儲能單元在船舶電力推進系統中的應用

陳 晨， 王錫淮， 肖健梅

(上海海事大學 物流工程學院，上海 201306)

儲能單元在船舶電力推進系統中的應用

陳 晨， 王錫淮， 肖健梅

(上海海事大學 物流工程學院，上海 201306)

為解決頻繁的負載變化給船舶電力推進系統帶來的電站和電網波動問題，采用能量存儲技術，將儲能單元(鋰電池和超級電容器)引入到船舶電力推進系統中。建立系統功率傳輸模型，并創新性地把粒子群算法與非線性規劃算法相結合對目標函數進行尋優。利用MATLAB軟件進行建模和實例仿真，結果表明，引入儲能單元可以明顯地改善船舶電力推進系統的性能，增強電站和電網的穩定性。

船舶工程；電力推進；鋰電池；超級電容器；粒子群算法；非線性規劃

隨著電力電子技術快速發展以及能源危機日益加劇，船舶推進技術發生了巨大變化，電力推進替代傳統的柴油機推進成為不可阻擋的趨勢。[1-2]電力推進技術依靠其在機動性、可靠性、運行效率、布置靈活性、經濟性、易于維護等方面的巨大優勢，廣泛應用于工程船、油船、豪華游船等船舶上。在國外，幾個大的船舶電力推進生產廠商都有自己的電力推進系列產品，并已將其投入實際運行中，例如ABB 公司的Azipod推進系統[3]、Siemens公司與Schottel公司的SSP推進系統。

然而，船舶電力推進一直面臨著一個技術難題[4]，即頻繁的負載擾動給推進系統的性能帶來了重大影響。一方面，海洋環境復雜多變，風、浪、流對負載的影響不可預知，帶來的擾動也在不斷變化；另一方面，某些工程船(破冰船、挖泥船、海上鉆井平臺等)在作業時除了受環境干擾以外，其負載功率需求還隨工況要求等客觀因素的變化而變化，會產生巨大的負載擾動。顯然，這些負載擾動會給船舶電網帶來巨大沖擊，對船舶推進系統的性能有著巨大影響。

解決該問題的一個辦法是采用能量存儲技術[5]。儲能單元可以提高系統的穩定性，在電力系統遇到擾動時，其可以瞬時吸收或釋放能量，平復擾動給系統帶來的影響，增強系統的穩定性。近年來，大容量存儲技術飛速發展，幾個大的儲能單元生產商(如Corvus Energy公司和Maxwell公司)都在生產自己的大容量儲能產品并將其投入到實際運行中。能量存儲技術已經很好地應用于電動汽車行業，大容量能量存儲技術的發展使得將儲能裝置應用于船舶電力推進系統成為可能。利用儲能單元克服負載波動對船舶電力推進系統的影響將是未來船舶電力推進技術發展的趨勢之一。

1 船舶電力推進系統

1.1船舶電力推進系統的組成

在多種儲能單元中，鋰離子電池和超級電容器[6-7]應用于船舶電力推進系統中的前景最被看好，其共同特點是壽命長、循環性能好、體積小、無污染。此外，鋰離子電池有很高的能量密度，可維持較長時間的放電或充電狀態，有著良好的穩態性能；超級電容器有較高的功率密度，可在單位時間內輸出較高的功率，有著良好的動態性能。將鋰電池與超級電容器結合起來，可使儲能單元系統同時具有良好的動態特性和穩態特性。將2種儲能單元同時引入船舶電力推進系統，用以平復負載波動對系統性能的負面影響。典型的帶儲能裝置的船舶電力推進系統[8]單線圖見圖1。

圖1 船舶電力推進系統結構圖

系統主要分為動力模塊、直流母線模塊、負載模塊3個模塊。柴油機帶動發電機為系統提供主要的動力；儲能裝置也是動力模塊的一部分，用來提供或吸收負載波動時的能量。負載模塊由2個電動機和其他負載組成。直流母線模塊[9]由直流母線、整流單元、逆變單元及變壓單元組成。動力模塊和負載模塊間的能量傳遞都是通過直流母線模塊完成的。

系統功率傳遞模式[8]主要有3種：

1) 系統過載時，儲能單元放電，與電站一起提供負載所需的能量。

PG+PB+PS=PLoad

(1)

式(1)中：PG,PB,PS,Pload分別為電站、鋰電池、超級電容器以及負載的功率。

2) 系統輕載時，儲能單元充電，電站提供的能量一部分被儲能單元吸收，另一部分被負載消耗。

PG=PB+PS+PLoad

(2)

3) 負載回饋制動時，能量全部被儲能單元吸收，即

PB+PS=PLoad

(3)

柴油機和發電機(電站)都固定工作在額定狀態，當負載過大時，儲能單元釋放能量，提供系統所需的額外能量；當負載過小時，電站提供的能量一部分通過直流母線提供給負載電機，另一部分用來給儲能單元充電。這樣就可以使柴油機發電機始終維持在最佳的工作狀態，提高能源利用率，節省成本。當負載電機有能量回饋時，能量可以通過直流母線給儲能單元充電，從而避免回饋能量對電力系統造成沖擊，提高安全性。

1.2功率傳輸模型的建立

根據能量守恒定律，如果忽略損耗功率，則柴油發電機、鋰電池、超級電容以及負載的功率的矢量和應該為0，可由式(4)來表示。

∑PG+PS+PB+PLoad=0

(4)

以系統的負載功率PLoad作為控制變量，將負載功率流依次通過2個高通濾波環節、2次濾波得到的高頻率擾動部分作為超級電容器和鋰電池需要吸收或釋放的動態功率。將經過2次濾波后的負載平均功率作為柴油發電機需要供給的功率。功率傳輸流程見圖2。

圖2 功率傳輸流程圖

1.3目標函數的建立

2個高通濾波環節的傳遞函數為

(5)

(6)

調整式(5)～式(6)中的4個參數K1，T1，K2，T2即可控制船舶電力推進系統的能量分配。在滿足工況的情況下，電站輸出功率的波動越小越好。為此，提出下面的性能指標函數。

(7)

式(7)中：α，β為加權系數，在現實工況中，要求電站的功率基本維持恒定，負載的波動能量由超級電容器和鋰電池平復，而超級電容器的功率密度又遠大于鋰電池功率密度，從而性能指標中，PG,PS,PB的系數滿足不等式α?β?1。此處β=10-3，α=10-6。下面需要做的工作就是在符合實際情況的條件下尋找合適的K1，T1，K2，T2，使性能指標達到最優。

2 改進粒子群算法的尋優算法

尋優的方法有很多種，經典的非線性規劃算法[10]通常采用梯度下降方法求解，局部搜索能力較強，而全局搜索能力較弱。粒子群算法是一種群體智能的優化算法，全局搜索能力較強，局部搜索能力較弱，一般可通過其得到問題的次優解，而不是最優解。將這2種算法相結合，采用粒子群算法進行全局搜索，采用非線性規劃算法進行局部搜索，可得到問題的全局最優解。算法流程見圖3。

圖3 優化算法流程圖

每次優化粒子群算法所得結果設為非線性規劃算法的初值，采用非線性規劃算法進行局部尋優，將尋優結果作為優化一次的群體最優值，依據這個結果對粒子的速度和位置進行更新，進行下一輪尋優，循環往復，直到所得的結果滿足終止條件。

2.1粒子群優化算法

PSO(Particle Swarm Optimization) 優化算法[11]是一種基于種群搜索的自適應進化計算技術。在每次迭代過程中，粒子通過個體極值和群體極值更新自身的速度和位置，根據目標函數計算出每個粒子位置Xi對應的適應度值，循環計算，直到得到所需要的最優解。粒子自身速度和位置的更新公式為

(8)

(9)

式(8)～式(9)中：ω為慣性權重；d=1,2,…，D；i=1,2,…，n；k為當前迭代次數；Vid為粒子的速度；c1和c2為非負的常數，稱為加速度因子；r1和r2為分布于[0，1]區間的隨機數。為防止粒子的盲目搜索，一般建議將其位置和速度限制在一定的區間([-Xmax,Xmax], [-Vmax,Vmax])內。

2.2非線性規劃算法

函數fmincon是MATLAB最優化工具箱中求解非線性規劃問題的函數，其從一個預估值出發，搜索約束條件下非線性多遠函數的最小值。[12]

函數fmincon的優化模型為

(10)

式(10)中：x,b,beq,lb,ub為矢量；A,Aeq為矩陣。上述5個關系式分別是非線性不等式約束條件,非線性等式約束條件,線性不等式約束條件,線性等式約束條件,參數x的取值范圍。函數fmincon的基本用法為x=fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub)其中x0是初值，lb為下邊界，ub為上邊界。

3 仿真實例

為驗證儲能單元在船舶電力推進系統中的作用，將圖1中的模塊具體化。動力模塊有2臺柴油發電機，容量均為3 mVA，功率因數均為0.9。主要負載為2臺功率為2 MW的電動機。超級電容與鋰電池的具體參數[13]見表1。公共直流母線電壓設為1 000 V，各個變換元件參數的選取根據直流母線電壓合適選取。

表1 儲能單元參數

本案例優化算法中，適應度函數為性能指標函數，適應度值為函數值。種群粒子數為30，每個粒子的維數為4，算法迭代次數為20。每一代優化得到的最優值與迭代次數的圖像見圖4，最后得到的最優值為461.829。

圖4 粒子群算法優化結果

為驗證儲能單元平復負載變化對船舶電力推進系統的影響，負載模塊設置一條理想的負載曲線，負載取值的區間為[3.2 MW,5 MW]，通常情況下負載取值為4 000 kW，符合實際的負載波動。

設置完負載曲線后，利用MATLAB軟件，搭建基于功率傳輸的船舶電力推進系統的模型，進行仿真。分別得到鋰電池和超級電容單獨作用下系統的性能曲線和兩者共同作用下系統的性能曲線(見圖5)。每個圖中的三部分曲線分別表示電網直流母線電壓VDC、柴油發電機輸出功率Pdiesel以及儲能單元輸入輸出功率PES。

圖5中，公共直流母線電壓分別在965～982 V，965～978 V,971～973 V之間波動，圖5(a)和圖5(b)中柴油發電機輸出的功率在3 600～4 450 kW,3 700～4 400 kW范圍內波動；而圖5(c)的柴油發電機輸出的功率基本維持在4 100 kW。根據仿真結果不難得出以下結論：

1. 單獨引入鋰電池或超級電容器，均可對負載波動起到一定的平復作用，能將電站和電網的波動限制在一定的范圍內。兩者對比，鋰電池有著較高的能量密度，超級電容器有著較高的功率密度。短時間內，超級電容器提供或吸收的能量要大于鋰電池提供的能量，引入超級電容器系統有著較好的動態性能。然而，因超級電容器能量密度較小，不可以維持長時間的充放電，所以在穩定性方面，鋰電池更具優勢。

2. 同時應用鋰電池和超級電容可以很好地克服負載波動對船舶電力推進系統的影響。圖5(c)中，直流電網的電壓基本不變，避免了負載波動對電網造成的沖擊；電站提供的功率基本不變，可保證柴油發電機始終工作在最佳狀態，提高能源利用率，節省燃油。對于長時間的負載波動，在負載突然變化時，負載波動主要由動態響應能力強的超級電容器平復；在負載變化平緩時，主要由鋰電池平復。

引入鋰電池和超級電容器不僅可以使船舶電力推進系統擁有良好的穩定性，而且能夠改善系統的動態特性。

(a)

(b)

(c)

4 結 語

在船舶電力推進系統中引入儲能單元可明顯改善系統性能。雖然儲能裝置價格不菲，但是其可使柴油發電機始終工作在最佳工作點附近，能明顯減少耗油量，并獲得良好的經濟效益。隨著大容量鋰電池與超級電容技術不斷發展，儲能單元在船舶電力推進系統中應用的前景值得看好。

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http://www.corvus-energy.com/datasheets.html.

ApplicationofEnergyStorageDevicesinShipElectricPropulsionSystem

CHENChen，WANGXihuai，XIAOJianmei

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

Frequent sudden load variations of ship electric propulsion system may bother the normal operation of the power system and bring low combustion efficiency of the diesel engine. To solve this problem, energy storage devices (lithium batteries/supercap) are introduced. The power transmission model of the system is built and system optimization is performed by means of the combination of the particle swarm optimization (PSO) and nonlinear programming algorithm method. The simulation in MATLAB proves that energy storage devices can effectively compensate load power fluctuations in the propulsion system. The design can improve the performance of ship electric propulsion system as well as the stability of the grid and power plants.

ship engineering; electric propulsion； lithium battery； super capacitor； PSO; nonlinear programming

2014-09-12

上海市教委科研創新重點項目(12ZZ158)；上海海事大學學術新人培養計劃(GK2013070)

陳 晨(1990—)，男，江蘇淮安人，碩士，從事船舶電力推進系統的研究。E-mail: smuchenchen@126.com

王錫淮(1961—)，男，江蘇淮安人，教授，博士生導師，研究方向為復雜系統控制與優化。E-mail: wxh@shmtu.edu.cn

1000-4653(2014)04-0025-05

U664.14

A