混合儲能系統(tǒng)在艦船中壓直流系統(tǒng)中的能量優(yōu)化與控制

張歡歡， 郭 燚

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院， 上海 201306)

混合儲能系統(tǒng)在艦船中壓直流系統(tǒng)中的能量優(yōu)化與控制

張歡歡， 郭 燚

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院， 上海 201306)

基于環(huán)形艦船中壓直流電力系統(tǒng)，增加了鋰電池和超級電容混合儲能系統(tǒng)，優(yōu)化了發(fā)電系統(tǒng)的效率，研究了發(fā)電機(jī)起動、負(fù)載突變以及脈沖負(fù)載過程的能量優(yōu)化與控制。針對不同工況，實(shí)行不同的功率分配方案。仿真結(jié)果表明,將混合儲能系統(tǒng)應(yīng)用在艦船上不僅能夠快速響應(yīng)負(fù)載、穩(wěn)定直流母線電壓，而且可以使發(fā)電機(jī)工作在最佳狀態(tài)，提高了能量利用率。

艦船； 中壓直流； 脈沖負(fù)載； 鋰電池； 超級電容； 能量優(yōu)化

艦船系統(tǒng)可用儲能技術(shù)有超導(dǎo)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(shù)主要為了提高效率和響應(yīng)脈沖負(fù)載。汽輪發(fā)電機(jī)組、柴油發(fā)電機(jī)組工作在接近額定狀態(tài)時的燃料利用效率是最高的[3]。當(dāng)負(fù)載需求功率較小時，發(fā)電機(jī)無法工作在理想狀態(tài)下，此時可增加儲能裝置，由儲能裝置吸收多余能量，使發(fā)電機(jī)工作在接近額定狀態(tài)；當(dāng)需求功率較大、而發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)共同配合滿足負(fù)載需求。對于艦船上特有的高能武器等脈沖負(fù)載，由于發(fā)電機(jī)的原動機(jī)無法在極短的脈沖時間內(nèi)響應(yīng)脈沖負(fù)載，故可由響應(yīng)速度快、功率密度大的儲能裝置解決這一問題。對此，文獻(xiàn)[4]中提出一種帶有蓄電池儲能系統(tǒng)的新型全電力推進(jìn)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]中對鋰電池與超級電容在新一代船舶中壓直流系統(tǒng)上的應(yīng)用做了可行性分析，雖然對多種工況進(jìn)行了仿真，但忽略了動態(tài)過程，也沒有對脈沖負(fù)載進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[6]中提出由電池、超級電容器、飛輪3種儲存技術(shù)組成的混合儲能系統(tǒng),該系統(tǒng)控制策略復(fù)雜，質(zhì)量和體積龐大，占據(jù)了船上大量空間。文獻(xiàn)[7]中設(shè)計(jì)了200 MJ的電容器滿足電磁軌道炮功率需求，但電磁炮的發(fā)射次數(shù)受限。文獻(xiàn)[8]中研究了大型脈沖負(fù)載在未來電力船上的協(xié)調(diào)問題。

基于上述分析，本文在船舶中壓直流電力系統(tǒng)中，加入鋰電池、超級電容器混合儲能系統(tǒng)，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(shí)現(xiàn)艦船能量的優(yōu)化與控制。

1 增加混合儲能系統(tǒng)的艦船中壓直流電力系統(tǒng)

為適應(yīng)未來海上作戰(zhàn)需求，進(jìn)一步減小中壓直流系統(tǒng)的體積、提升效率，Electric Ship Research and Development Consortium(ESRDC)提出船舶環(huán)形中壓直流電力系統(tǒng)模型，現(xiàn)已被IEEE所采納[9-10]。該系統(tǒng)母線電壓等級為5 kV，以2臺額定功率為36 MW的主發(fā)電機(jī)和2臺額定功率為4 MW的輔助發(fā)電機(jī)作為電源。艦船負(fù)載分為區(qū)域負(fù)載、動力負(fù)載和高能武器脈沖負(fù)載，其中區(qū)域負(fù)載有4部分組成，動力負(fù)載包括雷達(dá)和推進(jìn)負(fù)載(由2臺36 MW的推進(jìn)電機(jī)組成)。未來艦載激光炮和電磁炮脈沖負(fù)載功率將達(dá)MW級[11]，模擬高能武器的脈沖負(fù)載如表1所示。該脈沖負(fù)載在0.01 s內(nèi)，功率變化可達(dá)25 MW。ESRDC開發(fā)的模型是由電容器組作為儲能系統(tǒng)來解決脈沖負(fù)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(yīng)對脈沖負(fù)載和優(yōu)化系統(tǒng)效率，本文在ESRDC提出的環(huán)形模型基礎(chǔ)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(tǒng)。該儲能系統(tǒng)通過雙向有源變換器(Dual Active Bridge, DAB)與直流母線相連，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 脈沖負(fù)載參數(shù)

注:tp為脈沖時間;Pp為脈沖功率

2 混合儲能系統(tǒng)的應(yīng)用分析

2.1 混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

文獻(xiàn)[12-14]中對混合儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行了研究，適應(yīng)于艦船電力系統(tǒng)的混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，PL為負(fù)載功率;PG、PB、PSC分別為發(fā)電機(jī)、鋰電池、超級電容輸出功率，有PL=PG+PB+PSC。

圖2 混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(fù)載有恒功率負(fù)載和脈沖功率負(fù)載兩類；鋰電池主要負(fù)責(zé)緩沖脈沖負(fù)載功率值較低的低頻分量；超級電容負(fù)責(zé)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(fù)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(tǒng)的應(yīng)用分析

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

(1) 巡航模式下，長時間服務(wù)的大功率負(fù)載突然接入時。由于燃?xì)廨啓C(jī)加載和卸載速度較慢(約30～50 MW/min)，故當(dāng)大功率負(fù)載突然接入時，發(fā)電機(jī)不能迅速響應(yīng)，將導(dǎo)致直流母線電壓降低，嚴(yán)重時造成電力系統(tǒng)崩潰。為了及時響應(yīng)這種突然接入的大功率負(fù)載，可加入儲能裝置。本文在文獻(xiàn)[13]的基礎(chǔ)上增加了超級電容。若燃?xì)廨啓C(jī)的加載速度為48 MW/min，0時刻有脈沖負(fù)載接入，在0.1 s內(nèi)脈沖負(fù)載增加至25 MW，電池最大可持續(xù)充、放電功率為10 MW，發(fā)電機(jī)、鋰電池、超級電容器的功率分配如圖3所示。

圖3 發(fā)電機(jī)起動時功率分配

(2) 戰(zhàn)斗模式下，脈沖負(fù)載接入時。在戰(zhàn)斗模式下，發(fā)電機(jī)組工作狀態(tài)均接近額定狀態(tài)，此時脈沖負(fù)載所需能量應(yīng)由儲能系統(tǒng)提供。以表1中所給的模擬脈沖負(fù)載為例，可計(jì)算得到一個周期內(nèi)該負(fù)載所需平均功率為

為充分發(fā)揮鋰電池和超級電容的優(yōu)點(diǎn)，鋰電池在整個周期內(nèi)提供脈沖負(fù)載所需平均功率;在0～7 s和9.26～10.00 s內(nèi)，因負(fù)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(nèi)負(fù)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(fù)載的大功率需求。若在一個周期內(nèi)，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(fā)電系統(tǒng)功率控制

發(fā)電系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)經(jīng)過整流器變?yōu)? kV的中壓直流母線提供能量，發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中,wref為額定轉(zhuǎn)速；UDC_ref為的端電壓；Pref為發(fā)電機(jī)根據(jù)負(fù)載需求所提供的有功功率；Pshaft為同步電動機(jī)的輸入功率；ws為同步電動機(jī)的定子轉(zhuǎn)速；ks為原動機(jī)比例因子；Ef為勵磁電壓；P為發(fā)電機(jī)輸出有功功率的瞬時測量值；kd為U/P反下垂控制系數(shù)；UDC為直流電壓的測量值。

圖4 發(fā)電系統(tǒng)輸出功率與端電壓的控制

3.2 發(fā)電機(jī)起動過程的功率控制

當(dāng)某時刻負(fù)載突然增加并保持不變，需要起動發(fā)電機(jī)時，由于燃?xì)廨啓C(jī)加載速度較慢，不能及時滿足負(fù)載需求，由儲能系統(tǒng)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(shù);Psc_ref為超級電容輸出功率參考值。

圖5 發(fā)電機(jī)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(fù)載所需的平均功率(實(shí)際應(yīng)由鋰電池和發(fā)電機(jī)共同提供)。超級電容的輸出功率由脈沖負(fù)載功率、鋰電池實(shí)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(fù)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(fā)電機(jī)系統(tǒng)與鋰電池的功率分配

當(dāng)發(fā)電機(jī)工作在最佳工作范圍，即其輸出功率大于負(fù)載需求功率時，對鋰電池組進(jìn)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(fā)電機(jī)與鋰電池的功率分配

4 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證本文方法的有效性，根據(jù)圖1模型，利用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真參數(shù)如下：主發(fā)電機(jī)選用額定功率為36 MW的MT30燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，最低有效輸出功率為25 MW[12]，發(fā)電機(jī)額定電壓為4.16 kV。

(1) 當(dāng)長時間服務(wù)大功率負(fù)載接入、需起動燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)。圖8給出了巡航模式下的仿真結(jié)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(dāng)t=5 s時，需求功率增加至25 MW，由于燃?xì)廨啓C(jī)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(tǒng)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?xì)廨啓C(jī)的工作效率，多余的能量由鋰電池吸收的緣故。

圖8(c)為當(dāng)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(fā)電機(jī)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(fù)載的需求。

(2) 戰(zhàn)斗模式下,艦船連續(xù)接入2次脈沖負(fù)載(參數(shù)見表1)。第1次接入時刻為5 s。圖9給出了戰(zhàn)斗模式下的功率控制仿真結(jié)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(jié)果

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

(a) 脈沖負(fù)載功率、儲能系統(tǒng)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(fā)電機(jī)能滿足艦船基本負(fù)載的功率需求，當(dāng)接入脈沖負(fù)載后，發(fā)電機(jī)維持原來最佳輸出功率，故本文未給出發(fā)電機(jī)輸出功率。由圖可見，鋰電池只提供加載1次脈沖負(fù)載的平均功率，當(dāng)發(fā)電機(jī)和鋰電池提供的功率超過脈沖負(fù)載的需求功率時，由超級電容吸收多余功率；而當(dāng)發(fā)電機(jī)和鋰電池提供的功率低于脈沖負(fù)載需求功率時，則由超級電容發(fā)出功率；超級電容起到了緩沖作用。因此，在理想情況下，當(dāng)戰(zhàn)斗模式結(jié)束時，超級電容容量將與戰(zhàn)斗模式開始時相等，從而避免為使艦船隨時進(jìn)入戰(zhàn)斗狀態(tài)，而需要在其他時間對超級電容的預(yù)充電的情況。

5 結(jié) 語

本文在分析艦船系統(tǒng)功率需求的基礎(chǔ)上，將鋰電池、超級電容器儲能應(yīng)用在艦船中壓直流電力系統(tǒng)上，對不同工況采用不同的功率分配方案，使燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組工作在效率較高范圍內(nèi)。負(fù)載需求小于發(fā)電機(jī)的最低有效輸出功率時，發(fā)電機(jī)輸出功率為下限功率，多余部分由儲能吸收，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率不能滿足負(fù)載需求時，儲能系統(tǒng)發(fā)出功率。利用Matlab/Simulink針對艦船可能的工況進(jìn)行仿真。結(jié)果表明,當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時，發(fā)電機(jī)工作可以工作在最佳狀態(tài)，能夠合理分配發(fā)電機(jī)和儲能系統(tǒng)的輸出功率，并且能夠穩(wěn)定直流母線電壓，實(shí)現(xiàn)了艦船能量的優(yōu)化與控制。

[1] KUSEIAN J. Naval Power Systems Technology Development Roadmap PMS 320 [R]. [S.l.]:Electric Ship Office, 2013.

[2] HEBNER R. Energy Storage on Future Electric Ships [R]. [S.l.]:Electric Ship Research and Development Consortium, 2014.

[3] OPILA D F, SOLOMON L. Optimal control of dynamic pulse power loads in naval power systems using the pontryagin minimum principle and dynamic programming [C]∥ Power and Energy Society General Meeting.[S.l.]: IEEE,2012:1-7.

[4] KIM S Y, CHO B G, SUL S K. Feasibility study of integrated power system with battery energy storage system for naval ships[C]∥2012 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. Seoul,Korea: IEEE, 2012: 532-537.

[5] TANG Yichao, KHALIGH A. On the feasibility of hybrid battery/ultracapacitor energy storage systems for next generation shipboard power systems [C]∥2010 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. Lille, France: IEEE, 2010:1-6.

[6] ELSAYED A T, MOHAMMED O A. A comparative study on the optimal combination of hybrid energy storage system for ship power systems [C]∥2015 IEEE Electric Ship Technologies Symposium. Virginia:IEEE, 2015: 140-144.

[7] WOLFE T, RIEDY P, DRAKE J, et al. Preliminary design of a 200 MJ pulsed power system for a naval railgun proof of concept facility [C]∥2005 IEEE International Pulsed Power Conference.[S.l.]:IEEE, 2005: 70-74.

[8] Domaschk L N, Ouroua A, HEBNER R E, et al. Coordination of large pulsed loads on future electric Ships [J].IEEE Transactions on Magnetics, 2007,43(1): 450-455.

[9] ALI H, DOUGAL R, OUROUA A, et al. Cross-platform validation of notional baseline architecture models of naval electric ship power systems [C]∥IEEE Electr Ship Technologies Symposium. Alexandria, Virginia: IEEE, 2011: 78-83.

[10] IEEE Standards Association. IEEE recommended practice for 1 kV to 35 kV mediumvoltage DC power systems on ships. Std 1709TM-2010 [S]. [S.l.]: IEEE, 2010.

[11] 孫世巖,王炳.從綜合電力軍艦到艦載高能武器——關(guān)于未來海軍艦艇作戰(zhàn)模式和裝備發(fā)展的思考 [J]. 指揮控制與仿真，2015,37(3)：30-33.

[12] 桑丙玉, 陶以彬, 鄭高, 等. 超級電容-蓄電池混合儲能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略研究 [J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(2): 1-6.

[13] 程志江, 李永東, 謝永流, 等. 帶超級電容的光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)混合儲能控制策略 [J].電網(wǎng)技術(shù), 2015, 39(10): 2739-2745.

[14] 張純江, 董杰, 劉君，等. 蓄電池與超級電容混合儲能系統(tǒng)的控制策略 [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(4): 334-340.

[15] ITO T, SATO S，ARAI J, et al. Effective control method of power storage system for the operating stability improvement of lean-burn gas engine [C]∥2012 Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference. Shanghai: IEEE,2012:1-4.

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(xué)基金面上項(xiàng)目資助(61673260);上海海事大學(xué)?；痦?xiàng)目資助(20120100)

張歡歡(1991-),男，碩士生，主要研究方向?yàn)閮δ芗夹g(shù)在船舶電力系統(tǒng)的應(yīng)用, E-mail：zhanghuanhuan33@stu.shmtu.edu.cn

2095 - 0020(2017)01 -0034 - 06

U 665.12

A