應(yīng)用SMES的船舶微電網(wǎng)儲能柔性控制系統(tǒng)設(shè)計

連廷耀

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學院 海事學院，廣東 廣州 510000)

0 引 言

船舶微電網(wǎng)主要由直流母線、電源、負載和儲能4個部分組成，其中利用風能和太陽能為該微電網(wǎng)提供電能驅(qū)動，儲能配件則負責存儲多余的風能和太陽能電量。但能量存儲配件受放電電壓影響，導(dǎo)致其負載電阻瞬間變化，使其供電電壓形成較大波動情況。隨著超導(dǎo)磁技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)磁（SMES）儲能裝置被應(yīng)用到船舶微電網(wǎng)內(nèi)。SMES儲能裝置在正常運轉(zhuǎn)情況下的電阻數(shù)值為0，其自身不會形成焦耳損耗，且其存儲電能容量較大載流密度也較高。但SMES儲能裝置在船舶微電網(wǎng)儲能應(yīng)用過程中，受磁場力和低溫環(huán)境影響，導(dǎo)致超導(dǎo)磁材料的超導(dǎo)態(tài)受到影響。因此有必要對其應(yīng)用在船舶微電網(wǎng)儲能過程中進行柔性控制。目前很多學者致力于研究微電網(wǎng)儲能控制系統(tǒng)，如傅守強等設(shè)計的直流配電功率平滑控制系統(tǒng)和季宇等設(shè)計的無源-滑模復(fù)合控制系統(tǒng)。前者從微電網(wǎng)中壓互聯(lián)裝置入手，通過對其進行采樣，使用PI控制器對其暫態(tài)功率進行補償后實現(xiàn)微電網(wǎng)儲能控制，后者則依據(jù)微電網(wǎng)光伏儲能的隨機特征，利用無源控制方法并結(jié)合PBC-SMC復(fù)合控制器實現(xiàn)微電網(wǎng)光伏儲能控制。上述2種方法在應(yīng)用過程中均存在不同程度缺陷，且并未考慮微電網(wǎng)儲能裝置存在擾動時如何對其進行控制。為此，本文設(shè)計應(yīng)用SMES的船舶微電網(wǎng)儲能柔性控制系統(tǒng)，提升船舶微電網(wǎng)儲能效果。

1 船舶微電網(wǎng)儲能柔性控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)技術(shù)框架

以B/S架構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計應(yīng)用SMES的船舶微電網(wǎng)儲能柔性控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)技術(shù)框架如圖1所示。

圖1 船舶微電網(wǎng)儲能柔性控制系統(tǒng)技術(shù)框架Fig. 1 Technical framework of ship microgrid energy storage flexible control system

船舶微電網(wǎng)儲能柔性控制系統(tǒng)技術(shù)框架由4個部分組成，分別是船舶微電網(wǎng)SMES儲能裝置、CIRO信息采集平臺、信號調(diào)理電路和人機交互中心。

1.2 硬件配置選取

CRIO信息采集平臺是實現(xiàn)的船舶微電網(wǎng)儲能柔性控制信息采集和接收采集命令的平臺，其可獲取當前舶微電網(wǎng)儲能運行參數(shù)并向人機交互中心發(fā)送實時信息，完成船舶微電網(wǎng)儲能實時信息上傳和接收人機交互中心發(fā)送的采集命令。

1.3 信號調(diào)理模塊設(shè)計

信號調(diào)理模塊負責將CRIO信息采集平臺采集到的船舶微電網(wǎng)SMES儲能實時電壓信息轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一區(qū)間的電流信息，其是實現(xiàn)船舶微電網(wǎng)儲能柔性控制的核心步驟。

將電壓信息輸入到接入電路電壓內(nèi)，其經(jīng)過負載電阻后輸送到兩級放大器內(nèi)的負極內(nèi)，同時將輸入電壓和偏置電壓輸入到兩級放大器正極內(nèi)，經(jīng)歷兩級放大器調(diào)理后即可輸出同一區(qū)間的船舶微電網(wǎng)SMES儲能實時電流信息。

1.4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)計

無線傳感網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是支撐船舶微電網(wǎng)儲能柔性控制系統(tǒng)信息傳輸?shù)幕A(chǔ)，設(shè)計無線傳感網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器信息傳輸流程，如圖2所示。

圖2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器信息傳輸流程Fig. 2 Information transmission process of wireless sensor network server

1.5 系統(tǒng)運行狀態(tài)信息收集與控制命令下發(fā)回路設(shè)計

船舶微電網(wǎng)儲能柔性控制系統(tǒng)運行狀態(tài)信息收集和控制命令下發(fā)是使系統(tǒng)啟動的關(guān)鍵，設(shè)計系統(tǒng)運行狀態(tài)信息收集與控制命令下發(fā)回路。

通過Crio-9 082控制芯片接收船舶微電網(wǎng)儲能柔性控制命令并執(zhí)行該命令，實現(xiàn)船舶微電網(wǎng)儲能柔性控制過程。

1.6 基于線性自抗擾的SMES儲能裝置變流器設(shè)計

船舶微電網(wǎng)儲能柔性控制系統(tǒng)內(nèi)人機交互中心使用儲能柔性控制單元實現(xiàn)船舶微電網(wǎng)SMES儲能裝置的柔性控制。儲能柔性單元使用自編程軟件形式設(shè)計的線性自抗擾的SMES儲能裝置變流器程序完成船舶微電網(wǎng)SMES儲能裝置的柔性控制全過程。線性自抗擾的SMES儲能裝置變流器設(shè)計過程如下：

船舶微電網(wǎng)SMES儲能裝置主要由交流側(cè)儲能變流器和直流側(cè)斬波器組成。

船舶微電網(wǎng)SMES儲能裝置拓撲結(jié)構(gòu)為典型的VSC結(jié)構(gòu)，其交流側(cè)和船舶微電網(wǎng)相連，可有效抑制船舶微電網(wǎng)功率不平衡現(xiàn)象。SMES儲能裝置通過斬波和船舶微電網(wǎng)儲能變流器直流側(cè)電容連接，實現(xiàn)船舶微電網(wǎng)的充電和放電功能。

依據(jù)SMES儲能裝置拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)計由跟蹤微分器、線性擴張觀測器和線性誤差反饋控制率組成的線性自抗擾SMES儲能裝置變流器。構(gòu)建SMES儲能裝置數(shù)學模型如下：

式中：表示SMES儲能裝置階數(shù)；()表示階數(shù)為且時為時，SMES儲能裝置當前儲能充放電數(shù)值；表示控制增益；表示船舶微電網(wǎng)總擾動數(shù)值；() 表示時刻為時無干擾控制量。

將式（1）內(nèi)的船舶微電網(wǎng)總擾動數(shù)值作為未知狀態(tài)變量，使船舶微電網(wǎng)SMES儲能裝置當前數(shù)值擴展出新狀態(tài)，形成船舶微電網(wǎng)SMES儲能裝置狀態(tài)空間，其表達公式如下：

式中：表示變流器交流側(cè)輸出數(shù)值；表示船舶微電網(wǎng)SMES儲能裝置交流側(cè)在軸上的電流和擾動數(shù)值集合；表示當前船舶微電網(wǎng)SMES儲能裝置新狀態(tài)；表示新狀態(tài)下的總擾動數(shù)值。

依據(jù)式（2）結(jié)果建立二階線性擴張觀測器推導(dǎo)公式后并對船舶微電網(wǎng)SMES儲能裝置狀態(tài)變量和總擾動數(shù)值進行估計，其表達式如下：

式中，σ表示二階線性擴張觀測器跟蹤狀態(tài)。

由公式（3）可知，二階線性擴張觀測器作用的關(guān)鍵在于對船舶微電網(wǎng)SMES儲能裝置狀態(tài)的實時擾動進行估計并加以消除，使補償后的船舶微電網(wǎng)SMES儲能裝置狀態(tài)形成線性積分串聯(lián)狀態(tài)。

將上述過程以軟件自編程形式寫入到人機交互中心的儲能柔性控制單元內(nèi)，用戶通過啟動該單元即可實現(xiàn)船舶微電網(wǎng)儲能柔性控制。

2 實驗分析

以某船舶微電網(wǎng)為實驗對象，使用本文系統(tǒng)對該微電網(wǎng)SMES儲能裝置進行柔性控制，以驗證本文系統(tǒng)實際使用效果。該船舶微電網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 船舶微電網(wǎng)架構(gòu)Fig. 3 Architecture of ship microgrid

2.1 可靠性測試

系統(tǒng)運行可靠性的量化指標是其在運行周期內(nèi)平均無故障運行時間，以其為衡量本文系統(tǒng)可靠性指標，設(shè)置5個運行周期每個周期為30天，統(tǒng)計10個運行周期內(nèi)本文系統(tǒng)運行中斷時間。

本文系統(tǒng)在5個運行周期內(nèi)僅在第1個和第3個運行周期時分別出現(xiàn)1次中斷情況，中斷持續(xù)時間分別為0.2 min和1 min，其總中斷持續(xù)時間為1.2 min。該數(shù)值說明本文系統(tǒng)在運行周期內(nèi)平均無故障時間較長，具備良好的可靠性。

2.2 儲能信息采集測試

給出本文系統(tǒng)對該船舶微電網(wǎng)SMES儲能裝置進行采樣界面，如圖4所示。

圖4 儲能信息采集測試Fig. 4 Energy storage information acquisition test

可知，本文系統(tǒng)在采集船舶微電網(wǎng)SMES儲能信息時，可通過設(shè)置不同采樣點數(shù)值和采樣頻率采集不同時段或不同狀態(tài)下的儲能數(shù)據(jù)。也可從該畫面觀察到當前儲能裝置輸出和輸入電流波形。說明本文系統(tǒng)在采集舶微電網(wǎng)SMES儲能信息時具備較好的可控性，信息采集能力較為全面。

2.3 儲能柔性控制效果測試

以船舶微電網(wǎng)儲能輸出母線電壓為實驗對象，應(yīng)用本文系統(tǒng)對該輸出母線電壓進行柔性控制，結(jié)果如圖5所示。

圖5 船舶微電網(wǎng)儲能輸出母線電壓柔性控制效果Fig. 5 Flexible control effect of ship microgrid energy storage output bus voltage

可知，船舶微電網(wǎng)儲能輸出母線電壓在未對其進行柔性控制前，其母線電壓波動區(qū)間在-0.3～1.3之間，而應(yīng)用本文系統(tǒng)對其進行柔性控制后，其電壓波動區(qū)間僅為0.6～0.9之間，且輸出電壓最大數(shù)值和最小數(shù)值之間差值得到有效降低，大大抑制了母線輸出電壓波動。說明本文系統(tǒng)可有效對船舶微電網(wǎng)儲能輸出母線電壓進行柔性控制，使其輸出電壓數(shù)值波動區(qū)間較小。

以信號調(diào)理電路輸出船舶微電網(wǎng)儲能電流波形為實驗對象，測試本文系統(tǒng)對船舶微電網(wǎng)儲能柔性控制效果，結(jié)果如表1所示。

可知，船舶微電網(wǎng)儲能電流在未應(yīng)用本文系統(tǒng)進行柔性控制時，其初始電流數(shù)值呈現(xiàn)波浪狀起伏趨勢，且起伏跨度較大。而經(jīng)過本文系統(tǒng)對其進行柔性控制后，電路數(shù)值起伏趨勢與初始電流完全相同，但控制后的船舶微電網(wǎng)儲能電流數(shù)值較初始電流數(shù)值低2.17 A。該結(jié)果說明本文系統(tǒng)在控制船舶微電網(wǎng)儲能電流方面同樣具備較高的性能，其應(yīng)用效果較好。

表1 信號調(diào)理電路輸出前后電流數(shù)值Tab. 1 Current values before and after signal conditioning circuit output

3 結(jié) 語

本文設(shè)計應(yīng)用SMES的船舶微電網(wǎng)儲能柔性控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)分析SMES儲能裝置拓撲結(jié)構(gòu)，有針對性地設(shè)計了基于線性自抗擾的SMES儲能裝置變流器，并以軟件自編程形式將其寫入到系統(tǒng)人機交互中心內(nèi)的儲能柔性控制模塊內(nèi)，通過啟動該模塊內(nèi)控制器程序，實現(xiàn)船舶微電網(wǎng)儲能柔性控制。經(jīng)過實驗驗證：本文系統(tǒng)運行時周期內(nèi)平均無故障時間較長，可靠性較高；可有效降低船舶微電網(wǎng)儲能輸出母線電壓波動區(qū)間。