船舶微網(wǎng)功率分配策略仿真研究

王文斌，俞萬(wàn)能，楊榮峰，于洪亮，張文斌

?

船舶微網(wǎng)功率分配策略仿真研究

王文斌，俞萬(wàn)能，楊榮峰，于洪亮，張文斌

（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門(mén) 361021）

針對(duì)包含柴油發(fā)電機(jī)、光伏陣列、儲(chǔ)能電池組成的船舶微網(wǎng)系統(tǒng)，提出了一種船舶微網(wǎng)功率分配策略。該控制策略依據(jù)各微源出力和負(fù)荷情況，制定相應(yīng)的功率分配計(jì)劃。在Matlab/simulink環(huán)境下對(duì)船舶微網(wǎng)各個(gè)組成部分進(jìn)行建模并對(duì)所提出的控制策略進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出的控制策略的可行性和正確性。

光柴儲(chǔ) 船舶微網(wǎng) 功率分配

0 引言

目前，船舶電站主要依靠柴油發(fā)電機(jī)為用電負(fù)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(huán)境污染。隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭，無(wú)污染且豐富的可再生能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮堋⒊毕艿刃履茉吹睦檬艿綇V泛的關(guān)注。新能源特別是太陽(yáng)能在船舶微網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用也將成為不可避免趨勢(shì)。

為了充分利用可再生能源，保證船舶微網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，必須對(duì)各發(fā)電單元輸出功率進(jìn)行合理調(diào)配。但是目前對(duì)于船舶微網(wǎng)方面的相關(guān)研究較少。文獻(xiàn)[1]針對(duì)小型船舶，設(shè)計(jì)了基于電池組，柴油發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能的船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)配置、控制結(jié)構(gòu)和能量管理策略，微網(wǎng)中包含380 V電網(wǎng)、220 V電網(wǎng)、直流電網(wǎng)，它們之間通過(guò)大量的變換器互聯(lián)，降低了系統(tǒng)的可靠性。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]對(duì)新能源游覽船舶微網(wǎng)能量管理控制系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)并提出相應(yīng)的控制策略，已在實(shí)船應(yīng)用，驗(yàn)證了所開(kāi)發(fā)的能量管理控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。該套控制系統(tǒng)和控制策略主要針對(duì)直流微網(wǎng)，直流微網(wǎng)電能利用率低、成本高。文獻(xiàn)[4]提出基于規(guī)則的能量管理策略，根據(jù)負(fù)載功率需求情況進(jìn)行微網(wǎng)能量控制。供電部分包含蓄電池組和柴油發(fā)電機(jī)，沒(méi)有充分利用可再生能源減少船舶的排放。文獻(xiàn)[5]提出了船舶微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建流程，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，有效提高了清潔能源的利用率。

本文針對(duì)由光柴儲(chǔ)組成的船舶微網(wǎng)，依據(jù)光伏電池、柴油發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電特性，在Matlab/ Simulink仿真軟件中建模。根據(jù)負(fù)荷情況和各微源的運(yùn)行情況制定合理的功率分配計(jì)劃。最后，組建整個(gè)船舶微網(wǎng)仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證所提出的功率分配策略的可行性和正確性。

1 船舶微網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

按照分布式電源的接入方式不同，船舶微網(wǎng)可以分為直流微網(wǎng)和交流微網(wǎng)兩種結(jié)構(gòu)。相比直流微網(wǎng)，交流微網(wǎng)具有微源的擴(kuò)展性好、供電可靠性高的特點(diǎn)。圖1為本文研究的船舶微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)由儲(chǔ)能系統(tǒng)、光伏陣列、柴油發(fā)電機(jī)、DC/AC變換器及負(fù)荷組成。儲(chǔ)能系統(tǒng)采用磷酸鐵鋰電池，通過(guò)雙向DC/AC變換器接入交流母線，實(shí)現(xiàn)了能量在儲(chǔ)能系統(tǒng)和交流母線的雙向流動(dòng)。光伏陣列通過(guò)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(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 基于光柴儲(chǔ)船舶微網(wǎng)的建模

2.1 磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池由于其發(fā)熱量低、穩(wěn)定性好；循環(huán)壽命長(zhǎng)；生產(chǎn)和使用過(guò)程中無(wú)毒、無(wú)污染而被廣泛應(yīng)用。本文磷酸鐵鋰電池建模方法參考文獻(xiàn)[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(gè)部分。A部分為電池的熱模型，由受控電流源τIB和電池?zé)嶙杞M成，反映了電池不同充放電電流下對(duì)應(yīng)的溫升。B部分為采用安時(shí)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(shù)特性，由平衡電動(dòng)勢(shì)emf（Electro-Motive Force）、滯回電壓Lh、直流內(nèi)阻Ω和三階RC網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)度和溫度，為一個(gè)受控電流源；I為電壓反作用PN結(jié)產(chǎn)生的電流；I為光伏電池因漏電而發(fā)生的短路電流；R和R分別為光伏電池的串聯(lián)電阻和并聯(lián)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(shù)；為玻爾茲曼常數(shù)，為1.831e-23（J/K）；為光伏電池工作開(kāi)氏溫度值；I為在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1000 W/m2、電池溫度為25℃情形下的短路電流；為結(jié)常數(shù)，為1.5。

圖4為根據(jù)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(fā)電機(jī)

柴油發(fā)電機(jī)是把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電裝置，圖5為柴油發(fā)電機(jī)的模型框圖，主要包括柴油機(jī)，調(diào)速器，同步發(fā)電機(jī)和同步機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)組成。建模方法參考文獻(xiàn)[8]。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PID控制，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用一階慣性近似模型，轉(zhuǎn)差信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器得到油門(mén)指令值，油門(mén)執(zhí)行器依據(jù)指令值給柴油機(jī)氣缸噴油，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。勵(lì)磁系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，保持機(jī)端電壓穩(wěn)定。

圖4 光伏陣列模型

圖5 柴油發(fā)電機(jī)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(guò)DC/AC變換器接入交流微網(wǎng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示，上位機(jī)通過(guò)控制信號(hào)選擇逆變器的控制模式，控制器根據(jù)不同的控制模式生成IGBT的開(kāi)關(guān)信號(hào)，把直流電轉(zhuǎn)換成交流電，實(shí)現(xiàn)了能量形式的轉(zhuǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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(wǎng)提供電壓和頻率支撐，其輸出功率隨負(fù)荷變化而變化，控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。外環(huán)由“功率參考值形成”環(huán)節(jié)和“功率控制”環(huán)節(jié)構(gòu)成，得到電流內(nèi)環(huán)的參考信號(hào)，電流內(nèi)環(huán)把外環(huán)得到的電流參考信號(hào)與實(shí)際電流比較，對(duì)誤差進(jìn)行PI控制得到輸出電壓控制信號(hào)。PQ控制的作用是控制發(fā)電單元輸出恒定的功率，控制結(jié)構(gòu)如圖8所示。設(shè)定功率因素為1，功率參考值除以微網(wǎng)電壓得到電流參考信號(hào)，電流內(nèi)環(huán)解耦控制，對(duì)d軸分量和q軸分量實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)控制。

圖8 PQ控制結(jié)構(gòu)圖

3 船舶微網(wǎng)系統(tǒng)的功率分配策略

船舶微網(wǎng)不同于傳統(tǒng)的電網(wǎng)，沒(méi)有統(tǒng)一的調(diào)度中心進(jìn)行協(xié)調(diào)，并且大功率負(fù)荷、非線性負(fù)荷多，運(yùn)行工況比陸地微網(wǎng)復(fù)雜。因此如何分配船舶微網(wǎng)中柴油發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、光伏陣列的輸出功率是微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。圖10為功率分配策略流程圖。（load：負(fù)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(fā)電機(jī)輸出功率；SOC：蓄電池荷電狀態(tài)；SOClow：蓄電池荷電狀態(tài)下限值）首先檢測(cè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓和電流，計(jì)算相應(yīng)的功率。當(dāng)光伏輸出功率大于負(fù)荷時(shí)，光伏電池直接給負(fù)載供電，多余的能量給電池充電,此時(shí)為太陽(yáng)能供電模式。當(dāng)蓄電池并入微網(wǎng)且柴油機(jī)沒(méi)有啟動(dòng)時(shí)，蓄電池采用V/F控制，為船舶微網(wǎng)提供電壓和頻率支撐，快速補(bǔ)償微網(wǎng)中光伏和負(fù)荷的功率變化，此時(shí)為太陽(yáng)能和蓄電池供電模式。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)并入微網(wǎng)時(shí)，由于柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速特性可以為微網(wǎng)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(shí)為光柴儲(chǔ)聯(lián)合供電模式。

4 仿真分析

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

圖9 船舶微網(wǎng)模型

圖10 功率分配策略流程圖

(a)發(fā)電單元和負(fù)載有功功率曲線

(b)微網(wǎng)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(shí)刻，太陽(yáng)光照強(qiáng)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(fù)載所需功率15 kW。由于光伏輸出功率能滿足負(fù)荷要求，所以此時(shí)為太陽(yáng)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(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷突然增加15 kW，光伏輸出功率不足以滿足負(fù)荷需求且蓄電池SOC>SOClow，供電模式由太陽(yáng)能供電切換為太陽(yáng)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(bǔ)償了系統(tǒng)中的功率缺額。由圖11（b）可知，在供電模式切換瞬間，系統(tǒng)電壓發(fā)生短時(shí)突變，經(jīng)過(guò)0.01 s后恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。

（a）發(fā)電單元和負(fù)載有功功率曲線

(b)微網(wǎng)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(shí)刻太陽(yáng)光照強(qiáng)度和溫度與工況1相同，系統(tǒng)負(fù)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(fù)荷功率由柴油發(fā)電機(jī)承擔(dān)，柴油機(jī)輸出功率為20 kW，此時(shí)為光柴儲(chǔ)供電模式。在1 s時(shí)，負(fù)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(yīng)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(tǒng)的響應(yīng)速度。不足的功率由柴油機(jī)發(fā)電機(jī)根據(jù)公式d=load-bf-pv進(jìn)行補(bǔ)償，使系統(tǒng)能量供需平衡。由圖12（b）可知，不論在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)還是功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，所提出的功率分配策略都能保證微網(wǎng)母線電壓不發(fā)生突變。

5 結(jié)論

本文基于光柴儲(chǔ)船舶微網(wǎng)系統(tǒng)，依據(jù)各發(fā)電單元的功率輸出和負(fù)荷需求，制定三種供電模式：太陽(yáng)能供電模式、太陽(yáng)能和蓄電池供電模式、光柴儲(chǔ)聯(lián)合供電模式，滿足船舶微網(wǎng)對(duì)有功功率的需求，使交流母線電壓保持穩(wěn)定。為驗(yàn)證所提出功率分配策略的有效性，在matlab/simulink中對(duì)各發(fā)電單元模塊化建模，組建整個(gè)船舶微網(wǎng)系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明所提出的功率分配策略在負(fù)荷波動(dòng)情況下仍能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本研究為船舶微網(wǎng)各發(fā)電單元的功率分配提供了參考，在后續(xù)的工作中還需要對(duì)功率的優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行研究。

[1] 張敏敏, 康偉. 一種混合動(dòng)力電動(dòng)船舶能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)水運(yùn)(下半月), 2011, (12): 67-69.

[2] 俞萬(wàn)能, 李丹, 鄭為民. 太陽(yáng)能游覽船能量控制系統(tǒng)研發(fā)[J]. 中國(guó)造船, 2013, (03): 177-183.

[3] 于金良, 俞萬(wàn)能. 太陽(yáng)能游船電力系統(tǒng)能量管理控制策略[J]. 集美大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, (05): 374-378.

[4] 高迪駒, 沈愛(ài)弟, 褚建新, 黃細(xì)霞. 混合動(dòng)力船舶的能量管理與控制策略[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, (01): 70-74.

[5] 張彥, 宋昕, 張?zhí)? 船用微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建研究[J]. 中國(guó)修船, 2014, (05): 16-18, 22.

[6] 常玉崗. 船用鋰電池組電池管理系統(tǒng)研發(fā)[D].集美大學(xué), 2016.

[7] 周德佳, 趙爭(zhēng)鳴, 袁立強(qiáng), 馮博, 趙志強(qiáng). 具有改進(jìn)最大功率跟蹤算法的光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2008, (31): 94-100.

[8] 侯世英, 時(shí)文飛, 萬(wàn)江. 基于CMAC-PID控制的柴油發(fā)電機(jī)組的建模與仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2007, (13): 3052-3055, 3063.

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(guó)家自然科學(xué)基金（51679106），交通部應(yīng)用基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（2015329815160），福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目資助（2015Y0038/2016H6017），廈門(mén)市科技計(jì)劃項(xiàng)目（3502Z20151231）

王文斌（1991-），男，碩士研究生。研究方向：船舶電力推進(jìn)及其控制。

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