混合儲(chǔ)能技術(shù)在船舶電網(wǎng)中的應(yīng)用

毛亞洲，俞孟蕻

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著電力電子裝置的飛速發(fā)展，船舶電力推進(jìn)逐漸顯示出其無(wú)可比擬的優(yōu)越性，電力推進(jìn)逐漸成為船舶動(dòng)力裝置的發(fā)展方向。但是隨著船舶電力推進(jìn)的應(yīng)用，船舶上的用電裝置正在不斷增加，一些較大功率的負(fù)載越來(lái)越多的出現(xiàn)在船舶上。這些大功率負(fù)載的應(yīng)用，給船舶帶來(lái)巨大便利的同時(shí)，也給船舶帶來(lái)了很大的危害。比如：在輕載狀態(tài)下，船舶電網(wǎng)的頻率和功率波動(dòng)較小。但是相比于陸地電網(wǎng)，船舶電站容量較小，電網(wǎng)輸電線短且船舶工作環(huán)境較為惡劣，當(dāng)船舶電網(wǎng)中有大功率負(fù)載變化時(shí)，就會(huì)使船舶電網(wǎng)的頻率和功率產(chǎn)生較大的波動(dòng)，這些波動(dòng)除了可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)中其他負(fù)載的運(yùn)行產(chǎn)生顯著的影響，增加原動(dòng)機(jī)的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，增加船舶燃料的消耗；還有可能造成整個(gè)船舶電網(wǎng)斷電，整個(gè)船舶無(wú)法運(yùn)行。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文創(chuàng)新性的采用能量?jī)?chǔ)存技術(shù)。這些年來(lái)，能量?jī)?chǔ)存技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了飛快的發(fā)展，特別是鋰電池和超大容量電容技術(shù)發(fā)展十分迅猛，并且已經(jīng)很好的應(yīng)用到汽車領(lǐng)域（比如特斯拉和比亞迪）。這種能量存儲(chǔ)技術(shù)同樣也適用于船舶電力系統(tǒng)，利用儲(chǔ)能裝置（超級(jí)電容和鋰電池）補(bǔ)償電網(wǎng)中能量波動(dòng)，即當(dāng)系統(tǒng)輕載時(shí)，儲(chǔ)能裝置吸收能量減小這些能量對(duì)系統(tǒng)的沖擊；當(dāng)系統(tǒng)重載或過(guò)載時(shí)，儲(chǔ)能裝置釋放能量，滿足系統(tǒng)的需求。

本文以某1 500 m作業(yè)水深鉆井船為模型，利用Matlab對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行建模，運(yùn)用粒子群算法對(duì)混合儲(chǔ)能單元容量進(jìn)行優(yōu)化，精確地控制了混合儲(chǔ)能單元的充放電，并研究了混合儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)船舶功率波動(dòng)和頻率波動(dòng)的影響。

1 船舶電站的建模

船舶電站系統(tǒng)一般由原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、附屬設(shè)備和配電板組成。柴油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱效率高、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，因而在船舶電站系統(tǒng)大部分采用柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，下面對(duì)柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行建模。

1.1 柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

當(dāng)柴油機(jī)所加負(fù)載增大時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)相應(yīng)增加，使輸入輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到新的平衡。反之，當(dāng)柴油機(jī)所加負(fù)載減小時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)相應(yīng)減小，使輸入輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到新的平衡。但是在船舶上要求柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速是一個(gè)定值，因而調(diào)速系統(tǒng)必須將轉(zhuǎn)速恢復(fù)到設(shè)定值。柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖Fig.1 Schematic diagram of speed control system in the diesel engine

根據(jù)柴油機(jī)調(diào)速器數(shù)學(xué)模型和原理框圖，用Matlab/Simulink構(gòu)建出柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。

圖2 柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型Fig.2 Simulation model of diesel engine speed regulation system

調(diào)速控制系統(tǒng)通過(guò)油門執(zhí)行器動(dòng)作，調(diào)節(jié)柴油機(jī)的噴油量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。圖2以柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速為控制對(duì)象，采用比較典型的PID控制的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。K為控制器放大系數(shù)，t1，t2，t3為控制器時(shí)間常數(shù)，t4，t5，t6為執(zhí)行器時(shí)間常數(shù)。wref（pu）為設(shè)定轉(zhuǎn)速，w（pu）為檢測(cè)模塊測(cè)得的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速。將wref（pu）和w（pu）進(jìn)行對(duì)比，接著通過(guò)調(diào)速器對(duì)柴油機(jī)速度進(jìn)行控制，最后得到機(jī)械轉(zhuǎn)矩，將得到的機(jī)械轉(zhuǎn)矩與測(cè)得的柴油機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速w（pu）相乘，就可以得到同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率pmec（pu）。同步發(fā)電機(jī)在此功率的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)

當(dāng)船舶上的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，同步發(fā)電機(jī)輸出端電壓的也隨之發(fā)生變化，偏離額定值，使得電網(wǎng)中的用電設(shè)備不能正常工作，更為嚴(yán)重的是可能導(dǎo)致船舶發(fā)電機(jī)解列、電網(wǎng)崩潰導(dǎo)致整個(gè)船舶停電。因此需要采用控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得同步發(fā)電機(jī)端電壓返回到額定的狀態(tài)。而能夠?qū)崿F(xiàn)這種功能的是同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)。勵(lì)磁系統(tǒng)的基本功能是給同步發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)繞組提供直流電流。除此之外，勵(lì)磁系統(tǒng)還能通過(guò)控制勵(lì)磁電壓控制勵(lì)磁電流，完成控制功能（電壓調(diào)節(jié)、無(wú)功功率分配和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高）和保護(hù)功能（發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)和其他設(shè)備不超過(guò)自身容量上限）。故同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是保證船舶電力系統(tǒng)具有良好工作性能的重要部分。同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型Fig.3 Simulation model of diesel engine speed regulation system

根據(jù)圖3發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)原理框圖和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用Matlab/Simulink建立同步發(fā)電機(jī)相復(fù)勵(lì)交流勵(lì)磁系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示。

在圖4中，采用一個(gè)典型PID控制的閉環(huán)反饋勵(lì)磁系統(tǒng)，補(bǔ)償器和主調(diào)節(jié)器共同構(gòu)成一個(gè)組控制回路。一個(gè)微分環(huán)節(jié)構(gòu)成了系統(tǒng)的反饋回路，該微分環(huán)節(jié)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)起到阻尼和穩(wěn)定的作用。在圖4中，交流勵(lì)磁系統(tǒng)有4個(gè)輸入量Uref，Ud，Uq，Ustab和一個(gè)輸出量Vf。Uref是同步發(fā)電機(jī)的設(shè)定電壓，Ud是同步發(fā)電機(jī)d軸上的電壓分量，Uq是同步發(fā)電機(jī)q軸上的電壓分量，Ustab是同步發(fā)電機(jī)的接地零電壓，Vf是勵(lì)磁電壓。電壓分量Ud，Uq通過(guò)d-q軸電壓與功率投影計(jì)算后通過(guò)低通濾波器的作用，產(chǎn)生一個(gè)相復(fù)勵(lì)的電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)一部分被送到主控制回路和比例飽和環(huán)節(jié)進(jìn)行處理，一部分直接送到比例飽和環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)選擇后輸出到勵(lì)磁機(jī)。

圖4 相復(fù)勵(lì)交流勵(lì)磁系統(tǒng)simulink仿真模型Fig.4 Simulink simulation model of phase compound excitation syste

2 混合儲(chǔ)能單元

2.1 混合儲(chǔ)能單元充放電電路

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容和鋰電池的充放電控制，本文采用如圖5所示的DC-DC變換器。DC-DC變換器實(shí)質(zhì)上就是BUCK-BOOST電路，也被稱為反號(hào)變換器。DC-DC變換器與經(jīng)過(guò)變頻器整流過(guò)后的直流電流直接相連。DC-DC變換器主要有IGBT、電感、二極管等原件組成，這個(gè)電路能夠使能量的雙向流動(dòng)。

圖5 DC-DC變換器Fig.5 DC-DC converter

超級(jí)電容器的充放電工作原理：當(dāng)開(kāi)關(guān)管T1導(dǎo)通，T2截止，此時(shí)電路運(yùn)行在BUCK模式下，能量通過(guò)T1和電感L1向超級(jí)電容器充電；當(dāng)開(kāi)關(guān)管T2導(dǎo)通，T1截止時(shí)，電路工作在BOOST模式下，超級(jí)電容器通過(guò)T2，L1釋放能量。特別注意的是開(kāi)關(guān)管T1和T2不能同時(shí)導(dǎo)通，一旦同時(shí)導(dǎo)通，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)生短路。對(duì)于鋰電池來(lái)說(shuō)，其充放電工作原理和超級(jí)電容器的充放電原理一樣，開(kāi)關(guān)管T3和T4也不能同時(shí)導(dǎo)通。

超級(jí)電容器和鋰電池組成的混合儲(chǔ)能單元的能量值的大小和方向是由半導(dǎo)體器件的周期決定的。當(dāng)系統(tǒng)中有大功率負(fù)載突加時(shí)，開(kāi)關(guān)管T2，T4導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管T1，T3截止，即混合儲(chǔ)能單元工作在BOOST模式下，它和同步發(fā)電機(jī)一起放電，提供負(fù)載所需要的能量，用公式表示如下：

2.2 超級(jí)電容器

超級(jí)電容器有時(shí)被稱為電雙層電容器，是一種擁有高能量密度的電化學(xué)容器。其具有高電流容量、使用壽命長(zhǎng)、溫度范圍廣、環(huán)境友好、維護(hù)保養(yǎng)容易、狀態(tài)容易監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。超級(jí)電容器能量存儲(chǔ)量由以下公式確定：

2.3 鋰電池

鋰電池是一種可逆電池，既可以放電也可以充電。主要靠鋰離子在正負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。其具有高能量密度、單體電壓高、自放電率小、輸出功率大、工作溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。單個(gè)鋰電池的端電壓可以用下列公式確定：

假設(shè)給出鋰電池的最大放電程度DOC，那么鋰電池中剩余能量的最小值為：

3 混合儲(chǔ)能單元的容量

混合儲(chǔ)能單元有超級(jí)電容器和鋰電池組合而成，而超級(jí)電容器和鋰電池具有不同的功率密度、能量密度和循環(huán)壽命。與單個(gè)超級(jí)電容器和鋰電池相比，如何通過(guò)這兩者有效組合，使系統(tǒng)獲得最佳的功率和能量密度就變得尤為重要。本文創(chuàng)新性使用粒子群算法，很好地解決了這一問(wèn)題。

3.1 目標(biāo)函數(shù)的建立

考慮到混合儲(chǔ)能單元能量準(zhǔn)確的分配、超級(jí)電容器和鋰電池操作特性互補(bǔ)、系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)狀態(tài)的優(yōu)化、系統(tǒng)功率的波動(dòng)、多余能量存儲(chǔ)時(shí)多余成本等因數(shù)，選取如下目標(biāo)函數(shù)：

3.2 船舶電力系統(tǒng)的限制條件

考慮到船舶電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，以下2個(gè)限制條件需要考慮：1）同步發(fā)電機(jī)的輸出功率限制，2）同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行功率限制。具體公式如下：

3.3 混合儲(chǔ)能單元的限制條件

考慮到整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，下面的限制條件需要考慮:

3.4 粒子群算法確定混合儲(chǔ)能單元容量

粒子群算法也稱粒子群優(yōu)化算法，是J. Kennedy和R. C. Eberhart等對(duì)鳥(niǎo)兒捕食行為的研究后提出的一種算法，其基本思想是通過(guò)群體中個(gè)體的協(xié)作和信息共享來(lái)尋找最優(yōu)解。與遺傳算法相比，粒子群算法的優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)并且沒(méi)有許多參數(shù)需要調(diào)整。粒子群算法能夠很好地解決非線性系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題，因此目前已被廣泛的應(yīng)用到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練、模糊系統(tǒng)的控制、函數(shù)的優(yōu)化等領(lǐng)域。

把超級(jí)電容器和鋰電池的數(shù)量看成一個(gè)粒子，那么基于粒子群算法的混合儲(chǔ)能單元容量?jī)?yōu)化的步驟如下：

1）根據(jù)3.1中的目標(biāo)函數(shù)和3.2中的限制條件，寫出需要優(yōu)化的函數(shù)。

2）初始化隨機(jī)生成的N個(gè)二維粒子粒子群。根據(jù)混合存儲(chǔ)單元容量的能量跨度，每個(gè)隨機(jī)粒子獲得初始值。因此第i個(gè)粒子的位置和速度可以通過(guò)下列公式獲?。?/p>

3）設(shè)每個(gè)粒子的局部最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置如下：

那么在t+1時(shí)刻，粒子的位置更新由以下公式?jīng)Q定：

粒子移動(dòng)的下一個(gè)位置，可用下式確定：

4）每一個(gè)粒子計(jì)算混合儲(chǔ)能單元的產(chǎn)生的最大功率和系統(tǒng)功率的損失率，當(dāng)達(dá)到這些要求時(shí)，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)，求出粒子的適應(yīng)度值，并將求出的適應(yīng)度值和全局最優(yōu)比較，如果效果更優(yōu)，則替換局部最優(yōu)和全局最優(yōu)值。

4 應(yīng)用實(shí)例

本文以某1 500 m作業(yè)水深鉆井船為模型，利用Matlab/Simulink搭建含有混合儲(chǔ)能單元船舶電力系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)主要模塊的主要參數(shù)如表1所示。

4.1 系統(tǒng)突加負(fù)載

圖6和圖7為未加混合儲(chǔ)能單元時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定后在5 s時(shí)突加負(fù)載，系統(tǒng)功率和頻率的曲線。

圖6 未加混合儲(chǔ)能單元時(shí)系統(tǒng)功率Fig.6 Power without energy storage unit

圖7 未加混合儲(chǔ)能單元時(shí)系統(tǒng)頻率Fig.7 Frequency without energy storage unit

圖8和圖9為加混合儲(chǔ)能單元時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定后在5 s時(shí)突加負(fù)載，系統(tǒng)功率和頻率的曲線。

通過(guò)比較圖6和圖8、圖7和圖9，可以發(fā)現(xiàn)添加混合儲(chǔ)能單元時(shí)，在系統(tǒng)突加大功率負(fù)載時(shí)，混合儲(chǔ)能單元釋放能量，這樣系統(tǒng)的功率和頻率的波動(dòng)減少。

圖8 加混合儲(chǔ)能單元時(shí)系統(tǒng)功率Fig.8 Power with energy storage unit

圖9 加混合儲(chǔ)能單元時(shí)系統(tǒng)頻率Fig.9 Frequency with energy storage unit

4.2 系統(tǒng)突卸負(fù)載

圖10和圖11為未加混合儲(chǔ)能單元時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定后在5 s時(shí)突卸負(fù)載，系統(tǒng)功率和頻率的曲線。

圖10 未加混合儲(chǔ)能單元時(shí)系統(tǒng)功率Fig.10 Power without energy storage unit

圖11 未加混合儲(chǔ)能單元時(shí)系統(tǒng)頻率Fig.11 Frequency without energy storage unit

圖12和圖13為加混合儲(chǔ)能單元時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定后在5 s時(shí)突卸負(fù)載，系統(tǒng)功率和頻率的曲線。

圖12 加混合儲(chǔ)能單元時(shí)系統(tǒng)功率Fig.12 Power with energy storage unit

圖13 加混合儲(chǔ)能單元時(shí)系統(tǒng)頻率Fig.13 Frequency with energy storage unit

通過(guò)比較圖10和圖12、圖11和圖13，可以發(fā)現(xiàn)添加混合儲(chǔ)能單元時(shí)，在系統(tǒng)突卸大功率負(fù)載時(shí)，混合儲(chǔ)能單元吸收能量，這樣系統(tǒng)的功率和頻率的波動(dòng)減小。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)船舶電力系統(tǒng)大功率負(fù)載突變，造成船舶電力系統(tǒng)波動(dòng)問(wèn)題，本文創(chuàng)新性采用混合儲(chǔ)能技術(shù)；針對(duì)混合儲(chǔ)能單元容量，本文創(chuàng)新性采用粒子群算法。運(yùn)用Matlab對(duì)系統(tǒng)船舶電力系統(tǒng)建模，仿真大功率負(fù)載的突加和突減。仿真結(jié)果表明，這種方法能夠明顯地減少系統(tǒng)的波動(dòng)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。