基于混合儲能的船舶電力系統功率波動平抑控制策略

齊坤，朱志宇

江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003

0 引 言

隨著各國海洋開發和海防建設的快速發展，船舶的種類和數量一直在持續增加，這必然對海洋環境帶來一定的影響。為了滿足船舶日益增加的電力需求和優化營運的經濟性要求，越來越多的研究者將目光投向了全電力船舶。船舶的全電力系統包含推進系統和電力系統，其中負載所需負荷由統一的發電機進行供給，從而實現綜合利用能源和統一管理的目的。然而，由于船舶電站容量的不斷增加、用電負荷的迅速增長以及船舶在航行和作業過程中的工況日趨復雜，同時船舶電網的轉矩波動、功率波動會導致發電機組嚴重偏離其最佳工況，這些因素將對船舶電網的供電質量、船舶安全性和經濟性等造成影響。

針對該問題，最有效的方法是通過混合儲能系統（hybrid energy storage system，HESS）的充放電特性來匹配船舶電力系統的負載功率波動。在船舶航行和作業過程中，其負載波動可以分解為高頻波動和低頻波動，如果采用混合儲能來平抑波動，則需選擇相應的儲能設備以配合承擔功率。

在混合儲能方面，超級電容具有功率密度高、響應速度快以及使用壽命長等優點，其在短時間內可以進行較大功率的充放電操作，且在過充和過放方面具備一定的承受能力，所以特別適用于高頻擾動。然而，在應對低頻擾動方面，由于低頻擾動的幅度大且持續時間長，其平抑所需的能量較高，所以超級電容并不適用。雖然蓄電池儲能的壽命短、響應速度慢，無法進行頻繁的充放電操作，但其能量密度較高且價格較低，鑒于低頻擾動的特點，現階段宜采用蓄電池進行低頻擾動的平抑[1-2]。

目前，在混合儲能以及控制技術研究方面，國內的研究成果大多集中在微電網[1]、風/光發電系統[3-5]、混合動力汽車[2,6-7]等領域的系統穩定性方面。對于混合儲能在船舶領域的應用，國內尚處于初始研究階段。李強[8]提出了一種基于超級電容電壓和鉛酸電池荷電狀態（state of charge，SOC）的混合儲能系統控制策略，該策略通過設置混合儲能的動作閾值，從而控制充放電狀態，但其未設計儲能系統的功率分配策略。郭燚等[9]針對基于儲能管理和低通濾波器的模糊邏輯控制能量管理策略和比例積分（proportional integral，PI）控制器能量管理策略進行了仿真對比分析，發現前者在船舶中壓直流電力系統母線電壓大范圍跌宕時的抑制效果更好，由于其采用了多組儲能單元并聯的方式，所以尚未考慮各組儲能單元之間的狀態差異。鄒瀅[10]針對儲能系統的過充/過放問題，對儲能設備的SOC 進行了分區，并對混合儲能進行了功率分配，但其研究工況較單一，不能充分體現控制策略的有效性。Li 等[11]提出了一種基于混合儲能的分段線性功率分配策略，以平滑混合儲能的輸出電流，同時控制儲能單元SOC 的變化范圍，但該策略偏向于恢復儲能狀態，無法根據儲能單元的狀態差異來合理調整貢獻占比。

為此，本文擬提出基于混合儲能的船舶電力系統功率波動平抑控制策略，即在考慮混合儲能SOC 和系統功率波動的情況下，根據不同儲能類型的特點進行功率分配，以充分發揮不同類型以及不同狀態儲能單元的最大作用，從而實現平抑功率波動的目的，最終提高船舶電網的供電質量。

1 基于混合儲能的功率波動平抑原理

圖1 所示為自帶儲能裝置的船舶電力系統拓撲結構，該系統需根據設備功率需求進行合理的資源分配[12]。由于船體推進裝置在實際運行中需維持系統功能的正常運轉，所以其屬于最基本的功率需求，通常不會出現快速變化的情況。然而，海水流體作用以及海浪的頻繁沖擊將為推進裝置帶來頻繁的擾動；同時，系統內部脈沖性負載的啟停和運行工況的變化，也將給系統帶來不同程度的擾動。

圖1 自帶儲能裝置的船舶電力系統拓撲結構Fig. 1 Topology of ship power system with energy storage device

由于發電機組的響應較慢，故其難以實時響應外界的負載擾動，若不加以控制，必將引起不必要的功率波動，所以需通過混合儲能裝置來吸收或釋放一定的負載功率：即在船舶負載較輕時，混合儲能吸收多余能量；在負載較重且出現高頻次的擾動時，根據自身電量狀態以補足差值功率。混合儲能平抑功率波動的控制策略如圖2所示。

圖2 混合儲能平抑功率波動的控制策略Fig. 2 Control strategy of hybrid energy storage to suppress power fluctuation

2 基于低通濾波的混合儲能系統上層控制策略

本文的研究對象為作業狀況較復雜的挖泥船，為滿足其特殊工況以及疏浚功能的需求，船舶需配置動力設備、輔助設備以及疏浚設備。其中動力設備與疏浚設備是主要的功率消耗來源，當工況發生改變時，兩者將迅速改變其運行狀態并隨著外界擾動而劇烈變化，從而導致負載功率的頻繁波動。如果滿足最大負載需求，就必須讓發電機組以最大負載功率的狀態運行，這將導致其偏離最佳運行區間；如果將其輸出功率限制在一定范圍之內，則必須由相應的儲能裝置來應對負載波動帶來的沖擊。

在混合儲能系統的控制策略中，能量型儲能和功率型儲能的實時功率分配是一個關鍵問題，控制策略的優劣將直接影響儲能元件的使用壽命，以及船舶的安全性和穩定性。為此，需對負載波動功率進行頻譜分析，首先得到波動曲線的頻率集中域，再結合蓄電池和超級電容對不同程度擾動的響應速度差異，采用基于低通濾波器的功率分配策略進行初步分配。

根據一階低通濾波器的原理，對于基本RC電路，低通濾波算法的數學表達式為[7]

式中：R為電阻；C為電容；Uo為電容輸出電壓；Ui為電容輸入電壓；t為時間。

將式（1）變換到s域中，即可得到低通濾波器的傳遞函數H（s）：

混合儲能系統需要吸收/釋放的待補償總功率ΔP為

式中，Tsc為混合儲能系統對應的濾波時間常數。

將式（5）和式（6）進行離散化處理，得

3 基于改進下垂控制的混合儲能底層控制策略

通過上層控制對補償功率進行初步分配之后，如果對配置多儲能單元的混合儲能系統進行統一無差別控制，則將導致功率補償的效果差強人意，所以應在底層設計控制策略進行儲能單元之間的功率二次分配。在兼顧電壓控制和功率分配的控制技術中，下垂控制是目前應用最為廣泛的底層控制方法[13]。

3.1 基于下垂控制的混合儲能功率分配策略

基于電流-電壓（I-U）下垂控制思想（圖3），變換器通過調節輸出電壓就直接參與功率調節，以此實現各個儲能單元功率的合理分配，因此，通過控制變換器的輸出端電壓，即可改變整個儲能單元的輸出電流，從而輸出相應的功率。圖3 中：Ri，Rj均為虛擬電阻；IOi，IOj分別為Ri，Rj對應的輸出電流。

圖3 下垂控制原理圖Fig. 3 Schematic diagram of droop control

3.2 基于混合儲能SOC 的變系數下垂控制策略

當混合儲能進行波動功率平抑時，為了達到較好的平抑效果，應盡可能使各個儲能單元快速響應需補償的功率。由于儲能裝置受到過充/過放以及自身SOC 的限制，所以需要設計控制策略來解決這一問題，從而滿足待補償功率的需求，同時應考慮儲能單元貢獻能力的差異。

由于蓄電池組SOC 的變化速率相對緩慢，如果不引入均衡速率調節因子，在其輸出電流不變的情況下，則蓄電池組SOC 的均衡速率即為恒定，換言之，其SOC 的均衡速率不可控。由此，必須將SOC 值的變化速率以及變化趨勢進行放大，所以式（11）引入了SOC 冪指數值作為均衡速率的調節因子，用以顯著提升SOC 的均衡速率，從而在較短的時間內實現功率均分的目標。

得到荷電狀態差值系數 αi之后，即可對原始下垂系數進行修正，其修正依據是上層控制對該類儲能單元所分配的功率值，修正公式如下：

式中：khess_i為修正后的下垂系數；Pref為混合儲能上層控制策略中各類型儲能的待補償功率值。

因此，通過引入可以反映儲能單元SOC 狀況的變下垂系數，即可調節各類型儲能單元對于負載波動的響應能力，從而得到最優的功率分配結果。由此可見，船舶電力系統功率波動平抑策略不僅考慮了功率波動平抑需求，也兼容考慮了儲能裝置的功率分配問題，其控制流程如圖4 所示。圖4 中：Udcref為下垂控制輸出參考電壓；Udc為母線電壓；I*ref為電壓環輸出的電流參考值；I為儲能單元的反饋電流值；HPF 為高通濾波。

圖4 基于混合儲能的船舶電力系統功率波動平抑控制策略框圖Fig. 4 Block diagram of power fluctuation control strategy for ship power system based on hybrid energy storage

1） 根據船舶作業時的用電負載變化曲線，確定平抑之后的船舶負載功率，由此得到混合儲能的待補償功率值。

2） 對負載功率波動曲線進行頻譜分析，得到其波動頻率的分布范圍，進而確定濾波系數。在混合儲能的上層控制策略作用下，對待補償功率進行初步分配，將低頻功率分配給蓄電池，以增加蓄電池的使用壽命，而余下的高頻功率波動則由超級電容來承擔。

3） 采集各組儲能裝置的SOC，首先對其進行限值判斷，檢查是否滿足SOC 狀態要求；然后進行下垂系數參數計算，如果不滿足要求，相應的儲能裝置將立即退出并進行狀態調整，其所分配的補償功率則由其他滿足條件的儲能裝置來承擔。

4） 得到基于儲能荷電狀態的下垂系數之后，通過下垂曲線即可得到雙向DC/DC 變換器的參考電壓，進而實現儲能裝置的輸出待補償功率控制。

4 仿真分析

本節的研究對象為中交天津航道局有限公司所屬的11 000 m3耙吸式挖泥船，該船設置了型號為DAIHATSU12DKM-36 的雙主機，其額定轉速為600 r/min，額定功率為6 600 kW；同時配置了單機額定功率為2 500 kW 的雙軸帶發電機，以及1 臺額定功率為900 kW 的輔助發電機。

4.1 正常運行工況

本節將基于2013 年5 月16 日其在“黃驊港”外圍進行疏浚作業時的實際工況開展仿真分析，圖5 所示為該挖泥船在6 min 內的的負載功率變化曲線，圖6 所示為頻譜分析結果。

由圖5 可以看出，功率波動擾動存在高頻擾動和低頻擾動。經過頻譜分析之后，圖6 中的功率波動頻率主要集中在0.125 Hz 以內，所以低通濾波時間常數Tsc可以設為8。

圖5 挖泥船負載功率的變化曲線Fig. 5 Load power change curve of dredger

圖6 挖泥船負載功率變化曲線的頻譜分析Fig. 6 Spectral analysis of load power variation curve of dredger

假設經過混合儲能裝置波動平抑之后的負載功率穩定在5 234 kW，超級電容的最大功率為5 MW，蓄電池的最大功率為4 MW。本節將以2 組蓄電池儲能裝置和2 組超級電容儲能裝置為例，進行Simulink 仿真分析。為了驗證本文控制策略的可行性，設定2 組蓄電池組的初始荷電狀態值分別為0.8 和0.5，其波動區間為0.2～0.8；設定2 組超級電容的初始荷電狀態值為0.9 和0.5，其波動區間為0.1～0.9。

由圖2 可知，混合儲能裝置的輸出功率取決

于發電機組為響應功率需求而輸出的穩定功率與實際負載功率的差值。圖7 所示為混合儲能裝置的實時補償功率曲線，其功率大于0，即為放電狀態；反之，則處于充電狀態。圖8 所示為挖泥船經過混合儲能裝置平抑負載波動前后的曲線對比，由于船舶在實際運行控制中存在時間延遲，所以2 條曲線之間存在一定的誤差，但在可接受的范圍之內。

圖7 混合儲能裝置的補償功率變化曲線Fig. 7 Compensation power change curve of hybrid energy storage device

圖8 平抑前后的功率曲線對比Fig. 8 Comparison of power curves before and after suppression

圖9 所示為基于低通濾波的混合儲能上層控制策略下的補償功率曲線，以及發電單元的實時功率輸出曲線。在初次分配待補償功率時，蓄電池組補償功率曲線的波動頻率低于超級電容組，這與兩者對不同波動的反應速度相吻合；同時，蓄電池組整體承擔的量能高于超級電容組，這符合蓄電池組能量型的特點。在負載突增時間節點（30，80，120 s）和突減時間節點（60，100 s），超級電容組的反應速度較快，可以快速地吸收多余電能和釋放待補償電能，而在總體量能上則由蓄電池組承擔剩余補償功率。

圖9 混合儲能上層控制策略下的功率分配曲線和發電單元輸出功率曲線Fig. 9 Power distribution curve of hybrid energy storage upper control strategy and the power output curve of the generation unit

圖10 所示為基于混合儲能荷電狀態的變系數下垂控制策略作用下，蓄電池不同組之間的功率分配結果。本節設定蓄電池組1 的荷電狀態值為0.8，蓄電池組2 的荷電狀態值為0.5。首先，對差值功率進行初步分配；然后，通過在下垂控制中引入基于儲能荷電狀態的變下垂系數，進行組間功率分配，其中需對均衡速率調節因子進行選擇，經過仿真實驗賦值n=2。圖11 所示為2 組蓄電池的 SOC 變化曲線。

圖10 蓄電池組的功率分配情況Fig. 10 Power distribution of battery groups

由圖11 可知：在負載突增的情況下，需要蓄電池來響應負載需求，由于蓄電池組1 的初始SOC 值大于第2 組，所以其承擔的補償功率明顯較高；在輸出功率的狀態下，蓄電池組1 的 SOC值下降速度更快，這說明第1 組承擔的功率高于第2 組；在負載驟減的情況下，需要蓄電池組吸收系統多余的能量，此時蓄電池組的輸出功率為負（圖10 中第60 s 處），且蓄電池組1 的SOC 值為71.27%，蓄電池組2 的SOC 值為47.5%，所以蓄電池組2 優先吸收多余電量，故其充電功率較高，荷電狀態的恢復速度較快。

圖11 2 組蓄電池的SOC 變化曲線Fig. 11 SOC change curve of two batteries

圖12 所示為基于混合儲能荷電狀態的變下垂控制策略下，超級電容不同組之間的功率分配結果。超級電容的功率密度較大，可以較好地應對突加負載的影響。從圖12 中可以看出，為了達到快速吸收/釋放電能的目的，2 組超級電容的充放電均較為頻繁。由于超級電容組1 的荷電狀態較高，所以第1 組的輸出功率高于第2 組；而第2 組所吸收的剩余能量高于第1 組，以快速恢復荷電狀態。圖13 所示為2 組超級電容組的 SOC變化曲線。

圖12 超級電容組的功率分配情況Fig. 12 Power distribution of ultracapacitor groups

圖13 2 組超級電容組SOC 的變化曲線Fig. 13 SOC change curve of two ultracapacitor groups

4.2 極端工況

對于極端工況，例如蓄電池組或超級電容組的SOC 值不在正常工作范圍之內時，則相應的儲能單元無法較好地吸收或釋放電能以補償功率差值。本文將以蓄電池組為例進行仿真分析，假設蓄電池組1 和蓄電池組2 的初始SOC 值分別為0.8 和0.19（極端工況1），經過混合儲能限值判斷可知：蓄電池組1 的SOC 值在正常工作范圍內，而蓄電池組2 的SOC 值低于正常工作范圍的下限。為了防止蓄電池組2 過放，當吸收多余功率時，第2 組具有優先權，而第1 組不吸收功率；當負載劇烈增加時，第1 組需承擔所有的待補償功率，而第2 組則退出運行隊列。

圖14 所示為極端工況1 下的蓄電池組輸出功率曲線和SOC 變化曲線：在第83.5 s 之前，由于蓄電池組2 的SOC 值一直低于0.2，故其不承擔補償功率，僅吸收多余功率以恢復自身荷電狀態；在第83.5 s 之后，蓄電池組2 開始投入運行，并根據自身SOC 狀態承擔了相應的補償功率。

圖14 極端工況1 下的蓄電池組輸出功率曲線和SOC 變化曲線Fig. 14 Battery output power curve and SOC change curve in extreme case 1

然后，假設蓄電池組1 和蓄電池組2 的初始SOC 值分別為0.83 和0.5（極端工況2），此時蓄電池組1 的SOC 值超出了正常工作范圍的上限。為了防止其過充，其在吸收多余補償功率時不進行充電，而由蓄電池組2 來承擔。圖15 所示為極端工況2 下的蓄電池組輸出功率曲線和SOC 變化曲線：在第0～87 s 時，由于蓄電池組1 的SOC值高于0.8，故其不進行充電，而待補償功率則由蓄電池組2 來承擔；在第87 s 之后，蓄電池組1的SOC 值在正常工作范圍之內，則其投入運行，并承擔相應的分配功率。

圖15 極端工況2 下蓄電池組輸出功率曲線和SOC 變化曲線Fig. 15 Battery output power curve and SOC change curve in extreme case 2

由此可見，本文提出的功率分配方法實現了儲能組之間的功率有效分配，不僅可以快速恢復弱荷電狀態的儲能組，還充分發揮了強荷電狀態的儲能組作用，從而快速地達到能量均衡。

5 結 語

針對船舶電力系統在負載功率劇烈波動時，船舶電網電能質量下降和儲能裝置功率分配的問題，本文提出了一種基于蓄電池和超級電容混合儲能的船舶電力系統功率波動平抑控制策略。本文以某耙吸式挖泥船進行疏浚作業時的實際工況為數據來源進行仿真分析，結果表明，該控制策略實現了負載波動功率在不同類型儲能裝置之間的合理分配，以及儲能組之間的功率優化分配，滿足了儲能裝置的快速能量均衡和快速狀態恢復要求，最終達到了平抑功率波動的目的。