機動式光-油綜合能源系統(tǒng)設計研究

李 淵，李 釧，宋建青，劉文平

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

為保障外場測試能源供應體系，不斷改進外場測試保障設備，研究人員針對可移動式方艙供電系統(tǒng)提出了利用太陽能等綠色可再生能源解決方艙的各種用電需求[1]。隨著科學技術的不斷進步、用電設備的日益復雜化以及外場環(huán)境條件的日趨嚴苛，對能源保障起關鍵作用的供電方艙的性能要求也越來越高，供電方艙不僅要具有較強的環(huán)境適應能力，還應具有穩(wěn)定、方便、可靠的電源系統(tǒng)[2]。

方艙在后勤能源核心能力建設中發(fā)揮著極其重要的作用，主要包括方艙醫(yī)院、方艙指揮中心、方艙廚房等。目前我國可移動式方艙的電源系統(tǒng)主要是利用電站方艙或發(fā)電掛車發(fā)電的方式供電，該供電方式供電系統(tǒng)鋪設范圍大、噪聲大，而且油耗量大，需要頻繁加油，這些缺點限制了方艙更好的應用[3]。

能源是現代工業(yè)時代的命脈，是進行外場工作的根基力量，掌握可靠的能源供給就掌握了主動權。由于人員赴外試驗所處地區(qū)基本沒有電力供應，針對供電難以長時間滿足的問題，本文提出了一種機動式光-油綜合能源系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托可移動式方艙，通過艙頂光伏展開結構可以很好地利用太陽能發(fā)電的優(yōu)點，為方艙提供連續(xù)、可靠的電力供應，可有效解決傳統(tǒng)供電模式中噪音大且需頻繁加油的缺點；搭配的能源系統(tǒng)可以作為獨立的電源系統(tǒng)應用于方艙中，該系統(tǒng)不但能達到節(jié)能的目標，并且操作程序大大簡化，應用和維護都方便許多，能夠滿足快速穩(wěn)定的供電要求，解決外場試驗中各種儀器設備的用電需求，確保任務順利完成。

1 機動式光-油綜合能源系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)構成介紹

機動式光-油綜合能源系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能電池系統(tǒng)、柴油機組供電系統(tǒng)和電能智能管理中樞組成，如圖1 所示，其中電能智能管理中樞負責控制系統(tǒng)的總體軟硬件控制，負責多能源的輸入、整合與轉化，將不同的能源輸入按照一定規(guī)則調度，使輸出達到負載所需電壓及功率。

圖1 機動式光-油綜合能源系統(tǒng)

(1)光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要采用太陽能帳篷的方式，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的太陽電池板。太陽能帳篷即在方艙的外壁涂覆上一層太陽電池材料制成的薄膜，并且太陽電池表面設有一層透明防護層，保護薄膜太陽電池不易劃傷。

(2)儲能電池系統(tǒng)

蓄電池系統(tǒng)主要由磷酸鐵鋰電池組組成，其主要作用是平時將光電儲存，在無光的情況下向負載提供電力。

(3)柴油機組供電系統(tǒng)

當連續(xù)多日無太陽且蓄電池系統(tǒng)儲存的電能已經無法繼續(xù)支持負載的正常工作時，可啟動備用柴油機組供電部分為負載供電。

(4)能源管理中心

能源管理中心負責能源系統(tǒng)的總體軟硬件控制，負責多能源的輸入、整合與轉化，將不同的能源輸入按照一定規(guī)則調度，使輸出達到負載所需電壓及功率。主要針對太陽能、儲能、柴油機三種能源進行轉換、管理控制，并利用這三種能源進行電能輸出，建立光-燃-儲型離并網綜合微電網系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)基本原理

考慮避免能源損耗，滿足高效率輸出目標，本系統(tǒng)采用380 V/50 Hz 交流耦合的技術方案，如圖2 所示。該拓撲結構簡單，光柴儲協(xié)調運行等控制策略簡潔容易實現，交流保護技術成熟，系統(tǒng)更加安全可靠。

圖2 光油綜合能源系統(tǒng)拓撲示意圖

本系統(tǒng)基本功能包括：

(1)具備光伏發(fā)電、柴油發(fā)電、電能存儲和單相/三相交流輸出功能，滿足各輸出支路獨立控制，并具備接入市電的能力，具備市電、光伏組件和柴油發(fā)電為儲能電池充電的功能。

(2)柴油發(fā)電機組由柴油發(fā)電機和連接線纜等組成。柴油發(fā)電機滿足在3 000 m 海拔穩(wěn)定有效輸出功率38.17 kW，可根據能源管理系統(tǒng)綜合調度，在儲能電池組能量不足時自啟動，為任務設備提供電源保障，也可通過能源管理系統(tǒng)為儲能電池組充電。

(3)具備監(jiān)控、保護、黑啟動、柴油機無縫投退等功能。

(4)供配電網絡：a)系統(tǒng)配套相應功率的供配電網絡；b)供配電網絡各輸出支路可獨立控制，支持單相負載和三相負載接入；c)具備故障聲光告警功能，具有故障自動切斷、手動復位功能。

2 基于容錯控制的混合能量協(xié)調控制技術

2.1 電智能單元模塊化

本項目設計了一種“智能DC/DC-儲能模塊”(In‐telligent DC/DC and Battery Module,IDBM)的模塊架構，該架構是將DC/DC 元件、儲能電池單體分別以經過優(yōu)化后的較小規(guī)模串聯(lián)成組，然后配置微型變流器(即通常所說的功率優(yōu)化器)，再將它們與儲能電池組并聯(lián)，利用儲能電池為DC/DC 單元提供可靠的功率輸入、輸出裝置。將DC/DC 單元、儲能電池看作一個整體，再配置一個微型變流器控制它們給負荷供電的功率，就形成了一個電源模塊的雛形。電源模塊的控制功能是通過一個微型處理器編程實現的，因而稱其為“智能DC/DC-儲能模塊”(簡稱電源模塊)，工作原理及結構示意圖如圖3 所示。

圖3 IDBM的結構和工作原理示意圖

在IDBM 中，通過檢測DC/DC 輸入端的電壓、電流，可以計算出DC/DC 組串當前的發(fā)電功率；通過儲能電池的電壓、電流的持續(xù)檢測和積分，可以估算儲能電池當前的電量，即電池荷電狀態(tài)(SOC)；通過輸出側電壓、電流檢測以及系統(tǒng)級的功率調度指令，可以確定本模塊需要輸出的功率。利用這些信息，分別控制發(fā)電功率變流器、輸出功率變流器，就可以使DC/DC 模塊產生期望的功率Pin、使模塊輸出載荷所需要的功率Pout，同時，儲能電池的充放電功率也得到了控制。

2.2 分布式協(xié)同控制策略

分布式協(xié)同控制策略是底層控制策略，應用到每個IDBM 模塊上。引入多智能體系統(tǒng)(multi-agent system，MAS)思想，將每個IDBM 模塊視為一個節(jié)點單元，各個節(jié)點單元之間相互協(xié)作，既要在層內滿足發(fā)電和用電功率匹配，又要實現各個儲能單元之間的均衡。具體而言，本項目將每個IDBM 建模為一個智能體，對每個IDBM 設計分布式協(xié)同控制策略，使得各個IDBM 模塊僅依靠各模塊間的通訊實現儲能均衡，即各單元儲能電池SOC彼此相同。在實現均衡的同時還要滿足功率平衡的設計目標，調節(jié)能量流動大小，保證各模塊輸出能量的總和能夠滿足負荷的需求。分布式協(xié)同控制系統(tǒng)結構詳見圖4。

圖4 分布式協(xié)同控制系統(tǒng)結構

通過對IDBM 模塊能量流分析確立一致性調節(jié)手段。

式中：Pout為IDBM 模塊輸出到母線上的功率；PPV為光伏電池產出的功率；PBat為儲能電池吸收的功率，PBat＞0 代表電池充電，PBat＜0 代表電池放電，因此，通過調節(jié)POM 模塊占空比即可控制IDBM 模塊能量的流動方向和大小。

當系統(tǒng)規(guī)模逐漸增大時，網絡中節(jié)點數越來越多，每個IDBM 均需要將自身狀態(tài)(包括光伏發(fā)電功率、儲能系統(tǒng)核電狀態(tài)、儲能電池電壓等)通過網絡與周圍節(jié)點交互，網絡承載的數據負載過大，容易導致通訊時延、丟包等問題。為了解決網絡負載量過大的問題，本項目采用事件觸發(fā)控制策略，僅當每個IDBM 節(jié)點與預測的鄰居誤差超過某一界限時才傳輸一次數據。當系統(tǒng)穩(wěn)定工作時，各個模塊狀態(tài)幾乎同步，僅在擾動或負荷波動作用下才導致狀態(tài)的輕微偏離預期軌線，因此網絡中的數據流可以盡可能地降低。

2.3 容錯控制策略

能源系統(tǒng)的容錯控制方法是提高系統(tǒng)可靠性和降低風險的重要方法。故障檢測與診斷是容錯控制的重要基礎，因此研究容錯控制必然涉及故障檢測與診斷技術。本項目通過研究每個IDBM 以及能源系統(tǒng)整體的可靠性問題，采用模型和數據驅動相結合的故障診斷方法，并設計主、被動容錯控制策略，以規(guī)則庫為基礎，建立系統(tǒng)的安全運行基準，同時結合基于模型的辨識方法對系統(tǒng)未來數據可預測性質，使故障的識別速度和精準度大為提升。

本項目首先基于IDBM 模型建立分布式狀態(tài)參數估計器，并實時預測未來系統(tǒng)狀態(tài)演化，同時通過多元信息統(tǒng)計分析方法對實時采集的數據進行特征提取與異常辨識，并最終確定故障狀態(tài)。

對于分布式電源系統(tǒng)故障情況下的控制問題，首先需要建立故障模型。為分析方便，在系統(tǒng)標稱模型中引入故障因子。

其中，ρi∈[ 0,1] 為第i節(jié)點的故障率，表示系統(tǒng)發(fā)生故障的程度。若ρi=0 則系統(tǒng)未發(fā)生故障，此時可執(zhí)行分布式協(xié)同控制算法并對上層優(yōu)化算法很好地執(zhí)行。若ρi=1 則該IDBM 完全失去控制，對于網絡故障也應歸為此類。此時系統(tǒng)檢測出故障后應立即隔離該節(jié)點，防止未定義的節(jié)點動作影響正常節(jié)點的運行，導致故障在系統(tǒng)中蔓延，最終拖垮整個平臺。若0 ＜ρi＜1，則該節(jié)點部分功能喪失，但仍可以正確的趨勢執(zhí)行控制器指令。通常，對于0 ＜ρi＜1的情形，可以通過控制理論分析得出系統(tǒng)的吸引域(domain of attraction，DOA)，進而設計被動容錯控制策略。

3 功率網關與電源模塊的柔性互聯(lián)技術

3.1 網絡化能源系統(tǒng)結構

本項目研究一種基于電源模塊的能源系統(tǒng)結構，在較小的規(guī)模實現電能輸入與電池的最佳融合與控制，再利用基本的電源模塊串并聯(lián)，構成完整的電能源輸入與儲能系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)再與DC/DC 組成分布式可移動供能方艙車的能源系統(tǒng)網絡，向負荷供電。基于電源模塊的分布式可移動供能方艙車電源系統(tǒng)可以采用如圖5 所示的拓撲結構。

圖5 電能源網絡系統(tǒng)示意圖

如圖5 所示，輸入開關陣列用于調整多重能源與功率網關模塊的輸入對應關系，以及各功率網關模塊之間的串并聯(lián)關系；高低壓直流母線用于實現對應電壓等級的功率網關模塊輸出以及電源模塊的輸入連接；母線開關陣列用于改變電源模塊的直流母線電壓，同時用于改變模塊之間的串并聯(lián)關系；輸出開關陣列則是為了改變電源模塊的輸出串并聯(lián)關系以及所對應的負載；儲能單元作為輸出、輸出之間的另外一個能量暫存通道，可以用來改變能量流的時空特性，并對功率網關和電源模塊實現功率解耦控制，增加了模塊控制的靈活性和可靠性。

綜上，正是由于開關陣列和多母線結構，使得該系統(tǒng)的能量/功率流可完全由控制平臺和自身控制器來控制，實現了功率流與信息流的深度交互，以及電源系統(tǒng)的高度可重構。

3.2 模塊化分布式智能互聯(lián)電能源系統(tǒng)網絡

系統(tǒng)可以根據負荷情況對能源動力子系統(tǒng)進行配置優(yōu)化，但由于負荷變化的不確定性，尤其是要應對大功率沖擊性負荷的功率需求，將會出現某個能源子系統(tǒng)的功率和能量難以滿足負荷需求、而其他子系統(tǒng)的功率或能量過剩的情況。為進一步提高整個能源動力系統(tǒng)的安全性和可靠性，需要通過技術手段實現各個子系統(tǒng)之間互聯(lián)，實現功率和能量的有序調度。

由于各個智能電源模塊(ISM)具備功率和信息兩種對外的接口，當ISM 連接組成系統(tǒng)時，實際上就在構成功率回路(功率網)的同時，構成了一個信息網，也可以把功率網和信息網合稱為“可重構子網絡”。每個能源子系統(tǒng)就是一個子網，所有的子網互聯(lián)就構成了模塊化分布式智能互聯(lián)電能源系統(tǒng)網絡。

4 系統(tǒng)運行仿真測試結果

場景設定：測試場地假定為新疆地區(qū)，屬于光伏一類地區(qū)；全年日照大約在2 550～3 500 h；夏至日照時長約為14～16 h，冬至日照大約在9 h，春秋季節(jié)日照時長約為12 h；晴天較多，且天空中云量很少，因此日照強度大、時間長；設備出場測試以儲能電池滿電作為初始條件。

負載供電要求：15 kW 任務設備每日工作5 h，期間其他生活用電為5 kWh；除工作時間外的19 h 按照每小時3 kWh 的用電量統(tǒng)計，共計57 kWh；因此，一天用電總需求為137 kWh。

設備裝機容量：儲能電池組90.93 kWh；光伏發(fā)電系統(tǒng)10.71 kW；柴油發(fā)電機38 kW(油箱容量120 L)。

(1)發(fā)電量計算

通過軟件仿真模擬，得出新疆地區(qū)各季節(jié)典型日的發(fā)電量曲線，通過計算得出：夏至日發(fā)電量為84.26 kWh；春分、秋分日發(fā)電量為55.12 kWh；冬至日發(fā)電量為23.13 kWh。圖6 為四季典型日光伏發(fā)電功率曲線示意圖。

圖6 四季典型日光伏發(fā)電功率曲線

(2)能量數據統(tǒng)計

綜合計算可得出各項能源數據，如表1 所示。

表1 能量數據統(tǒng)計 kWh

柴油發(fā)電燃油消耗率為0.221 kg/kWh，考慮啟動和環(huán)境因素綜合燃油消耗率為0.28 kg/kWh，根據油箱容量配置可提供發(fā)電量428.57 kWh。

冬季考慮低溫啟動，加熱器需要消耗一部分柴油，燃油率為0.56 L/h；折算1 天加熱器合計用油量為1 L。

(3)運行時間統(tǒng)計

因春、夏、秋季節(jié)發(fā)電量相對較高，因此在進行外場試驗時，第一天均可以通過光伏發(fā)電量及儲能電量滿足當天設備負載供電；在冬季外場測試時，光伏發(fā)電量和儲能電量不夠支撐當天負載用電需求，每天均需啟動柴油發(fā)電。外場測試運行時間，春、夏、秋、冬分別為6、9、6、4 h。

通過選用本套光-油綜合能源系統(tǒng)，在全年任何一次外場測試任務均可滿足保障3～4 天的測試需求。

5 結論

本文從傳統(tǒng)的風光互補混合發(fā)電系統(tǒng)中吸取經驗，提出了一套以移動方艙的形式作為載體的機動式光-油綜合能源系統(tǒng)，論述了該系統(tǒng)的結構和運行控制模式。太陽能發(fā)電是清潔的可再生能源，可以為方艙提供連續(xù)、可靠的電力供應，可有效解決傳統(tǒng)供電模式中噪音大且需頻繁加油的缺點，同時也順應國家“碳達峰，碳中和”發(fā)展的大方向，光伏發(fā)電系統(tǒng)實現了對自然資源的合理利用，而光油綜合系統(tǒng)的技術方案保證了系統(tǒng)的高可靠性。現階段已經開展系統(tǒng)仿真、環(huán)境適應性分析、系統(tǒng)可靠性與安全性分析等相關工作，系統(tǒng)架構及功能設計論證充分，技術成熟度高，繼承性高，并在實際應用中得到了檢驗。