船舶微網功率分配策略仿真研究

王文斌，俞萬能，楊榮峰，于洪亮，張文斌

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船舶微網功率分配策略仿真研究

王文斌，俞萬能，楊榮峰，于洪亮，張文斌

（集美大學輪機工程學院，福建廈門 361021）

針對包含柴油發電機、光伏陣列、儲能電池組成的船舶微網系統，提出了一種船舶微網功率分配策略。該控制策略依據各微源出力和負荷情況，制定相應的功率分配計劃。在Matlab/simulink環境下對船舶微網各個組成部分進行建模并對所提出的控制策略進行仿真，仿真結果驗證了所提出的控制策略的可行性和正確性。

光柴儲 船舶微網 功率分配

0 引言

目前，船舶電站主要依靠柴油發電機為用電負荷提供電能，雖然其可靠性好但也造成了大量不可再生能源的消耗和環境污染。隨著傳統化石能源的日益枯竭，無污染且豐富的可再生能源如風能、太陽能、地熱能、潮汐能等新能源的利用受到廣泛的關注。新能源特別是太陽能在船舶微網中的廣泛應用也將成為不可避免趨勢。

為了充分利用可再生能源，保證船舶微網的安全可靠運行，必須對各發電單元輸出功率進行合理調配。但是目前對于船舶微網方面的相關研究較少。文獻[1]針對小型船舶，設計了基于電池組，柴油發電機和太陽能的船舶混合動力系統，介紹了系統配置、控制結構和能量管理策略，微網中包含380 V電網、220 V電網、直流電網，它們之間通過大量的變換器互聯，降低了系統的可靠性。文獻[2]和文獻[3]對新能源游覽船舶微網能量管理控制系統進行開發并提出相應的控制策略，已在實船應用，驗證了所開發的能量管理控制系統穩定性和可靠性。該套控制系統和控制策略主要針對直流微網，直流微網電能利用率低、成本高。文獻[4]提出基于規則的能量管理策略，根據負載功率需求情況進行微網能量控制。供電部分包含蓄電池組和柴油發電機，沒有充分利用可再生能源減少船舶的排放。文獻[5]提出了船舶微網發電系統的構建流程，并對關鍵技術進行了詳細闡述，有效提高了清潔能源的利用率。

本文針對由光柴儲組成的船舶微網，依據光伏電池、柴油發電機、儲能系統發電特性，在Matlab/ Simulink仿真軟件中建模。根據負荷情況和各微源的運行情況制定合理的功率分配計劃。最后，組建整個船舶微網仿真系統，驗證所提出的功率分配策略的可行性和正確性。

1 船舶微網系統拓撲結構

按照分布式電源的接入方式不同，船舶微網可以分為直流微網和交流微網兩種結構。相比直流微網，交流微網具有微源的擴展性好、供電可靠性高的特點。圖1為本文研究的船舶微網系統結構圖，該系統由儲能系統、光伏陣列、柴油發電機、DC/AC變換器及負荷組成。儲能系統采用磷酸鐵鋰電池，通過雙向DC/AC變換器接入交流母線，實現了能量在儲能系統和交流母線的雙向流動。光伏陣列通過單向DC/AC變換器接入交流母線，能量只能從光伏陣列流向交流母線。

圖1 船舶交流微網系統結構

2 基于光柴儲船舶微網的建模

2.1 磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池由于其發熱量低、穩定性好；循環壽命長；生產和使用過程中無毒、無污染而被廣泛應用。本文磷酸鐵鋰電池建模方法參考文獻[6]，如圖2為單體電池等效電路模型。

如圖2所示，單體電池可以等效為A、B、C、D四個部分。A部分為電池的熱模型，由受控電流源τIB和電池熱阻組成，反映了電池不同充放電電流下對應的溫升。B部分為采用安時積分法估算電池SOC 模型。C部分為滯回電壓模型，反映單體電池的滯回電壓特性。D部分描述電參數特性，由平衡電動勢emf（Electro-Motive Force）、滯回電壓Lh、直流內阻Ω和三階RC網絡組成。

2.2 光伏電池

光伏電池的等效電路模型[7]如圖3所示。

圖中I為光生電流，其大小取決于光照強度和溫度，為一個受控電流源；I為電壓反作用PN結產生的電流；I為光伏電池因漏電而發生的短路電流；R和R分別為光伏電池的串聯電阻和并聯電阻；為光伏輸出電壓；為光伏輸出電流。由等效電路圖可得光伏電池的輸出電流為：

上式中I為二極管反向飽和電流；為電子電量常量，為1.602e-19（C）；為二極管特性擬合系數；為玻爾茲曼常數，為1.831e-23（J/K）；為光伏電池工作開氏溫度值；I為在太陽輻射強度為1000 W/m2、電池溫度為25℃情形下的短路電流；為結常數，為1.5。

圖4為根據上式得出的光伏陣列模型。

圖3 光伏電池等效電路模型

2.3 柴油發電機

柴油發電機是把原動機的機械能轉換為電能的一種發電裝置，圖5為柴油發電機的模型框圖，主要包括柴油機，調速器，同步發電機和同步機勵磁系統組成。建模方法參考文獻[8]。轉速調節器采用PID控制，柴油發動機采用一階慣性近似模型，轉差信號經過轉速調節器得到油門指令值，油門執行器依據指令值給柴油機氣缸噴油，柴油發動機帶動同步發電機旋轉發電。勵磁系統通過調節勵磁電流，保持機端電壓穩定。

圖4 光伏陣列模型

圖5 柴油發電機模型框圖

2.4 逆變電源建模

光伏電池和蓄電池輸出的直流電必須通過DC/AC變換器接入交流微網，其拓撲結構如圖6所示，上位機通過控制信號選擇逆變器的控制模式，控制器根據不同的控制模式生成IGBT的開關信號，把直流電轉換成交流電，實現了能量形式的轉換。本文中采用的控制模式有兩種：電壓/頻率（V/F）控制和功率（PQ）控制。

圖6 逆變電源拓撲結構

V/F控制的作用是控制逆變器輸出恒定的電壓和頻率為微網提供電壓和頻率支撐，其輸出功率隨負荷變化而變化，控制結構如圖7所示。外環由“功率參考值形成”環節和“功率控制”環節構成，得到電流內環的參考信號，電流內環把外環得到的電流參考信號與實際電流比較，對誤差進行PI控制得到輸出電壓控制信號。PQ控制的作用是控制發電單元輸出恒定的功率，控制結構如圖8所示。設定功率因素為1，功率參考值除以微網電壓得到電流參考信號，電流內環解耦控制，對d軸分量和q軸分量實現了單獨控制。

圖8 PQ控制結構圖

3 船舶微網系統的功率分配策略

船舶微網不同于傳統的電網，沒有統一的調度中心進行協調，并且大功率負荷、非線性負荷多，運行工況比陸地微網復雜。因此如何分配船舶微網中柴油發電機、儲能系統、光伏陣列的輸出功率是微網安全可靠運行的關鍵。圖10為功率分配策略流程圖。（load：負荷需求功率；pv：光伏輸出功率；bch：蓄電池充電功率；bf：蓄電池放電功率；d：柴油發電機輸出功率；SOC：蓄電池荷電狀態；SOClow：蓄電池荷電狀態下限值）首先檢測各個節點電壓和電流，計算相應的功率。當光伏輸出功率大于負荷時，光伏電池直接給負載供電，多余的能量給電池充電,此時為太陽能供電模式。當蓄電池并入微網且柴油機沒有啟動時，蓄電池采用V/F控制，為船舶微網提供電壓和頻率支撐，快速補償微網中光伏和負荷的功率變化，此時為太陽能和蓄電池供電模式。當柴油發電機并入微網時，由于柴油發電機調速特性可以為微網提供電壓和頻率支撐，光伏電池和蓄電池都采用PQ控制，此時為光柴儲聯合供電模式。

4 仿真分析

基于以上各個模塊的建模及分析，搭建圖9所示的船舶微網模型。圖中柴油發電機的額定容量為60 kVA，光伏陣列額定功率為23 kW，電池組參數為100 Ah-537 V。

圖9 船舶微網模型

圖10 功率分配策略流程圖

(a)發電單元和負載有功功率曲線

(b)微網母線電壓

圖11 工況1仿真波形

工況1：功率曲線波形如圖11（a）所示，初始時刻，太陽光照強度為1000 W/m2，溫度為25℃，并且保持上述條件不變，光伏陣列輸出功率保持為23 kW，負載所需功率15 kW。由于光伏輸出功率能滿足負荷要求，所以此時為太陽能供電模式，多余的功率給蓄電池充電，充電功率為8 kW。1 s時，系統負荷突然增加15 kW，光伏輸出功率不足以滿足負荷需求且蓄電池SOC>SOClow，供電模式由太陽能供電切換為太陽能和蓄電池供電模式，蓄電池的輸出功率由bf=load-pv決定，為7 kW補償了系統中的功率缺額。由圖11（b）可知，在供電模式切換瞬間，系統電壓發生短時突變，經過0.01 s后恢復到穩態。

（a）發電單元和負載有功功率曲線

(b)微網母線電壓

圖12 工況2仿真波形

工況2：功率曲線波形如圖12（a）所示，初始時刻太陽光照強度和溫度與工況1相同，系統負荷為73 kW，光伏陣列和蓄電池輸出功率分別為23 kW和30 kW，由于光伏和蓄電池輸出功率不能滿足功率需求，所以多余的負荷功率由柴油發電機承擔，柴油機輸出功率為20 kW，此時為光柴儲供電模式。在1 s時，負荷突然增加15 kW，為了充分利用可再生能源，光伏始終以最大功率輸出23 kW。由于蓄電池的響應速度快，在蓄電池SOC和放電電流允許的情況下增加的15 kW功率中的10 kW分配給蓄電池，加快系統的響應速度。不足的功率由柴油機發電機根據公式d=load-bf-pv進行補償，使系統能量供需平衡。由圖12（b）可知，不論在系統穩定運行時還是功率發生波動時，所提出的功率分配策略都能保證微網母線電壓不發生突變。

5 結論

本文基于光柴儲船舶微網系統，依據各發電單元的功率輸出和負荷需求，制定三種供電模式：太陽能供電模式、太陽能和蓄電池供電模式、光柴儲聯合供電模式，滿足船舶微網對有功功率的需求，使交流母線電壓保持穩定。為驗證所提出功率分配策略的有效性，在matlab/simulink中對各發電單元模塊化建模，組建整個船舶微網系統。仿真結果表明所提出的功率分配策略在負荷波動情況下仍能保證系統的穩定運行。本研究為船舶微網各發電單元的功率分配提供了參考，在后續的工作中還需要對功率的優化調度進行研究。

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The Simulation on Power Allocation Strategy for Ship’s Hybrid Microgrid

Wang Wenbin, Yu wanneng,Yang Rongfeng, Yu Hongliang, Zhang Wenbin

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

TM91

A

1003-4862（2017）06-0009-05

2017-02-09

國家自然科學基金（51679106），交通部應用基礎科研項目（2015329815160），福建省科技計劃項目資助（2015Y0038/2016H6017），廈門市科技計劃項目（3502Z20151231）

王文斌（1991-），男，碩士研究生。研究方向：船舶電力推進及其控制。

俞萬能（1970-），男，博士, 教授。主要研究方向:船舶電力推進及其控制。E-mail：wnyu2007@jmu.edu.cn