復合儲能混合動力船舶智能能效管理系統

江 亮，黃再輝，陳民鋒

（桂林電子科技大學 海洋工程學院，廣西 北海 536000）

0 引 言

隨著全球經濟的快速增長以及人們對環境保護意識的不斷增強，船舶在水面航行過程中排放的廢氣對周圍的海洋環境產生的影響逐漸得到了人們的重視[1]。由于船舶電力推進系統有著可以提升船舶的能效、實現機艙的靈活布置等優點，得到了廣泛的關注，并且船舶的電力推進系統可以進行變速發電，因此該系統可以十分方便接到各類新能源系統中[2]。以燃料電池為基礎的船舶電力混合動力系統實現了多種新能源的耦合，但是采用這類混合動力系統，船舶在航行過程中也出現了能效優化、多能源協調等優化控制問題，這些問題對船舶混合動力系統的應用提出了更高的要求，設計高效的混合動力系統成為提升船舶能量使用效率的重要方法[3]。

1 船舶復合儲能系統設計

1.1 復合儲能系統結構分析

根據船舶自身特點可知，船舶在正常航行過程中，輸出的功率比較穩定，一旦遇到風浪等情況，輸出的功率波動范圍則會比較大，這會增大船舶電力系統的不穩定性[4]。當船舶的負載功率出現較大的波動或者頻率比較快的時候，為了能夠確保船舶可以穩定輸出功率，則需要使用儲能系統進行能量調節，以便可以對船舶電機的輸出效率進行優化，并且確保船舶上電網的穩定性[5]。化學、物理以及電磁儲能是最常見的3 種儲能形式。船舶電力系統中通常使用電化學、飛輪、超級電容器以及超導磁等儲能設備。雖然超導磁儲能包含了上述3 種儲能系統的所有優點，但是其價格昂貴。船舶復合儲能系統結構如圖1 所示。

圖1 船舶復合儲能系統結構圖Fig. 1 Structure diagram of ship composite energy storage system

磷酸鐵鋰電池PNGV 模型的特點在于，在電池模型的支路中串聯了一個電容，利用該電容可以十分便利模擬電池的極化現象，同時在電容頻繁的充放電過程中，電池的模型精度比較高，因此采用PNGV 模型來模擬磷酸鐵鋰電池的充放電過程，其數學模型為：

超級電容在充電的過程中，其數學模型為：

式中，C為電容大小。其計算公式為：

式中：ε0和ε1為介質常數；A為電容面積；D為電容兩極間距。可以看出，電容的C值和面積A以及介電常數成正比例關系。超級電容的電壓、電荷狀態以及能量可以分別表示為：

1.2 復合儲能系統容量優化

當船舶上負載消耗的功率比較大的時候，船舶上的電網系統則可以使用復合儲能系統來穩定船舶發電機的輸出功率，并且提升船舶上的電網對船舶負載供電的可靠性程度，這需要對船舶上的復合儲能系統進行容量優化[6]。在對船舶上的復合儲能系統進行最優配置的過程中，首先需要知道每個儲能單元承擔的平均功率，船舶復合儲能系統的補償功率取決于船舶負載需要的功率和船舶發電機輸出功率之間的差，計算公式為：

式中，PHESS為船舶復合儲能系統的功率補償值。船舶復合儲能系統的電荷狀態在充電和放電過程中的變化情況，可以分別表示為：

船舶復合儲能系統中的電池以及電容的折舊系數主要和工作年限、自身的折舊率有關，計算方法為：

式中：d為折舊系數；l為工作年限。

在對儲能系統進行優化配置的過程中，可以將船舶復合儲能系統的成本Cp作為優化目標，其計算方法為：

當船舶發電機和復合儲能系統的輸出功率比船舶負載的功率低的時候，這種情況稱作負荷缺電，其計算方法如下式：

當船舶發電機和復合儲能系統的輸出功率比船舶負載的功率高的時候，這種情況稱作能量溢出，其計算方法如下式：

負荷缺電和能量溢出均可以用來描述船舶電網的可靠性程度，負荷缺電和能量溢出的值越小，則表示船舶電網系統越可靠。

2 船舶混合動力系統建模仿真

船舶混合動力系統中蓄電池的特征參數主要包括容量、放電倍率、荷電狀態、端電壓、內阻、充電效率以及開路電壓等[7]。電池的容量為在一定條件下可以釋放出的所有電量，其計算方法為：

船舶的電荷狀態是指電池當前的容量，其表示方法為：

接入實際電網之后，電池兩端輸出電壓的變化情況如圖2 所示。可以看出，電池的端電壓會在一定時間內維持穩定，超過一定的時間之后，端電壓會迅速下降。

圖2 電池放電特性曲線Fig. 2 Battery discharge characteristic curve

電池的充電效率為電池放電期間輸出的能量和恢復到放電前所需能量的比值，其計算方法如下式：

超級電容在以一定的電流恒定放電的過程中，可以用超級電容放電的電量和超級電容兩極之間的電壓變化量的比值來表示該超級電容的容量，計算方法如下式：

在以恒定電流的方式充電的情況下，超級電容兩極之間的電壓變化曲線如圖3 所示。可以看出，超級電容的端電壓隨時間呈線性變化。超級電容中的能量值：

圖3 超級電容兩極之間的電壓變化曲線Fig. 3 The voltage change curve between the two poles of a supercapacitor

通過DC/DC 得到的電壓波形如圖4 所示。可以看出，經過雙向DC/DC 電壓變換器之后，電壓能夠上升到527 V。使用PEMFC 堆棧模型來模擬燃料電池，PEMFC 模型融合了電氣模型以及化學模型的特征，并且將電池內的流體忽略掉，因此得到了廣泛應用。

圖4 固定移相角下的DC/DC 輸出電壓Fig. 4 DC/DC output voltage under fixed phase shift angle

3 船舶智能能效管理系統

本文采用的智能能效管理方法為，首先對船舶上的發電機組的工作狀態進行定義，然后將船舶上發電機組的實時運行狀態以及船舶負荷需要的能量信息發送給船舶能量優化調配模塊，船舶能量優化調配模塊根據這2 個信息，給不同的動力源發送各自的輸出參考功率，最后通過信號轉換之后，控制船舶上的電子調速器以及DC/DC 變換器，最終實現船舶上各個動力源功率的優化輸出。將船舶上發電機和動力源進行分開，這樣有利于降低船舶能量優化分配的復雜程度。

結合船舶發電機組的工況、船舶電力系統的穩定性以及船舶儲能系統的安全性等因素，本文構建了船舶智能能量優化分配的數學模型。船舶發電機的燃料消耗量和船舶發電機的輸出功率成正比，如圖5 所示。控制船舶發電機的總燃油消耗量最低是船舶能量優化分配的目標，該目標方程為：

圖5 船舶燃料消耗量隨功率變化的曲線關系Fig. 5 Curve relationship between ship fuel consumption and power variation

式中：x為船舶發電機編號；fv,x為船舶發電機燃料消耗率，船舶發電機的燃料消耗率為：

式中：Pg,x為船舶發電機的輸出功率。根據船舶發電機的測試數據，可以得到船舶發電機的燃料消耗率和功率的關系曲線如圖6 所示。可以看出，隨著功率的增大，船舶發電機的燃料消耗率會逐漸降低，最終會達到一個最低值，然后隨著船舶發電機功率的進一步增加，船舶的燃料消耗率存在一定程度的上升。

4 結 語

船舶混合動力技術的快速提升，對船舶混合動力系統的經濟性提出了更高的目標，因此相關研究機構對多種類型的船舶混合動力系統及其控制方法進行了多角度的研究，特別是針對船舶儲能設備容量、能效的提升以及多種能量源的協調與控制等。對船舶混合動力系統及其主要構件的特性進行分析，同時設計出高效的能量管理方法，這對提高船舶混合動力系統的能效，實現船舶的節能減排等目標，有重要的理論意義。