太陽能游船電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究與改進(jìn)

紀(jì)厚芝，俞萬能，李素文

?

太陽能游船電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究與改進(jìn)

紀(jì)厚芝，俞萬能，李素文

（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

在某種在運(yùn)營太陽能游船中，時(shí)而會(huì)出現(xiàn)控制器重啟，繼而導(dǎo)致全船停電的故障，影響船舶運(yùn)行的安全性。針對(duì)這一現(xiàn)象，在分析該船舶現(xiàn)有電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)分析模型，應(yīng)用MATLAB進(jìn)行仿真研究，得出系統(tǒng)出現(xiàn)故障的問題關(guān)鍵。設(shè)計(jì)了一種更為完善的電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)船應(yīng)用說明該系統(tǒng)具有更高穩(wěn)定性和可靠性。

太陽能游船 電力系統(tǒng) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 改進(jìn)

0 引言

隨著旅游經(jīng)濟(jì)、水上旅游的發(fā)展，游覽船舶需求量不斷增加。但面對(duì)日益突出的環(huán)境和污染問題，傳統(tǒng)的游覽船舶會(huì)對(duì)景區(qū)生態(tài)造成一定的破壞，不利于可持續(xù)發(fā)展。解決這一問題的方法就是采用新能源船舶，目前新能源船舶普遍采用太陽能[1-3]。太陽能游船電力系統(tǒng)主要由太陽能電池板，鋰電池，電池管理系統(tǒng)，能量管理控制系統(tǒng)組成，而各部分的組成匹配就成關(guān)鍵問題[4]。一旦拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及匹配不合理就會(huì)出現(xiàn)整條船電壓不穩(wěn)，甚至電力中斷，這嚴(yán)重影響船舶的舒適性及航行安全。如在一種運(yùn)營的太陽能游船中，由于鋰電池充電器、控制柜及PLC控制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致PLC偶爾會(huì)出現(xiàn)重啟，繼而導(dǎo)致整條船電力系統(tǒng)出現(xiàn)短暫斷電的情況。本文根據(jù)該船的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析現(xiàn)有系統(tǒng)的組成原理，并建立系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行仿真研究，得出系統(tǒng)出現(xiàn)故障的問題關(guān)鍵。針對(duì)存在的問題，提出一種更為完善的電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，保證游覽船舶的舒適性及航行安全。

1 太陽能游覽船電力系統(tǒng)簡述

根據(jù)太陽能游覽船舶設(shè)計(jì)基本參數(shù)和基本性能要求，針對(duì)太陽能源具有低密度、清潔環(huán)保等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了太陽能雙體游覽船，現(xiàn)有太陽能游船中電力系統(tǒng)主主要由太陽能電池組，太陽能控制器，鋰電池，充電器（岸用），控制系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)以西門子S7-300PLC為控制核心。鋰電池共有8組，左右各4組，每組電池額定電壓均為48 V。左右第1、2組作為動(dòng)力用，分別為左右電機(jī)供電。左右第4組為生活用電，第3組為備用電池組，既可作為動(dòng)力也可以作為生活。太陽能游船的控制核心PLC由右邊第3組輸出的48 V直流電經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換為 24 V直流電供電。電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在長期運(yùn)營中，當(dāng)充電器（岸用）的開關(guān)K3閉合（僅接入未工作），開關(guān)K1閉合，DC/DC模塊開始給PLC供電，同時(shí)控制充電繼電器K2閉合，太陽能充電器開始給右邊組第3電池充電時(shí)，PLC會(huì)發(fā)生重啟的現(xiàn)象，由于整條船的電力都受控于PLC，所以會(huì)導(dǎo)致所有動(dòng)力用電及生活用電短暫中斷。如果充電器（岸用）K3不閉合，重復(fù)上述動(dòng)作時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)上述問題。異常情況如圖2所示。在其他控制狀態(tài)下也不會(huì)出現(xiàn)類似的問題。

圖2 系統(tǒng)異常情況

2 電力系統(tǒng)建模及分析

根據(jù)太陽能游船所出現(xiàn)的問題，分析電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理。從上面的故障描述可以看出，充電器的接入對(duì)整個(gè)電路的穩(wěn)定性造成了影響，故本文提取其中的相關(guān)部分獨(dú)立分析。涉及到的部分包括充電器，DC/DC模塊及PLC。這里著重分析直流變換器DC/DC和充電器（岸用）對(duì)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，

2.1 電力系統(tǒng)充電回路數(shù)學(xué)模型分析

本文涉及的太陽能游船為純太陽能系統(tǒng)供電，太陽能電池發(fā)出的電能經(jīng)控制器輸送到48V直流母線上。通過控制各電池組的充電接觸器就可以實(shí)現(xiàn)太陽能對(duì)鋰電池的充電。為滿足連陰雨天氣對(duì)太陽能游船的用電需求，配備了岸用充電器。不可避免的當(dāng)太陽能控制器或充電器接入直流母線時(shí)，DC/DC直流變換器不再是一個(gè)獨(dú)立的部分，它的性能會(huì)受到太陽能控制器或岸用充電器的影響。下面我們將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)分析。

充電器與DC/DC變換器連接原理圖如圖3所示[5]。

圖3 充電器與DC/DC連接原理

2.2 電源buck電路設(shè)計(jì)分析

由于本船上所用鋰電池的額定電壓為48 V，而PLC的額定工作電壓是24 V，所以需要進(jìn)行48V轉(zhuǎn)24 V的DC/DC變換，這里采用的是降壓式buck電路。在圖2中，開關(guān)晶體管G的一個(gè)開與關(guān)的周期內(nèi)，將輸入的直流電壓斬波，形成脈寬為T的方波脈沖。

當(dāng)開關(guān)晶體管G導(dǎo)通時(shí)，有

當(dāng)開關(guān)晶體管G截止時(shí)，有

電感L為：

2.3 電路充電狀態(tài)分析

2.3.1 充電狀態(tài)

當(dāng)船上鋰電池能量耗盡且天氣狀況不佳時(shí)需要進(jìn)行岸電補(bǔ)充。將圖3中的開關(guān)K閉合，充電器開始工作。本船所用的為充電機(jī)為艾默生ECH系列智能充電機(jī)，輸出額定電壓為直流47.7 V，輸出電壓范圍為直流42.0—50.0 V。當(dāng)充電器正常工作時(shí)，它的輸出電壓滿足DC/DC設(shè)計(jì)的輸入電壓范圍，DC/DC模塊可以正常工作。太陽能游船運(yùn)行平穩(wěn)。

2.3.2未充電狀態(tài)

日常運(yùn)行條件下，廈門地區(qū)光照充足，太陽能電池組發(fā)出的電量完全可以滿足該游船的用電需求。這時(shí)岸用充電器僅僅接入電路，但沒有工作。等效電路如圖4所示[7]。

圖4 系統(tǒng)等效電路

電容的電流：

當(dāng)鋰電池電壓為50V時(shí)，開關(guān)K閉合瞬間：

3 仿真與分析

圖5 48 V時(shí)DC/DC端輸入電壓

圖6 48 V時(shí)DC/DC輸出端電壓

根據(jù)圖5-8的仿真可知，當(dāng)鋰電池電壓在不同工況時(shí)，在充電器（岸用）接入電路的瞬間，電池輸出電壓降低至13 V左右，并有一段時(shí)間處在40 V以下，這一輸入電壓已經(jīng)低于DC/DC允許輸入電壓的最低值。因此，此時(shí)DC/DC輸出端電壓最低時(shí)降至10 V以下，從而使DC/DC在短暫時(shí)間內(nèi)無法提供PLC正常工作所需電壓，導(dǎo)致PLC發(fā)生重啟現(xiàn)象。

圖7 50 V時(shí)DC/DC端輸入電壓

圖8 50 V時(shí)DC/DC輸出端電壓

4 解決方案

根據(jù)以上數(shù)學(xué)分析和仿真，如果采用原先設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)將不可避免產(chǎn)生PLC重啟現(xiàn)象，將大大降低系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，甚至影響船舶運(yùn)行安全。針對(duì)PLC供電的可靠性高要求，進(jìn)行以下電力系統(tǒng)改進(jìn)。在太陽能游艇上增加一組鋰電池單獨(dú)為PLC、繼電器等元件供電，電池額定電壓為24 V。該組電池狀態(tài)由BMS電池能量管理系統(tǒng)監(jiān)測控制，電池組充電由逆變器逆變24V直流電直接給電池組充電，如圖9所示。

24 V電源系統(tǒng)控制策略為：當(dāng)繼電器K4閉合，24 V電池組開始給PLC等設(shè)備供電，同時(shí)24 V充電器持續(xù)給24 V電池組充電，保證該組電池電壓維持在24 V左右。考慮到穩(wěn)定性，當(dāng)該組24 V電池組快要達(dá)到故障保護(hù)狀態(tài)時(shí)，將會(huì)啟用右邊第三組48 V電池作為整船的24 V低壓系統(tǒng)備用電源，此時(shí)控制充電器（岸用）開關(guān)K3斷開，在48 V電池組連接到DC/DC的回路中串聯(lián)一常開繼電器K1。當(dāng)啟動(dòng)備用模式時(shí)，岸用充電器開關(guān)K3斷開，控制常開繼電器K1閉合，右3 48V電池組開始為整個(gè)系統(tǒng)供電。這樣充電器（岸用）在未工作狀態(tài)下就不會(huì)接入到電力系統(tǒng)中，不會(huì)影響到DC/DC的性能。PLC、繼電器等由單獨(dú)的24 V鋰電池供電大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖9 改進(jìn)后的電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)改造之后并用于實(shí)船，在實(shí)際應(yīng)用中，BMS能量管理系統(tǒng)根據(jù)鋰電池發(fā)出的實(shí)時(shí)信息不斷調(diào)整充電狀態(tài)，24 V電池組的電壓基本維持在24 V左右，完全滿足PLC、繼電器等元件的工作要求。PLC沒有再出現(xiàn)重啟的情況，在改進(jìn)后的電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)論

通過對(duì)太陽能游覽船電力系統(tǒng)框架的分析及建模仿真，找出了導(dǎo)致PLC偶爾重啟故障的原因。這一問題的解決彌補(bǔ)了PLC供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初的不足，使得整條船的控制系統(tǒng)更具穩(wěn)定性。同時(shí)，使我們在設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)時(shí)更加注重電源的匹配問題。本文涉及到的問題，在遇到類似情況時(shí)可作為參考。

[1] 嚴(yán)新平. 新能源在船舶上的應(yīng)用進(jìn)展及展望[J]. 船海工程, 2010, 39(6): 111-120.

[2] 何建海, 張建霞, 胡以懷. 新型能源在船舶中的應(yīng)用[J]. 中國水運(yùn), 2012, 12(10): 76-77.

[3] 李進(jìn). 太陽能在船舶動(dòng)力裝置中的應(yīng)用與前景[J]. 船海工程, 2010, 39(4): 70-72.

[4] 俞萬能, 李丹, 鄭為民. 太陽能游覽船能量控制系統(tǒng)研發(fā)[J]. 中國造船, 2013, 54(3): 177-183.

[5] 劉樹林, 劉健, 寇蕾, 鐘久明. Buck DC/DC變換器的輸出紋波電壓分析及其應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2007, 22(2): 91-97.

[6] 王輝, 程坦. 直流斬波電路的Matlab/Simulink仿真研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2009, (5): 174-178.

[7] 邢曉濬. RC一階電路實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法研究[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 34(6): 69-70.

[8] 陳希有, 李冠林, 劉鳳春. RC電路充電效率分析[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 34(2): 32-35.

[9] Cheng Peng, Chia Jiu Wang. An analysis of buck converter efficiency in PWM/PFM mode with simulink[C]. Proceedings of 2013 Spring International Conference on Electrical Engineering(CEE-S), 2013: 64-69.

[10] 呂慶永, 黃世震, 林偉. Buck變換器在SIMULINK下的建模仿真[J]. 通信電源技術(shù), 2008, 25(6): 1-3.

Research and Improvement of the Power System Topology in A Solar Sightseeing Ship

Ji Houzhi, Yu Wanneng, Li Suwen

(Marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian, China)

U665.13

A

1003-4862（2014）12-00074-04

2014-10-20

紀(jì)厚芝（1989-），男，研究生。研究方向：船舶電力推進(jìn)及其控制。