船舶電力推進系統復合儲能裝置的設計*

楊祥國 楊 誠 陳 輝 治 國 陶烽偉 周 科 田 畾

(武漢理工大學船舶動力工程技術交通行業重點實驗室1) 武漢 430063)(武漢理工大學能源與動力工程學院2) 武漢 430063)

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船舶電力推進系統復合儲能裝置的設計*

楊祥國1)楊 誠2)陳 輝2)治 國2)陶烽偉2)周 科2)田 畾2)

(武漢理工大學船舶動力工程技術交通行業重點實驗室1)武漢 430063)(武漢理工大學能源與動力工程學院2)武漢 430063)

電力推進船舶處于減速制動工作狀態時存在直流母線的泵升問題，傳統電力推進系統大多采用制動電阻或單一儲能裝置來解決該問題.針對該問題，設計了一套復合儲能裝置，并利用MATLAB/Simulink進行了仿真分析.結果表明，復合儲能裝置可以很好地滿足制動能量回饋利用的技術要求.

電力推進船舶；制動能量；復合儲能

0 引 言

電力推進船舶與傳統推進系統相比具有靈活性強、效率高、空間布置簡單等優點[1]，是今后船舶行業發展的主導趨勢，但由于電子設備的大量使用，相應的電力安全也隨之而來.船舶制動回饋能量對直流環節造成的泵升電壓是一個不可忽視的問題.通常采用消耗電阻對之進行處理，但是這樣不僅降低了能量利用率，而且消耗后產生的熱能會對周圍電力電子器件的正常工作造成一定的影響，從而導致電力事故，甚至直接影響整船的正常工作和船員的人身安全.

因此，對這部分能量進行合理的處理是很有必要的.目前對這部分能量的處理的研究很少.石繼升[2]提出了利用超級電容對這部分能量進行儲存再利用，該方法雖然能對這部分能量進行儲存利用，在船舶啟航或者加速時能夠提高較高的瞬態功率，但是超級電容的能量密度很低，單位容量很低，不適合在船舶正常航行時向其提供能量.若需要很大的存儲容量則需要采用多個電容器串聯，這樣大大增加了存儲裝置的體積和重量.對此，文中設計了蓄電池與超級電容并聯的復合儲能系統，該系統兼容了兩者的特點，相互彌補了各自的不足，適用于各種工況，有效地提高了能量利用率.

1 復合儲能系統及特點

超級電容功率密度大，瞬間放電電流大，當船舶加速或者啟動時，可以為船舶提供很大的瞬時功率；其次，超級電容的充放電過程是利用電荷之間的移動，屬于物理過程.因此，壽命周期很長，充放電次數可達上萬次，可以很好地應用于經常啟停的電力推進船舶上[3]；最后，超級電容的充放電速度很快.但是超級電容的能量密度較低，當能量需求較大時，不得不采用多個超級電容串聯，這樣會導致整個裝置的體積和重量增加.

蓄電池與超級電容相反，它具有很高的能量密度，在船舶正常行駛和巡航時可以采用蓄電池放電提高船舶行駛的能量.但是蓄電池的充放電過程屬于化學過程，其能量密度較大，壽命周期較短[4].當船舶需要加速或者啟動時，由于需要較大的瞬間功率，若采用蓄電池供電會導致蓄電池的放電電流超過其本身的額定電流，這樣會造成蓄電池使用周期縮短.而且蓄電池壽命周期短，不利于經常充放電.

復合儲能裝置的特點是把蓄電池與超級電容分別串聯一個DC/DC轉換器后再并聯，見圖1.該方法很好的結合了超級電容功率密度大和蓄電池能量密度大的優勢，不僅有效減小了加速或者啟動時瞬時大功率對蓄電池造成的沖擊，而且減輕了在正常行駛或者巡航時超級電容的體積和重量.此方法可以很好地提高船舶的動態響應性，增強負載的適應能力.

圖1 復合儲能裝置的簡圖

2 DC/DC轉換器的設計

DC/DC轉換器采用雙向的兩象限半橋轉換器[5-7]，圖2為直流母線通過DC/DC轉換器分別與超級電容和蓄電池相連.對于超級電容，DC/DC轉換器由2個IGBT(S1和S2)分別并聯二極管D1，D2組成.當船舶制動時，直流母線電壓增加，利用PWM控制S1閉合，S2斷開.S1與D2構成一個Buck電路，見圖3.直流母線通過Buck電路降壓后向超級電容充電.

圖2 DC/DC轉換器電路圖

圖3 Buck電路

當制動時，直流母線向超級電容充電的過程是一個連續導電過程，這時通過Buck電路把直流母線的高電壓轉化為相對較低的電壓后向超級電容充電，這時直流母線作為電源，超級電容作為負載.這時的電壓增益為

(1)

式中：DC為IGBT的占空比.占空比定義為開關管的導通時間與開關周期的比值，即

(2)

當船舶加速或者起航所需的功率較大時，利用PWM控制S1斷開，S2閉合.S2和D1組成Boost電路，見圖4.超容電容通過Boost電路向直流母線放電，供加速或者起航使用.

圖4 Boost電路

超級電容向直流母線放電的過程也是一個連續導電過程，這時超級電容相當于電源，直流母線為負載.這時的電壓增益為

(3)

要調節電壓的增益，即調節IGBT的導通時間，采用PWM的方法控制其開關頻率，從而起到調節增益的目的.

蓄電池串聯同樣的DC/DC轉化器，其工作原理與超級電容的基本一致.充電時直流母線為電源，蓄電池為負載，直流母線通過Buck電路向蓄電池充電；放電時，蓄電池為電源，直流母線為負載，蓄電池通過Boost電路向直流母線充電.

3 控制策略

儲能裝置合理的充放電不僅有利于儲能裝置的整體壽命，提高儲能裝置的效率，而且有利于穩定船舶電網的工作狀態，保證船舶的正常作業.本設計采用電壓、電流雙閉環的控制方式，內環為蓄電池或者超級電容的電流環，外環為船舶中間直流環節的電壓環，其框架圖見圖5.

圖5 系統控制框架圖

Ud(s)為中間直流環節電網電壓，其經過濾波器Hud(s)后與給定電壓Ud*(s)進行比較后的偏差經過PI調節后進行電流分配.由于超級電容具有較高的功率密度，可以提供很大的瞬間功率，而且具有很高的壽命周期，因此進行電流分配后的動態分量提供給超級電容；由于蓄電池的能量密度很大，壽命周期很短，動態響應會導致其壽命較弱，因此分配后的穩態分量提供給蓄電池.電流內環應滿足低頻增益的要求，截止頻率一般大于電壓外環的10倍以上.超級電容和蓄電池電流內環補償控制器的傳遞函數分別為

(4)

(5)

電壓外環獲得的是總體電網的電流，它在分配時要同時兼顧超級電容和蓄電池，使兩者都要具有很好的控制性能.電壓外環補償器的傳遞函數為

(6)

4 系統仿真與結果分析

4.1 仿真模型的建立

系統的Matlab/Simulink的模型見圖6.

圖6 Matlab/Simulink仿真模型

系統由電站模塊(異步電機)、逆變模塊和儲能單元模塊組成.電站模塊通過逆變模塊連接到直流母線，直流母線通過DC/DC轉換器與儲能單元模塊相連.仿真系統的主要參數見表1.

4.2 充放電性能仿真

當系統處于制動時，復合儲能裝置處于充電狀態，儲能單元的電壓變化見圖7.蓄電池和超級電容處于充電狀態，根據蓄電池和超級電容能量密度的特點設置控制單元，制動回饋的能量按照一定的比例儲存在蓄電池和超級電容.超級電容的充電速率明顯高于蓄電池，制動開始時的瞬間響應很大；蓄電池的瞬間響應較為緩慢，整個充電過程較為平穩.

表1 仿真系統的主要參數

圖7 儲能裝置充電電壓圖

當系統處于加速或巡航時，復合儲能裝置處于放電狀態，儲能單元的電壓變化見圖8.超級電容放電瞬態功率遠遠大于蓄電池，但蓄電池的容量大于超級電容.當船舶需要加速或者起航時，功率密度較大的超級電容可以提高較大的瞬時功率，這時超級電容放電，提供起航加速的瞬態功率；當船舶航行處于穩定時，能量密度較大的蓄電池放電，提供相應的巡航功率.

圖8 儲能裝置放電電壓圖

4.3 復合儲能系統動態性能仿真

對于儲能裝置的充放電控制，采用電壓電流雙閉環的控制方式，中間直流母線的電壓變化圖見圖9.由圖9可知直流母線的電壓在充放電過程中雖然有波動，但是波動幅度在可控范圍內，總體的電壓能夠穩定在1 150 V左右，使直流母線具有較好的可靠性和動態性.

圖9 直流母線的電壓變化

結果表明，復合儲能裝置能夠很好的結合蓄電池和超級電容的優勢，很好地改善了目前單一的儲能裝置的不足.既彌補了超級電容能量密度小的不足，又解決了蓄電池功率密度小的缺點，使儲能裝置適用于船舶航行的各種工況，有效地提高了能量利用率.復合儲能裝置在對能量進行回饋再利用的同時，對船舶功率進行調節，保持其直流母線電壓保持穩定，不僅有利于船舶電力設備的安全工作，而且大大減少了燃油的消耗.

5 結 束 語

針對船舶電力推進系統制動過程中存在直流環節的泵升電壓問題，將復合儲能裝置引入船舶電力推進系統，并對其進行了Matlab/Simulink仿真.結果表明該裝置很好的結合了超級電容功率密度大和蓄電池能量密度大的特點，可以向各種工況下航行的船舶供電，解決了單一儲能裝置(超級電容)能量密度小，單位容量低，不適合在船舶正常航行時向其提供能量的不足.該方法不僅對制動能量進行了回饋再利用，而且對船舶運行工況具有功率調節的作用，使得船舶電站能夠保持相對穩定( 柴油發電機始終工作在最佳工作點附近) ，提高了能源的利用率.雖然目前儲能裝置的成本較高，但是大容量蓄電池與超級電容器技術的發展，復合儲能裝置的價格也會大幅下降，復合儲能裝置在船舶電力推進系統中具有較好的應用前景.

[1]蓋金龍.船舶電力推進實驗平臺監控設計與能效研究[D].大連:大連海事大學,2014.

[2]石繼升.船舶電力推進系統中制動能量回饋存儲方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2013.

[3]魯鴻毅,何奔騰.超級電容器在微型電網中的應用[J].電力系統自動化,2009,33(2):87-91.

[4]JAAFAR A, AKLI C R, SARENI B, et al. Sizing and energy management of a hybrid locomotive based on flywheel and accumulators[J].Vehicular Technology, IEEE Transactions on,2009(58):3947-3958.

[5]徐海平.大功率雙向DC-DC變換器拓撲結構及其分析理論研究[D].北京:中國科學院研究生院,2015.

[6]朱煒,李輝輝.艦船綜合電力推進技術的發展現狀研究[J].船舶，2013(3)：51-58.

[7]許曉彥,石晴晴.電力推進船舶電網提高電能質量方法研究[J].電氣技術，2010(8)：151-159.

Wuhan430063,China)2)

Design of Complex Energy Storage Device for Marine Electric Propulsion System

YANG Xiangguo1)YANG Cheng2)LIN Zhiguo2)TAO Fengwei2)ZHOU Ke2)TIAN Lei2)

(KeyLaboratoryofMarinePowerEngineering&Technology,WuhanUniversityOfTechnology,Wuhan430063,China)1)(SchoolofEnergyandPowerEngineering,WuhanUniversityOfTechnology,

In the working state of the deceleration brake, electric propulsion ship has pump lift problem with DC link. In the traditional electric propulsion system, the problem is mostly solved by using the brake resistance or a single energy storage device. According to this problem, this paper designs a set of complex energy storage device creatively. The simulation in MATLAB/Simulink shows that the complex energy storage device can meet the technical requirements of braking energy feedback.

electric propulsion ship; braking energy; complex energy storage

2016-08-29

*國家自然科學基金項目(51507121)、湖北省自然基金項目(2014CFB843)、船舶動力工程技術交通行業重點實驗室開放基金項目(KLMPET2015-04)、中央高校基本科研業務費專項資金項目(2015Ⅲ07)資助

U664.14 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.019

楊祥國(1981- )：男，博士，主要研究領域為系統仿真與控制