基于超級(jí)電容荷電狀態(tài)控制功率分配的能量管理

陶 寧， 郭 燚

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院， 上海 201306)

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基于超級(jí)電容荷電狀態(tài)控制功率分配的能量管理

陶 寧， 郭 燚

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院， 上海 201306)

基于一艘超級(jí)電容為動(dòng)力來(lái)源的全電力推進(jìn)船舶，加入燃料電池后組成混合儲(chǔ)能動(dòng)力船舶，使得不同的儲(chǔ)能元件發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，平衡復(fù)雜的負(fù)載功率波動(dòng)，延長(zhǎng)船舶續(xù)航里程，優(yōu)化能量的使用效率。超級(jí)電容和燃料電池分別以雙向半橋DC-DC變換器和Boost變換器作為媒介，與600 V直流母線連接，通過(guò)雙閉環(huán)控制策略對(duì)總線電壓和各儲(chǔ)能元件電流進(jìn)行控制；同時(shí),采用一種新型的能量管理方法，以超級(jí)電容荷電狀態(tài)為基礎(chǔ)，使得能量分配保持動(dòng)態(tài)平衡。Matlab/Simulink仿真結(jié)果表明，該方法有效地利用了各儲(chǔ)能元件的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮了超級(jí)電容平復(fù)負(fù)載波動(dòng)的作用，超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件的能量也得到充分利用。

超級(jí)電容； 燃料電池； 能量管理； 負(fù)載波動(dòng)； Simulink

船舶在實(shí)際航行中會(huì)遇到不同的狀況，如雨雪天氣，避讓其他船舶，加、減速過(guò)程等，都會(huì)使得負(fù)載的功率有很大程度的波動(dòng)。傳統(tǒng)的柴油動(dòng)力船舶為了滿足這種大功率需求，需要增加發(fā)動(dòng)機(jī)組的數(shù)量來(lái)保證充足的裕量。但是，當(dāng)船舶平穩(wěn)航行時(shí)，卻是保持較低的功率狀態(tài)，這就使能量消耗不在柴油機(jī)的最佳能耗區(qū)間，造成能源的浪費(fèi)。相較之下，混合儲(chǔ)能電力推進(jìn)技術(shù)很好地解決了這一難題。電力推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)在于機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，可以應(yīng)對(duì)不同負(fù)載變化，且儲(chǔ)能元件布局靈活，運(yùn)行噪聲低，安全性能也更有保障，尤其是在城市環(huán)境中使用的船舶，對(duì)于溫室氣體排放有限制要求。因此，混合儲(chǔ)能電力推進(jìn)技術(shù)取代傳統(tǒng)柴油機(jī)動(dòng)力將是未來(lái)的趨勢(shì)[1]。

依托于新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)于混合儲(chǔ)能動(dòng)力船舶的研究已取得了一些成果。早在2000年，澳大利亞研發(fā)出世界上第一艘商用太陽(yáng)能/風(fēng)能混合動(dòng)力“Solar Sailer”號(hào)雙體輪渡客船；2008年，德國(guó)Proton Power System 公司研發(fā)的混合動(dòng)力船舶“Alsterwasser”采用超級(jí)電容、鋰電池和燃料電池作為動(dòng)力來(lái)源，配合能量管理系統(tǒng)工作[2]。在國(guó)內(nèi)，2010年的上海世博會(huì)上，由我國(guó)自主研發(fā)的“尚德國(guó)盛”號(hào)參加展覽，該船使用柴油機(jī)組、鋰電池和太陽(yáng)能混合動(dòng)力，是我國(guó)第一艘使用太陽(yáng)能的混合動(dòng)力船舶[3]。對(duì)于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，文獻(xiàn)[4]中闡述了燃料電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，以超級(jí)電容為備用能源，總線電壓作為約束條件。文獻(xiàn)[5]中闡述了混合儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)，分別舉了燃料電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能、燃料電池與鋰電池混合儲(chǔ)能在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用。文獻(xiàn)[6]中以模糊控制理論為基礎(chǔ)，研究了對(duì)超級(jí)電容、鋰電池和燃料電池混合儲(chǔ)能的能量管理。由此可見(jiàn)，關(guān)于混合儲(chǔ)能在電動(dòng)汽車(chē)與家庭微電網(wǎng)中的應(yīng)用已十分廣泛。

目前，對(duì)于船舶混合儲(chǔ)能的能量管理研究還處于初級(jí)階段，本文以位于法國(guó)Lorient市的超級(jí)電容輪渡Vag Ar Treden為研究對(duì)象,主要研究混合儲(chǔ)能在船舶上的應(yīng)用；本文設(shè)計(jì)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與汽車(chē)以及微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)相似，因此，在設(shè)計(jì)中很具有借鑒意義；同時(shí)，在船舶中加入其他儲(chǔ)能元件組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，進(jìn)行相應(yīng)的能量管理，平復(fù)負(fù)載功率的波動(dòng)。

1 儲(chǔ)能元件選擇

位于法國(guó)Lorient市的超級(jí)電容輪渡Vag Ar Treden，制造商為STX France Lorient，2013年投入使用，外觀如圖1所示。該輪渡最大的特點(diǎn)是儲(chǔ)能單元僅由超級(jí)電容構(gòu)成，是一艘純電力推進(jìn)船舶[7]。

圖1 Vag Ar Treden外觀圖

圖2為該輪渡航行的路線圖以及航程中的功率特性曲線。該輪渡每次往返需要充電一次，每天航行往返35次;從港口R處完成充電后出發(fā)，反復(fù)經(jīng)過(guò)階段1和2，到達(dá)港口A后，重新載客再以同樣的方式返回港口R。由圖2(b)可見(jiàn)，當(dāng)功率P<0時(shí)，表示渡輪正在航行過(guò)程中，超級(jí)電容放電；當(dāng)P>0時(shí)，表示渡輪在港口R?？浚?jí)電容在充電[8]。

(a)航行路線圖(b)功率特性曲線

圖2 輪渡的航行路線圖與功率特性曲線

Fig.2 Sailing route and power profile of the ferry

Vag Ar Treden每次的航行路線較短，且每次往返均需充電，表明該輪渡航行的機(jī)動(dòng)性較差，當(dāng)遇到惡劣天氣或執(zhí)行特殊任務(wù)、需要增加航行里程時(shí)，負(fù)載需要額外提供能量；此時(shí)，若以簡(jiǎn)單地增加超級(jí)電容模組的方式提供能量，不僅輪渡本身的空間無(wú)法承載較大的超級(jí)電容模組，且超級(jí)電容價(jià)格昂貴，成本上會(huì)有更大負(fù)擔(dān)。因此,本文考慮以超級(jí)電容為輔助能源，加入其他儲(chǔ)能元件，組成混合儲(chǔ)能動(dòng)力系統(tǒng)。目前市場(chǎng)上的新能源材料很多，如鋰電池、燃料電池、飛輪儲(chǔ)能、鉛酸電池等。圖3給出了各儲(chǔ)能元件的能量與功率對(duì)比曲線。

圖3 儲(chǔ)能元件性能比較

由圖可見(jiàn)，超級(jí)電容的功率密度較高，能量密度卻很低。因此，考慮加入的儲(chǔ)能單元的能量密度應(yīng)較高，以彌補(bǔ)超級(jí)電容在能量密度上的短板。圖3中，鋰電池的功率密度和能量密度特性都介于燃料電池與超級(jí)電容之間，從能量密度角度考慮，燃料電池的能量密度明顯高于鋰電池，幾乎高出2個(gè)數(shù)量級(jí)；從功率密度角度考慮，鋰電池的功率密度高于燃料電池。由于該輪渡中的超級(jí)電容本身就擁有極高的功率密度，已經(jīng)完全可以滿足系統(tǒng)對(duì)功率密度的要求，因此，燃料電池作為混合儲(chǔ)能元件更為合適。同時(shí)，燃料電池轉(zhuǎn)換效率高，在額定功率下效率高達(dá)60%，而且產(chǎn)物只有水，沒(méi)有溫室氣體排放[9]。因此，本文選擇加入燃料電池，與超級(jí)電容組成混合儲(chǔ)能動(dòng)力系統(tǒng)。

文獻(xiàn)[9]中研究了燃料電池和超級(jí)電容搭配構(gòu)成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用。超級(jí)電容的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度遠(yuǎn)快于燃料電池，當(dāng)船舶處于加速或減速過(guò)程中，負(fù)載功率需求發(fā)生突變，此時(shí),超級(jí)電容將承擔(dān)起負(fù)載功率中的高頻分量的部分，燃料電池負(fù)責(zé)低頻分量的部分。

3 混合儲(chǔ)能動(dòng)力系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4所示為超級(jí)電容與燃料電池組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)總線電壓為600 V，燃料電池通過(guò)Boost變換器與母線連接，超級(jí)電容通過(guò)雙向半橋DC/DC變換器與母線連接，負(fù)載則通過(guò)逆變器與母線連接。

圖4 混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本文設(shè)計(jì)由超級(jí)電容與燃料電池組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，與家庭微電網(wǎng)以及新能源汽車(chē)的設(shè)計(jì)類似，通過(guò)精確控制變換器，實(shí)現(xiàn)能量交換。系統(tǒng)中的能量交換模式主要有以下3種[11]：

(1) 系統(tǒng)過(guò)載時(shí)，燃料電池與超級(jí)電容共同提供負(fù)載所需要的能量，即

PFC+PSC=PL

(1)

式中，PFC為燃料電池功率;PSC為超級(jí)電容功率;PL為負(fù)載功率。

(2) 系統(tǒng)輕載時(shí)，燃料電池提供負(fù)載所需能量，且為超級(jí)電容充電，即

PFC=PL+PSC

(2)

(3) 負(fù)載回饋制動(dòng)時(shí)，回饋的能量由超級(jí)電容吸收，即

PL+PSC=0

(3)

當(dāng)PSC>0，超級(jí)電容放電；PSC<0，超級(jí)電容被充電。

3.2 DC/DC變換器

超級(jí)電容與直流母線通過(guò)雙向半橋DC/DC變換器(見(jiàn)圖5)連接，實(shí)現(xiàn)充、放電功能。燃料電池與母線通過(guò)Boost變換器(見(jiàn)圖6)連接，使得燃料電池將能量傳輸給直流母線。雙向半橋DC/DC變換器和Boost變換器的模型搭建需要確定其中低通濾波器的參數(shù)，再根據(jù)參數(shù)在Matlab中搭建相關(guān)模型，其中,電容C并聯(lián)在直流母線之間，兩個(gè)直流變換器共用一個(gè)電容器。

圖5 雙向半橋DC/DC變換器

圖6 Boost變換器

本文中,變換器參數(shù)的確定建立在其所有元器件都是理想狀態(tài)的條件下，不包含任何形式的能量損失，故可計(jì)算得到變換器中電感與電容值分別為[12]

(4)

(5)

ΔUbus=0.05Ubus

(6)

式中，Uin為輸入端電壓;Uo為輸出端電壓;P0為最大負(fù)載功率;開(kāi)關(guān)頻率fs=10 kHz;IL為電感電流;Ubus為母線電壓;ΔUbus為母線電壓波動(dòng)的數(shù)值。

根據(jù)超級(jí)電容端電壓USC和燃料電池端電壓UFC以及Ubus才能計(jì)算出所需低通濾波器參數(shù)的大小，其中混合儲(chǔ)能系統(tǒng)具體參數(shù)如表1所示；超級(jí)電容在港口R處充電功率為200 kW。

2個(gè)變換器中的低通濾波器共用1個(gè)電容，電容連接在母線之間。由表1的數(shù)值，結(jié)合式(4)～(6)，可計(jì)算得到直流變換器中低通濾波器的參數(shù)值，如表2所示。表中，LBoost為燃料電池端Boost變換器電感；Lbidi為超級(jí)電容端雙向半橋DC/DC變換器電感；Cbus為并聯(lián)在母線中間共用的電容。

表1 給定參數(shù)

表2 變換器參數(shù)

4 控制參數(shù)

4.1 控制原理介紹

負(fù)載功率的波動(dòng)將導(dǎo)致直流母線電壓的波動(dòng)，當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，直流母線電壓降低；反之，直流母線電壓則回升。本文采取超級(jí)電容雙閉環(huán)控制策略，通過(guò)控制直流母線電壓間接地平復(fù)母線電壓的波動(dòng)[13]。雙閉環(huán)控制原理圖如圖7所示。圖中，IFC和IFC_ref為燃料電池電流測(cè)量值和參考值；ISC和ISC_ref為超級(jí)電容電流的測(cè)量值和參考值，Ubus_ref為母線電壓參考值。Ubus_ref=600 V，與實(shí)時(shí)反饋的直流母線電壓進(jìn)行做差比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后輸出作為電流環(huán)參考值，再利用PWM技術(shù)控制開(kāi)關(guān)的通斷，以達(dá)到對(duì)儲(chǔ)能元件功率精確控制的目的。

圖7 雙閉環(huán)控制策略

4.2 PI參數(shù)確認(rèn)

雙閉環(huán)控制策略中包含了3個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)中阻尼比ξ是系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[4]。在欠阻尼情況下(0<ξ<1),閉環(huán)控制系統(tǒng)有超調(diào)量，通常阻尼比ξ=0.4～0.8;若ξ=1，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)無(wú)超調(diào)。開(kāi)關(guān)頻率fs取值一般為10～20 kHz;轉(zhuǎn)折頻率為

ωC≤2πfs/50

(7)

本文設(shè)ωC=200 Hz，ξ=0.7。由文獻(xiàn)[14]中可知，PI環(huán)節(jié)的加入不改變系統(tǒng)的自然頻率，但可增大系統(tǒng)的ξ，使得階躍響應(yīng)的超調(diào)量下降，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，且不影響穩(wěn)態(tài)誤差以及系統(tǒng)自然頻率。PI的參數(shù)設(shè)定可以簡(jiǎn)要?dú)w納為[14]

信息技術(shù)發(fā)展快、更新快，由于缺乏既懂農(nóng)業(yè)信息化，又懂農(nóng)業(yè)技術(shù)的專業(yè)人才，先進(jìn)信息技術(shù)難以在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，技術(shù)服務(wù)也跟不上群眾需求。貧困戶文化水平低，先進(jìn)信息技術(shù)接受能力弱。

kP=2ξωCL

(8)

(9)

由此可計(jì)算出PI的參數(shù)如表3所示。

表3 PI環(huán)節(jié)參數(shù)確定

需要注意的是，對(duì)于超級(jí)電容電流環(huán)而言，其ωC應(yīng)較直流母線電壓環(huán)縮小10倍，即

ωv=ωC/10=20 Hz

其中，ωv為超級(jí)電容內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)折頻率。

5 新型能量管理策略(EMS)

本文利用Matlab 2015b進(jìn)行仿真研究。考慮到系統(tǒng)仿真的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，燃料電池和超級(jí)電容元件直接從電力電子模型庫(kù)SimPowerSystem中選擇，模塊中可以針對(duì)燃料電池的額定電壓、額定電流、層數(shù)等重要參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。變換器模型以及PI控制環(huán)節(jié)的模型將使用本文搭建的模型來(lái)進(jìn)行構(gòu)建。

5.1 SOC限定功率策略

能量管理的目的是確保超級(jí)電容和燃料電池的功率合理分配，以兩種儲(chǔ)能元件的優(yōu)勢(shì)來(lái)滿足負(fù)載功率變化。

式中，ESC為超級(jí)電容中包含的能量；UC為超級(jí)電容現(xiàn)有的電壓；iSC為通過(guò)超級(jí)電容的電流；CSC為超級(jí)電容的電容值。

超級(jí)電容的荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)為

式中，UCb、UCM分別為超級(jí)電容的測(cè)量電壓和額定電壓。

為了避免超級(jí)電容過(guò)充、過(guò)放，其充滿電的電壓值應(yīng)與額定電壓相當(dāng)，放電的最低值應(yīng)約為總電量的30%[15]，這樣才能保證其在穩(wěn)定的環(huán)境中使用。本文設(shè)定超級(jí)電容的SOC為0.25～1，當(dāng)SOC降到最低點(diǎn)0.25時(shí)，由燃料電池提供全部負(fù)載所需要的能量，而當(dāng)SOC=1時(shí)，則以超級(jí)電容的能量?jī)?yōu)先使用。

文獻(xiàn)[16]中運(yùn)用模糊控制策略對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行能量管理。該模糊控制策略根據(jù)負(fù)載功率需求和超級(jí)電容的SOC值強(qiáng)行規(guī)定燃料電池的功率大??；缺點(diǎn)是燃料電池功率依然受到負(fù)載功率的牽制，當(dāng)負(fù)載功率突變時(shí)，燃料電池同樣要承擔(dān)較大的功率波動(dòng)，這與其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢的特性是相違背的。本文借鑒文獻(xiàn)[16]中的方法，提出了一種新型的能量管理策略：不考慮負(fù)載功率PL的變化，只考慮超級(jí)電容SOC值與燃料電池功率PFC之間的比例關(guān)系。由于SOC總是緩慢變化的，設(shè)計(jì)PFC與SOC成反比，這樣保證了PFC不會(huì)發(fā)生突變。其設(shè)計(jì)思路是以超級(jí)電容提供PL為基礎(chǔ)，PFC以反比的形式與超級(jí)電容SOC值掛鉤，以避免PFC與PL之間有任何聯(lián)系，燃料電池只需要根據(jù)超級(jí)電容的SOC值提供能量。SOC模塊設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 SOC模塊設(shè)計(jì)

Fig.8 Design of SOC block

圖8中，SOC_max=1，為滿充時(shí)的超級(jí)電容SOC值；K為能量系數(shù)，為限制PFC達(dá)到最大值而設(shè)定。

本文設(shè)定SOC為0.25～1，燃料電池功率最大值PFC_max=64.5 kW。

當(dāng)超級(jí)電容SOC=0.25時(shí)，根據(jù)負(fù)載功率動(dòng)態(tài)特性曲線，負(fù)載最大需求功率為64.5 kW，故可設(shè)定燃料電池可提供的最大負(fù)載功率為64.5 kW，此時(shí)若負(fù)載為滿載，則所有的功率將由燃料電池提供，即PFC=PL，超級(jí)電容不放電；若此時(shí)負(fù)載不是滿載，則燃料電池除了給為負(fù)載提供能量外，還要為超級(jí)電容充電。此時(shí)，隨著SOC的增加，PFC隨之減小，而超級(jí)電容參與放電的比例也隨之提高。

當(dāng)超級(jí)電容SOC=1時(shí)，則PFC的數(shù)值與K相當(dāng)，即由超級(jí)電容為負(fù)載提供絕大部分的能量，隨著SOC降低，PFC隨之升高。當(dāng)SOC=0.25時(shí)，PFC=64.5 kW，滿足負(fù)載最大功率需求，此時(shí)完全由燃料電池為負(fù)載提供能量，超級(jí)電容不需要放電。故

可計(jì)算得到

K=64 500/4=16 125

圖9所示為基于超級(jí)電容SOC控制功率分配的能量管理策略。該模塊(見(jiàn)圖左側(cè))通過(guò)一個(gè)低通濾波器，配合雙閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行能量管理。超級(jí)電容SOC控制燃料電池功率策略的思路是使超級(jí)電容也能夠利用其既有電量,當(dāng)SOC很高時(shí)，則由超級(jí)電容作為主要能源提供負(fù)載功率，而燃料電池承擔(dān)少部分功率；當(dāng)SOC很低時(shí)，則由燃料電池承擔(dān)主要負(fù)載功率，超級(jí)電容不放電。SOC與PFC呈相反趨勢(shì)發(fā)展，SOC的變化必然是緩慢的，這樣PFC增加的速度也必然緩慢，工作狀態(tài)正好符合了燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢的特性。

圖9 基于超級(jí)電容SOC控制功率分配的能量管理策略

Fig.9 Energy management for SOC of supercapacitor control power distribution

5.2 混合儲(chǔ)能動(dòng)力系統(tǒng)仿真分析

為驗(yàn)證本文研究的混合儲(chǔ)能動(dòng)力系統(tǒng)的可行性與有效性，利用Matlab 2015b軟件進(jìn)行仿真研究。圖10給出混合儲(chǔ)能動(dòng)力系統(tǒng)的仿真模型，其中方框部分為超級(jí)電容SOC控制功率分配模塊。

圖10 混合儲(chǔ)能動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型

Fig.10 Hybrid source powertrain model simulation

本文設(shè)定儲(chǔ)能元件仿真參數(shù)如表4所示，低通濾波器的參數(shù)與PI環(huán)節(jié)參數(shù)見(jiàn)表2、3。

仿真實(shí)驗(yàn)以負(fù)載功率特性曲線作為輸入信號(hào)，為分析混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效性，本文中將混合儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真結(jié)果與單一的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行比較，圖11所示為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)各儲(chǔ)能元件與以超級(jí)電容為單一儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率特性曲線比較。

表4 儲(chǔ)能元件仿真參數(shù)

(a) 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)各儲(chǔ)能元件

圖11 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)各儲(chǔ)能元件與以單一儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率特性曲線

Fig.11 Hybrid source power profile compared with single source power profile

由圖11可見(jiàn)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，超級(jí)電容不僅承擔(dān)了高頻分量的功率，且在負(fù)載高功率狀態(tài)下也承擔(dān)了相當(dāng)一部分的低頻功率，而燃料電池功率保持平緩的變化。當(dāng)超級(jí)電容作為單一儲(chǔ)能系統(tǒng)工作時(shí)，其功率特性曲線幾乎跟隨負(fù)載功率變化，這與超級(jí)電容動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快的特性是相吻合的。

圖12所示為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)與單一儲(chǔ)能系統(tǒng)的超級(jí)電容SOC曲線比較。由圖可見(jiàn)，采用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)后，超級(jí)電容SOC在航行結(jié)束時(shí)仍保持在0.55左右，這是由于在航行中期接受了燃料電池充電的緣故。從SOC的角度出發(fā)，只要燃料足夠，船舶的航行距離可以得到相當(dāng)程度的提高。

圖13所示為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)與單一儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件電壓比較。由圖可見(jiàn)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)超級(jí)電容的電壓下降明顯，這說(shuō)明超級(jí)電容不僅承擔(dān)了

圖12 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)與以超級(jí)電容為單一儲(chǔ)能系統(tǒng)的超級(jí)電容SOC曲線變化比較

Fig.12 Behavior of supercapacitor SOC with hybrid source and single source system respectively

平復(fù)負(fù)載波動(dòng)的作用，同時(shí)也承擔(dān)了大量的負(fù)載能量供應(yīng)；但是，與單一儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，電壓并沒(méi)有下降至最低，這是由于在中期接受了燃料電池的充電，與超級(jí)電容的SOC數(shù)值表現(xiàn)保持一致。

圖14所示為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能元件與單一儲(chǔ)能系統(tǒng)的電流比較。由圖14(a)可見(jiàn)，燃料電池的電流波動(dòng)不大，這與圖11(a)中的功率波動(dòng)比較一致；而超級(jí)電容的電容波動(dòng)較大，但由于采用SOC控制功率分配的策略，將電流峰值很好地控制在150 A以內(nèi)；而超級(jí)電容作為單一的儲(chǔ)能元件時(shí)，電流隨著電壓的下降而發(fā)生劇烈波動(dòng)，峰值接近400 A。

(a) 混合儲(chǔ)能元件電壓

圖13 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能元件與單一儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓比較

Fig.13 Voltage behavior with hybrid source and single source system respectively

(a) 混合儲(chǔ)能元件電流

(b) 單一儲(chǔ)能的電流

圖14 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能元件與單一儲(chǔ)能系統(tǒng)電流比較

Fig.14 Current behavior with hybrid source and single source system respectively

6 結(jié) 語(yǔ)

本文以超級(jí)電容輪渡Vag Ar Treden為研究對(duì)象，研究混合儲(chǔ)能在船舶上的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種新型的基于超級(jí)電容SOC控制功率分配策略。該策略設(shè)定了SOC與燃料電池功率的關(guān)系，使得超級(jí)電容和燃料電池組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)給負(fù)載提供能量。超級(jí)電容作為唯一儲(chǔ)能元件，在加入新的儲(chǔ)能元件后，保證既平復(fù)了負(fù)載波動(dòng)，又可充分利用其既有能量?；诔?jí)電容SOC控制功率分配策略以超級(jí)電容電荷狀態(tài)為基礎(chǔ),較好地解決了能量分配的動(dòng)態(tài)平衡。

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Energy Management Based on Power Distribution Control with Supercapacitor State of Charge

TAO Ning， GUO Yi

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

This paper consider a full electric propulsion ship using pure supercapacitor as the powertrain, combined with fuel cell consisting of a hybrid source storage. The aim is to let each part of the storages make full use of its strengths, balance power fluctuation, extend mileage, and optimize the energy utilization rate. The supercapacitor and the fuel cell are connected to a 600V DC bus with a half-bridge DC-DC converter and a boost converter respectively. The bus voltage and the current of each energy storage are controlled with a double closed-loop control strategy. Meanwhile, an energy management method, based on the state of charge (SOC) of supercapacitor, dynamic balance of energy distribution is maintained. Results of Matlab/Simulink simulation show that the method can make full advantage of each energy storage, keep the load fluctuation flat. The supercapacitor is also used as energy storage.

supercapacitor; fuel cell; energy management; load power ripple; PI controller

2017 -03 -25

陶 寧(1990-)，男，碩士生,主要研究方向?yàn)樾履茉磧?chǔ)能,E-mail:53826975@qq.com

2095 - 0020(2017)03 -0147 - 08

U 665.12； TM 714

A