船舶光伏-混合儲能系統(tǒng)的控制優(yōu)化

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

采用太陽能發(fā)電與儲能相配合的內(nèi)河電力推進船舶將得到廣泛應(yīng)用[1-2]。太陽能發(fā)電清潔，但存在功率不可預(yù)測性和出力間歇性，無法得到高可靠性的供電[3]，必須引入儲能系統(tǒng)[4]。單一的儲能形式一般難以同時滿足高功率密度和高能量密度的要求，蓄電池和超級電容在性能上有很強的互補性[5]，兩者組成混合儲能，配以相應(yīng)的能量管理方案和控制策略，可實現(xiàn)光伏發(fā)電的的穩(wěn)定、經(jīng)濟運行[6]。儲能元件的合理的工作狀態(tài)用荷電狀態(tài)(SOC)來表示。SOC過高或過低都會造成蓄電池、超級電容的壽命減少[7]。船舶電網(wǎng)混合儲能的功率控制至關(guān)重要。

內(nèi)河直流船舶電網(wǎng)可簡化為拓?fù)鋱D1，系統(tǒng)經(jīng)由直流母線與變換器分別連接光伏、蓄電池、超級電容與船舶負(fù)載。光伏、蓄電池和超級電容協(xié)調(diào)出力共同構(gòu)成船舶的能量來源。直流母線電壓值是直流電制船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量控制的主要指標(biāo)[8]。當(dāng)母線電壓跌落時，要求發(fā)電端仍能有效提供電能維持一定的電壓，確保推進電機不脫離電網(wǎng)維持運行狀態(tài)，具備“穿越”低電壓區(qū)域系統(tǒng)的低電壓穿越能力[9]。

圖1 船舶電網(wǎng)的簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

針對在船舶運行中，光伏發(fā)電和負(fù)載功率接近的臨界狀態(tài)下，蓄電池充放電切換頻繁；船舶啟動時低電壓穿越(LVRT)能力差的問題，在文獻[10]提出的混合儲能分頻協(xié)調(diào)控制基礎(chǔ)上，提出可變增益值的控制策略；根據(jù)船舶運行情況將混合儲能元件分成在3種典型工況下的3種工作模式；以優(yōu)化超級電容的SOC，減少蓄電池的充放電切換次數(shù)，加快LVRT的速度。

1 超級電容SOC的控制策略設(shè)計

1.1 可變增益的SOC控制的原理

對不考慮直流母線電容濾波的傳統(tǒng)混合儲能分頻協(xié)調(diào)控制過程進行簡化，見圖2。

圖2 傳統(tǒng)分頻協(xié)調(diào)控制

電壓外環(huán)輸出參考電流Iref之后，在電流內(nèi)環(huán)之前，設(shè)置低通濾波器，對電流內(nèi)環(huán)的參考電流信號進行分配。蓄電池和超級電容分別響應(yīng)低頻和高頻直流母線電壓波動的信號。

由圖2可得

Ic-ref=Iref-Ib-ref

(1)

在Iref不變的情況下，蓄電池和超級電容的參考信號的變化趨勢總是相反的。因此，設(shè)計一種快速調(diào)節(jié)超級電容SOC控制方法。在低通濾波器后，Ib-ref負(fù)反饋信號檢測前，加入一個可變增益控制環(huán)，增益值為K。此時有

Ic-ref=Iref-KIb-ref

(2)

調(diào)節(jié)K值，快速改變Ic-ref的正負(fù)，即改變超級電容的充放電狀態(tài)，從而控制超級電容SOC。

1.2 K值的調(diào)節(jié)要求

1)K值調(diào)節(jié)的啟動和退出條件。若K值調(diào)節(jié)條件為一個邊界點，負(fù)載功率波動工況下K值切換頻繁，蓄電池充放電電流不穩(wěn)定。故設(shè)定SOC值達(dá)到S1，進入調(diào)節(jié)狀態(tài)；S2時退出調(diào)節(jié)。

2)K值變化率要求。增益K不能變化太快，變化太快，蓄電池的電流參考信號KIb-ref變化快，蓄電池?zé)o法進行平滑電流的充放電，弱化低通濾波器的功能。

3)K值的大小要求。超級電容與蓄電池相比能量較小，K值不超過2即可實現(xiàn)SOC控制?？紤]蓄電池不過流，故設(shè)定K=1.4。

1.3 不同SOC情況下的K值

根據(jù)超級電容實際SOC，將濾波器輸出的參考電流作為輸入，通過函數(shù)判斷，確定需要輸出的K值。

1.3.1SOC的設(shè)定調(diào)節(jié)參考值

為防止超級電容的過充和過放，考慮SOC估計值與真實值的誤差和直流母線的電壓快速跌落的情況，設(shè)定SOC下限值為40%，上限為90%，控制目標(biāo)值為70%。

1.3.2K值和蓄電池參考電流Ib-ref的關(guān)系

1)超級電容SOC低于40%。

(1)若Ib-ref>0(蓄電池放電模式)，增益K>1可提高蓄電池的放電量，從而傳遞到超級電容的負(fù)反饋信號增大。由式(2)知，超級電容獲得的參考電流信號Ic-ref<0，即超級電容獲得充電信號，從而增加SOC。

(2)若Ib-ref<0(蓄電池充電模式)，增益K直接設(shè)為0，此時蓄電池停止工作。由式(2)知，Ib-ref不變時，可使傳遞給蓄電池的充電信號轉(zhuǎn)移到超級電容，超級電容獲得的充電電流信號Ic-ref增加，增加SOC，同時也減少了蓄電池充放電次數(shù)。

2)超級電容SOC大于設(shè)定值90%。分析方法同上。由此建立不同SOC值下增益K值的分段函數(shù)取值表如下。

表1 SOC不同狀態(tài)下的K值

2 低電壓穿越和臨界狀態(tài)控制優(yōu)化

2.1 3種狀態(tài)模式的分頻協(xié)調(diào)控制設(shè)計

根據(jù)船舶的實際情況設(shè)計控制策略，將船舶電網(wǎng)工作狀態(tài)細(xì)分為正常狀態(tài)、臨界狀態(tài)、低電壓穿越狀態(tài),分別對應(yīng)3種控制模式，見圖3。

圖3 3種狀態(tài)模式的分頻協(xié)調(diào)控制設(shè)計

1)臨界狀態(tài)。當(dāng)光伏輸出功率與負(fù)載功率接近時，蓄電池處在小電流充放電頻繁切換的臨界狀態(tài)，斷開圖3中的開關(guān)1，使蓄電池停止充放電，由超級電容替代蓄電池工作。避免蓄電池組因高頻率的充放電切換導(dǎo)致壽命減少。

2)低電壓穿越狀態(tài)(LVRT)。通常為船舶離岸時第一次啟動，低電壓狀態(tài)被識別后，開關(guān)1閉合，斷開圖3中的開關(guān)3，閉合開關(guān)2。在低電壓狀態(tài)下，蓄電池和超級電容同時輸出提高低電壓穿越能力。

3)正常狀態(tài)。母線電壓正常調(diào)節(jié)的非臨界狀態(tài)，此時為傳統(tǒng)分頻協(xié)調(diào)控制狀態(tài)。

2.2 3種狀態(tài)模式識別與轉(zhuǎn)換條件

通過控制開關(guān)1、2和3，實現(xiàn)3種狀態(tài)對應(yīng)3種控制模式的轉(zhuǎn)換，見表2。

3 仿真實驗

利用MATLAB/Simulink軟件搭建光伏-混合儲能系統(tǒng)在電力推進船舶負(fù)載下的仿真模型，見圖4。光伏-混合儲能系統(tǒng)由鋰電池組、超級電容、光伏、充放電變換器和能量控制優(yōu)化子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)仿真基本參數(shù)見表3。

表2 狀態(tài)識別與開關(guān)操作

圖4 光伏-混合儲能系統(tǒng)仿真模型

表3 系統(tǒng)仿真基本參數(shù)

3.1 超級電容SOC控制分析

對超級電容充放電不平衡的負(fù)載設(shè)計時，為加快系統(tǒng)仿真計算速度，對超級電容值進行如下設(shè)置。

1)超級電容的電容值從5.8 F設(shè)置為1.0 F，提高SOC變化率。

2)SOC初始給定值在下限40%上端附近，實驗開始時加負(fù)載，觸發(fā)從正常SOC到低于正常SOC值。

仿真時間150 s，超級電容SOC變化見圖5。

圖5 超級電容SOC變化

由圖5可知，開始時超級電容處在放電模式，SOC減小并在達(dá)到40%穩(wěn)定后上升，超級電容處于充電模式；SOC到達(dá)90%后，又迅速下降到70%，超級電容放電模式。由SOC變化斜率可知，觸發(fā)下限40%到額定值70%的過程中，斜率較大，此時增益K為1.4；達(dá)到70%后斜率變小，增益從1.4變?yōu)?。當(dāng)觸發(fā)到SOC上限90%后，增益K改變，由超級電容放電。SOC回落到額定值70%后，增益K變?yōu)?重新進入正常狀態(tài)。整個仿真時段內(nèi)，超級電容SOC一直在40%～90%。

3.2 臨界狀態(tài)充放電控制分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下正常輸出最大功率8.6 kW，前5 s給定37-40 kW的波動負(fù)載，在5 s時將負(fù)載功率突降至7～10 kW，母線負(fù)載端電流變化見圖6。

圖6 正常模式到臨界模式的放電電流

仿真過程中，在5 s后，由于光伏發(fā)電功率(8.6 kW)和負(fù)載功率(7～10 kW)大小相近，光伏電流Ipv與負(fù)載電流IL差值較小。鋰電池放電電流變?yōu)?，停止工作；超級電容處于正常工作模式來穩(wěn)定母線電壓?？刂葡到y(tǒng)實現(xiàn)了從正常模式到臨界模式的轉(zhuǎn)換。臨界模式下，超級電容單獨工作，減少了鋰電池工作時間和充放電切換次數(shù)，從而提高了鋰電池的壽命。

3.3 低電壓穿越優(yōu)化分析

初始給定負(fù)載功率為5 kW，并在2 s時將負(fù)載功率突變?yōu)?0 kW，檢驗LVRT功能。傳統(tǒng)和優(yōu)化后分頻協(xié)調(diào)的控制策略對比見圖7。

圖7 低電壓穿越過程中母線電壓仿真對比

由圖7可知，在2 s時母線電壓跌落。在恢復(fù)正常電壓的過程中，優(yōu)化后的分頻協(xié)調(diào)控制，首先達(dá)到可正常工作的電壓下限450 V，比傳統(tǒng)分頻協(xié)調(diào)控制快0.1 s左右。當(dāng)達(dá)到450 V電壓后，優(yōu)化前與優(yōu)化后的調(diào)節(jié)能力基本一致。從低電壓恢復(fù)到450 V的電壓正常值過程中，優(yōu)化后的控制可以同時實現(xiàn)超級電容和鋰電池最大程度的輸出，充分利用了超級電容短時快速放電的能力，電壓恢復(fù)所需時間較短。

4 結(jié)論

1)可變增益值控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)對超級電容SOC優(yōu)化控制，整個仿真實驗中，超級電容SOC控制在40%～90%，但超級電容的容量沒有完全的得到利用，進一步的研究需要降低超級電容的下限設(shè)定值。

2)控制系統(tǒng)實現(xiàn)了從正常模式到臨界模式的轉(zhuǎn)換，超級電容單獨工作，充分發(fā)揮了超級電容快速充放電的優(yōu)勢，減少了臨界狀態(tài)蓄電池充放電切換的次數(shù)。

3)控制系統(tǒng)從正常模式到LVRT模式，母線電壓恢復(fù)至正常值時間加快，相比于改進前的控制策略快了0.1 s，但恢復(fù)速度未見較大優(yōu)勢，LVRT的速度需要進一步優(yōu)化。