián)合供電;5)電力系統(tǒng)無法滿足負(fù)荷時，自動降低負(fù)載，限制輸出功率并發(fā)出報警信號．

采用圖1所示的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，通過控制直流變換器的工作方式來控制能量調(diào)度，從而充分利用太陽能，較之目前普遍采用的多能量源串聯(lián)工作模式，本系統(tǒng)可以提高太陽能游船的續(xù)航力．

3 仿真與分析

利用Simulink仿真軟件，建立太陽能電源模塊，然后分別建立單向和雙向DC/DC變換器模塊并且根據(jù)提出的能量控制策略建立各自的信號控制模塊，最后按照太陽能游船的系統(tǒng)架構(gòu)建立完整的仿真模型．

根據(jù)供電規(guī)劃，基于各能量源的工作狀態(tài)，筆者提出5種工作模式的仿真來驗證供電規(guī)劃的可行性，包括推進(jìn)加充電模式、推進(jìn)模式、推進(jìn)加蓄電池放電模式、充電模式、蓄電池放電模式．各種工作模式在實船上隨著工況而改變．根據(jù)太陽能充足與否，結(jié)合蓄電池進(jìn)行能量調(diào)度來滿足游船正常工作的要求．各種模式仿真時通過設(shè)定太陽能電源模塊的輸出功率和相應(yīng)的控制信號來實現(xiàn)系統(tǒng)能量的合理調(diào)度．

仿真數(shù)據(jù)的設(shè)定是參照實驗室現(xiàn)有能源規(guī)模以及太陽電池板參數(shù)進(jìn)行設(shè)定的，最大負(fù)載設(shè)定為3 kW，太陽能最大輸出功率為5.2 kW，仿真時長為1 s，仿真步長為可變步長，其仿真結(jié)構(gòu)圖如圖2所示．其對應(yīng)的仿真曲線如下圖3、圖4所示．根據(jù)這些仿真曲線穩(wěn)定時的數(shù)據(jù)分析繪制表1．

圖2 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System Simulation Chart

表1 仿真數(shù)據(jù)分析Tab.1 Simulation data analysis

從表1中數(shù)據(jù)可以看到:在負(fù)載功率恒定的情況下，能量管理策略是:首先最大限度的利用太陽能供電，然后結(jié)合蓄電池狀況進(jìn)行電能調(diào)度．蓄電池處于充電還是放電的狀態(tài)取決于當(dāng)前太陽能供電狀況和負(fù)載功率需求狀況．

4 結(jié)論

本文將太陽能電池板和蓄電池聯(lián)合建模，構(gòu)建了基于新能源的太陽能游覽船電力系統(tǒng)能量管理仿真模型．該模型可以進(jìn)行太陽能獨立向負(fù)載供電仿真、太陽能和蓄電池共同向負(fù)載供電仿真、蓄電池獨立向負(fù)載供電仿真以及太陽能向蓄電池充電仿真．本文分別列出了5種基于工況的工作模式下的仿真功率曲線和各能量源的電流曲線，仿真結(jié)果證實了控制策略的可行性．通過仿真數(shù)據(jù)的分析可以預(yù)測太陽能游覽船電力系統(tǒng)的功率分配及電流電壓的大致曲線，為實際設(shè)計及后續(xù)實驗平臺的搭建提供參考．

圖3 各模式下功率分配曲線Fig.3 Pover splitting curve

圖4 各模式下電流分配曲線Fig.4 Current splitting curve

［1］湯強(qiáng)，薛太林．基于Matlab/Simulink的光伏組件建模仿真 ［J］．通信電源技術(shù)，2011(1):38-39．

［2］王長江．基于MATLAB的光伏電池通用數(shù)學(xué)模型［J］．電力科學(xué)與工程，2009(4):11-13．

［3］周德佳．基于仿真模型的太陽能光伏電池陣列特性的分析 ［J］．清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，47(7):1109-1112．

［4］張犁．12V/－250V DC/DC變換器研制 ［C］ //航空電源航空科技重點實驗室學(xué)術(shù)年會 (APSCM，2007)論文集．南京:南京航空航天大學(xué)出版社，2007:111-114．

［5］代媛媛，賈新章，王少熙．MOSFET和IGBT器件在開關(guān)電源中的一種應(yīng)用方法及其仿真 ［J］．電子器件，2006(9):739-744．

［6］嚴(yán)仰光．雙向直流變換器［M］．南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2004:15-80．

(責(zé)任編輯 陳 敏 英文審校 陳扼西)

The Energy Control Strategy on Power System of Solar Boat

YU Jin-liang，YU Wan-neng
(Marine Engineering Institute，Jimei University，Xiamen 361021，China)

An electric propulsion topology structure was proposed．A power management strategy based on different operating modes of the dual-energy sources was researched and simulated with SIMULINK．The distribution of power between dual-energy sources with the proposed power management strategy was proved to be effective by simulation results．A maximized utilization of solar energy was realized and the cruise capacity of solar boat was therefore enhanced．

multi-energy;solar boat;energy control;Simulink

TM 712

A

1007－7405(2012)05－0374－05

2011－12－13

2012－04－20

廈門市科技項目 (3502Z20103021);福建省科技重點項目 (2012D035)

于金良 (1987—)，男，碩士生，從事船舶新能源應(yīng)用及其仿真研究．通訊作者:俞萬能 (1970—)，男，副教授，博士，從事船舶電氣自動化研究．E-mail:wnyu2007@jmu.edu.cn;ywn_post1@126.com．