混合儲能系統在艦船中壓直流系統中的能量優化與控制

張歡歡， 郭 燚

(上海海事大學 物流工程學院， 上海 201306)

混合儲能系統在艦船中壓直流系統中的能量優化與控制

張歡歡， 郭 燚

(上海海事大學 物流工程學院， 上海 201306)

基于環形艦船中壓直流電力系統，增加了鋰電池和超級電容混合儲能系統，優化了發電系統的效率，研究了發電機起動、負載突變以及脈沖負載過程的能量優化與控制。針對不同工況，實行不同的功率分配方案。仿真結果表明,將混合儲能系統應用在艦船上不僅能夠快速響應負載、穩定直流母線電壓，而且可以使發電機工作在最佳狀態，提高了能量利用率。

艦船； 中壓直流； 脈沖負載； 鋰電池； 超級電容； 能量優化

艦船系統可用儲能技術有超導儲能、飛輪儲能、電容器儲能、電池儲能、超級電容儲能等[1-3]。增加儲能技術主要為了提高效率和響應脈沖負載。汽輪發電機組、柴油發電機組工作在接近額定狀態時的燃料利用效率是最高的[3]。當負載需求功率較小時，發電機無法工作在理想狀態下，此時可增加儲能裝置，由儲能裝置吸收多余能量，使發電機工作在接近額定狀態；當需求功率較大、而發電機無法滿足時，可通過儲能裝置釋放一部分能量，由儲能單元和發電機共同配合滿足負載需求。對于艦船上特有的高能武器等脈沖負載，由于發電機的原動機無法在極短的脈沖時間內響應脈沖負載，故可由響應速度快、功率密度大的儲能裝置解決這一問題。對此，文獻[4]中提出一種帶有蓄電池儲能系統的新型全電力推進系統。文獻[5]中對鋰電池與超級電容在新一代船舶中壓直流系統上的應用做了可行性分析，雖然對多種工況進行了仿真，但忽略了動態過程，也沒有對脈沖負載進行分析。文獻[6]中提出由電池、超級電容器、飛輪3種儲存技術組成的混合儲能系統,該系統控制策略復雜，質量和體積龐大，占據了船上大量空間。文獻[7]中設計了200 MJ的電容器滿足電磁軌道炮功率需求，但電磁炮的發射次數受限。文獻[8]中研究了大型脈沖負載在未來電力船上的協調問題。

基于上述分析，本文在船舶中壓直流電力系統中，加入鋰電池、超級電容器混合儲能系統，針對艦船的不同工況，提出不同的功率分配方案，解決艦船上一些特有的功率需求問題，實現艦船能量的優化與控制。

1 增加混合儲能系統的艦船中壓直流電力系統

為適應未來海上作戰需求，進一步減小中壓直流系統的體積、提升效率，Electric Ship Research and Development Consortium(ESRDC)提出船舶環形中壓直流電力系統模型，現已被IEEE所采納[9-10]。該系統母線電壓等級為5 kV，以2臺額定功率為36 MW的主發電機和2臺額定功率為4 MW的輔助發電機作為電源。艦船負載分為區域負載、動力負載和高能武器脈沖負載，其中區域負載有4部分組成，動力負載包括雷達和推進負載(由2臺36 MW的推進電機組成)。未來艦載激光炮和電磁炮脈沖負載功率將達MW級[11]，模擬高能武器的脈沖負載如表1所示。該脈沖負載在0.01 s內，功率變化可達25 MW。ESRDC開發的模型是由電容器組作為儲能系統來解決脈沖負載的功率需求。然而，電容器組能量密度低，充、放電電流不易控制，且儲存時間極短。為了更好地應對脈沖負載和優化系統效率，本文在ESRDC提出的環形模型基礎上，增加由高能量密度鋰電池和高功率密度的超級電容組成的混合儲能系統。該儲能系統通過雙向有源變換器(Dual Active Bridge, DAB)與直流母線相連，其結構如圖1所示。

表1 脈沖負載參數

注:tp為脈沖時間;Pp為脈沖功率

2 混合儲能系統的應用分析

2.1 混合儲能系統結構與工作原理

文獻[12-14]中對混合儲能系統的結構和控制策略進行了研究，適應于艦船電力系統的混合儲能系統結構如圖2所示。其中，PL為負載功率;PG、PB、PSC分別為發電機、鋰電池、超級電容輸出功率，有PL=PG+PB+PSC。

圖2 混合儲能系統結構

鋰電池和超級電容的能量流動是雙向的，通過DAB與直流母線相連接，可以控制鋰電池、超級電容與母線之間能量流動的大小和方向。母線上的負載有恒功率負載和脈沖功率負載兩類；鋰電池主要負責緩沖脈沖負載功率值較低的低頻分量；超級電容負責緩沖脈沖高頻功率分量及低頻分量中功率值較高的部分。鋰電池和超級電容相互配合，以減少脈沖負載對母線電壓造成的沖擊，并保證母線上能量供需平衡。

2.2 混合儲能系統的應用分析

艦船一般有巡航模式、戰斗模式、停泊模式。因停泊模式的負荷較小，故不做分析，本文主要對巡航模式和戰斗模式兩種工況進行研究。

(1) 巡航模式下，長時間服務的大功率負載突然接入時。由于燃氣輪機加載和卸載速度較慢(約30～50 MW/min)，故當大功率負載突然接入時，發電機不能迅速響應，將導致直流母線電壓降低，嚴重時造成電力系統崩潰。為了及時響應這種突然接入的大功率負載，可加入儲能裝置。本文在文獻[13]的基礎上增加了超級電容。若燃氣輪機的加載速度為48 MW/min，0時刻有脈沖負載接入，在0.1 s內脈沖負載增加至25 MW，電池最大可持續充、放電功率為10 MW，發電機、鋰電池、超級電容器的功率分配如圖3所示。

圖3 發電機起動時功率分配

(2) 戰斗模式下，脈沖負載接入時。在戰斗模式下，發電機組工作狀態均接近額定狀態，此時脈沖負載所需能量應由儲能系統提供。以表1中所給的模擬脈沖負載為例，可計算得到一個周期內該負載所需平均功率為

為充分發揮鋰電池和超級電容的優點，鋰電池在整個周期內提供脈沖負載所需平均功率;在0～7 s和9.26～10.00 s內，因負載需求功率較低，多余的能量由超級電容器吸收;在7～9.26 s內負載功率變化極快且幅值極大，鋰電池和超級電容共同放電以滿足此脈沖負載的大功率需求。若在一個周期內，超級電容吸收和釋放的能量相等，則可避免在其他時間對超級電容器充電，更具有靈活性。

3 功率控制與分配

3.1 發電系統功率控制

發電系統由發電機經過整流器變為5 kV的中壓直流母線提供能量，發電機電壓調節器和二極管相互配合，保證了直流母線電壓的輸出。輸出電壓與功率的控制結構如圖4所示。圖中,wref為額定轉速；UDC_ref為的端電壓；Pref為發電機根據負載需求所提供的有功功率；Pshaft為同步電動機的輸入功率；ws為同步電動機的定子轉速；ks為原動機比例因子；Ef為勵磁電壓；P為發電機輸出有功功率的瞬時測量值；kd為U/P反下垂控制系數；UDC為直流電壓的測量值。

圖4 發電系統輸出功率與端電壓的控制

3.2 發電機起動過程的功率控制

當某時刻負載突然增加并保持不變，需要起動發電機時，由于燃氣輪機加載速度較慢，不能及時滿足負載需求，由儲能系統提供差額功率，其功率分配如圖5所示。圖中,PB_ref為鋰電池的輸出參考功率，k為U/P下垂控制系數;Psc_ref為超級電容輸出功率參考值。

圖5 發電機起動過程功率分配

3.3 鋰電池、超級電容的功率分配

鋰電池、超級電容的功率分配如圖6所示，由鋰電池輸出脈沖負載所需的平均功率(實際應由鋰電池和發電機共同提供)。超級電容的輸出功率由脈沖負載功率、鋰電池實際輸出功率PB和母線電壓UDC共同決定，不僅能夠滿足脈沖負載的需求，而且可以通過母線電壓誤差修正超級電容的輸出功率，減小母線電壓波動。

圖6 鋰電池與超級電容的功率分配

Fig.6 Power distributing of lithium battery and supercapacitor

3.4 發電機系統與鋰電池的功率分配

當發電機工作在最佳工作范圍，即其輸出功率大于負載需求功率時，對鋰電池組進行充電；反之，鋰電池組放電，其功率分配如圖7示，其中PC為巡航模式需求功率。

圖7 發電機與鋰電池的功率分配

4 仿真實驗與分析

為驗證本文方法的有效性，根據圖1模型，利用Matlab/Simulink進行仿真實驗，仿真參數如下：主發電機選用額定功率為36 MW的MT30燃氣輪機發電機，最低有效輸出功率為25 MW[12]，發電機額定電壓為4.16 kV。

(1) 當長時間服務大功率負載接入、需起動燃氣輪機發電機。圖8給出了巡航模式下的仿真結果。

圖8(a)為t=5 s，PL增加至25 MW時，PG、PB、PSC的變化情況。由圖可見，當t=5 s時，需求功率增加至25 MW，由于燃氣輪機加載較慢，PG從0 MW開始按照其加載曲線逐漸增加，而差額功率由儲能系統提供，其中PB的限幅為10 MW，其余功率由超級電容輸出。

圖8(b)為t=5 s，PL由25 MW突然降低為23 MW時，PG、PB的變化情況。由圖可見，PG不變，而PB隨之下降。這是由于為確保燃氣輪機的工作效率，多余的能量由鋰電池吸收的緣故。

圖8(c)為當t=5 s時，PL突然增至38 MW，PB和PG的變化情況。如圖可見，由于發電機不能滿足PL的需求，此時，由鋰電池提供了一部分能量以滿足負載的需求。

(2) 戰斗模式下,艦船連續接入2次脈沖負載(參數見表1)。第1次接入時刻為5 s。圖9給出了戰斗模式下的功率控制仿真結果。

(a) PL增加至25 MW

(b) PL下降至23 MW

(c) PL由35 MW突增至38 MW

圖8 巡航模式下，輸出功率控制仿真結果

Fig.8 Simulation results of output power control in cruise mode

(a) 脈沖負載功率、儲能系統總輸出功率、母線電壓

(b) 鋰電池與超級電容器的輸出功率

由于在初始時刻，發電機能滿足艦船基本負載的功率需求，當接入脈沖負載后，發電機維持原來最佳輸出功率，故本文未給出發電機輸出功率。由圖可見，鋰電池只提供加載1次脈沖負載的平均功率，當發電機和鋰電池提供的功率超過脈沖負載的需求功率時，由超級電容吸收多余功率；而當發電機和鋰電池提供的功率低于脈沖負載需求功率時，則由超級電容發出功率；超級電容起到了緩沖作用。因此，在理想情況下，當戰斗模式結束時，超級電容容量將與戰斗模式開始時相等，從而避免為使艦船隨時進入戰斗狀態，而需要在其他時間對超級電容的預充電的情況。

5 結 語

本文在分析艦船系統功率需求的基礎上，將鋰電池、超級電容器儲能應用在艦船中壓直流電力系統上，對不同工況采用不同的功率分配方案，使燃氣輪機發電機組工作在效率較高范圍內。負載需求小于發電機的最低有效輸出功率時，發電機輸出功率為下限功率，多余部分由儲能吸收，當發電機輸出功率不能滿足負載需求時，儲能系統發出功率。利用Matlab/Simulink針對艦船可能的工況進行仿真。結果表明,當負荷發生變化時，發電機工作可以工作在最佳狀態，能夠合理分配發電機和儲能系統的輸出功率，并且能夠穩定直流母線電壓，實現了艦船能量的優化與控制。

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Energy Optimization and Control of Hybrid Energy Storage System in Medium Voltage DC System of Warship

ZHANGHuanhuan,GUOYi

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

Lithium batteries and a supercapacitor hybrid energy storage system are used to optimize generator’s efficiency in a medium voltage DC system of warship. Research has been done on energy optimization and control of generator start-up, load mutation and pulse load. Under different conditions, several power allocation schemes are implemented. The simulation results show that the hybrid energy storage system can quickly respond to the load on ships, make DC bus voltage stable, and make the generator work under the best condition so as to improve energy efficiency.

warship; medium-voltage DC; pulse load; lithium battery; supercapacitor; energy optimization

2017 -01 -15

國家自然科學基金面上項目資助(61673260);上海海事大學?；痦椖抠Y助(20120100)

張歡歡(1991-),男，碩士生，主要研究方向為儲能技術在船舶電力系統的應用, E-mail：zhanghuanhuan33@stu.shmtu.edu.cn

2095 - 0020(2017)01 -0034 - 06

U 665.12

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