復(fù)合儲能混合動力船舶智能能效管理系統(tǒng)

江 亮，黃再輝，陳民鋒

（桂林電子科技大學(xué) 海洋工程學(xué)院，廣西 北海 536000）

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速增長以及人們對環(huán)境保護(hù)意識的不斷增強(qiáng)，船舶在水面航行過程中排放的廢氣對周圍的海洋環(huán)境產(chǎn)生的影響逐漸得到了人們的重視[1]。由于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)有著可以提升船舶的能效、實(shí)現(xiàn)機(jī)艙的靈活布置等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的關(guān)注，并且船舶的電力推進(jìn)系統(tǒng)可以進(jìn)行變速發(fā)電，因此該系統(tǒng)可以十分方便接到各類新能源系統(tǒng)中[2]。以燃料電池為基礎(chǔ)的船舶電力混合動力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多種新能源的耦合，但是采用這類混合動力系統(tǒng)，船舶在航行過程中也出現(xiàn)了能效優(yōu)化、多能源協(xié)調(diào)等優(yōu)化控制問題，這些問題對船舶混合動力系統(tǒng)的應(yīng)用提出了更高的要求，設(shè)計高效的混合動力系統(tǒng)成為提升船舶能量使用效率的重要方法[3]。

1 船舶復(fù)合儲能系統(tǒng)設(shè)計

1.1 復(fù)合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)船舶自身特點(diǎn)可知，船舶在正常航行過程中，輸出的功率比較穩(wěn)定，一旦遇到風(fēng)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(tǒng)的不穩(wěn)定性[4]。當(dāng)船舶的負(fù)載功率出現(xiàn)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(wěn)定輸出功率，則需要使用儲能系統(tǒng)進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，以便可以對船舶電機(jī)的輸出效率進(jìn)行優(yōu)化，并且確保船舶上電網(wǎng)的穩(wěn)定性[5]。化學(xué)、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(tǒng)中通常使用電化學(xué)、飛輪、超級電容器以及超導(dǎo)磁等儲能設(shè)備。雖然超導(dǎo)磁儲能包含了上述3 種儲能系統(tǒng)的所有優(yōu)點(diǎn)，但是其價格昂貴。船舶復(fù)合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 船舶復(fù)合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of ship composite energy storage system

磷酸鐵鋰電池PNGV 模型的特點(diǎn)在于，在電池模型的支路中串聯(lián)了一個電容，利用該電容可以十分便利模擬電池的極化現(xiàn)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(shù)學(xué)模型為：

超級電容在充電的過程中，其數(shù)學(xué)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(zhì)常數(shù)；A為電容面積；D為電容兩極間距?？梢钥闯觯娙莸腃值和面積A以及介電常數(shù)成正比例關(guān)系。超級電容的電壓、電荷狀態(tài)以及能量可以分別表示為：

1.2 復(fù)合儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化

當(dāng)船舶上負(fù)載消耗的功率比較大的時候，船舶上的電網(wǎng)系統(tǒng)則可以使用復(fù)合儲能系統(tǒng)來穩(wěn)定船舶發(fā)電機(jī)的輸出功率，并且提升船舶上的電網(wǎng)對船舶負(fù)載供電的可靠性程度，這需要對船舶上的復(fù)合儲能系統(tǒng)進(jìn)行容量優(yōu)化[6]。在對船舶上的復(fù)合儲能系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)配置的過程中，首先需要知道每個儲能單元承擔(dān)的平均功率，船舶復(fù)合儲能系統(tǒng)的補(bǔ)償功率取決于船舶負(fù)載需要的功率和船舶發(fā)電機(jī)輸出功率之間的差，計算公式為：

式中，PHESS為船舶復(fù)合儲能系統(tǒng)的功率補(bǔ)償值。船舶復(fù)合儲能系統(tǒng)的電荷狀態(tài)在充電和放電過程中的變化情況，可以分別表示為：

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

式中：d為折舊系數(shù)；l為工作年限。

在對儲能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置的過程中，可以將船舶復(fù)合儲能系統(tǒng)的成本Cp作為優(yōu)化目標(biāo)，其計算方法為：

當(dāng)船舶發(fā)電機(jī)和復(fù)合儲能系統(tǒng)的輸出功率比船舶負(fù)載的功率低的時候，這種情況稱作負(fù)荷缺電，其計算方法如下式：

當(dāng)船舶發(fā)電機(jī)和復(fù)合儲能系統(tǒng)的輸出功率比船舶負(fù)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(fù)荷缺電和能量溢出均可以用來描述船舶電網(wǎng)的可靠性程度，負(fù)荷缺電和能量溢出的值越小，則表示船舶電網(wǎng)系統(tǒng)越可靠。

2 船舶混合動力系統(tǒng)建模仿真

船舶混合動力系統(tǒng)中蓄電池的特征參數(shù)主要包括容量、放電倍率、荷電狀態(tài)、端電壓、內(nèi)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(tài)是指電池當(dāng)前的容量，其表示方法為：

接入實(shí)際電網(wǎng)之后，電池兩端輸出電壓的變化情況如圖2 所示?？梢钥闯?，電池的端電壓會在一定時間內(nèi)維持穩(wěn)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(fù)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?？梢钥闯觯夒娙莸亩穗妷弘S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?？梢钥闯觯?jīng)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(xué)模型的特征，并且將電池內(nèi)的流體忽略掉，因此得到了廣泛應(yīng)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(tǒng)

本文采用的智能能效管理方法為，首先對船舶上的發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)進(jìn)行定義，然后將船舶上發(fā)電機(jī)組的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)以及船舶負(fù)荷需要的能量信息發(fā)送給船舶能量優(yōu)化調(diào)配模塊，船舶能量優(yōu)化調(diào)配模塊根據(jù)這2 個信息，給不同的動力源發(fā)送各自的輸出參考功率，最后通過信號轉(zhuǎn)換之后，控制船舶上的電子調(diào)速器以及DC/DC 變換器，最終實(shí)現(xiàn)船舶上各個動力源功率的優(yōu)化輸出。將船舶上發(fā)電機(jī)和動力源進(jìn)行分開，這樣有利于降低船舶能量優(yōu)化分配的復(fù)雜程度。

結(jié)合船舶發(fā)電機(jī)組的工況、船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及船舶儲能系統(tǒng)的安全性等因素，本文構(gòu)建了船舶智能能量優(yōu)化分配的數(shù)學(xué)模型。船舶發(fā)電機(jī)的燃料消耗量和船舶發(fā)電機(jī)的輸出功率成正比，如圖5 所示?？刂拼鞍l(fā)電機(jī)的總?cè)加拖牧孔畹褪谴澳芰績?yōu)化分配的目標(biāo)，該目標(biāo)方程為：

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

式中：x為船舶發(fā)電機(jī)編號；fv,x為船舶發(fā)電機(jī)燃料消耗率，船舶發(fā)電機(jī)的燃料消耗率為：

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

4 結(jié) 語

船舶混合動力技術(shù)的快速提升，對船舶混合動力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性提出了更高的目標(biāo)，因此相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對多種類型的船舶混合動力系統(tǒng)及其控制方法進(jìn)行了多角度的研究，特別是針對船舶儲能設(shè)備容量、能效的提升以及多種能量源的協(xié)調(diào)與控制等。對船舶混合動力系統(tǒng)及其主要構(gòu)件的特性進(jìn)行分析，同時設(shè)計出高效的能量管理方法，這對提高船舶混合動力系統(tǒng)的能效，實(shí)現(xiàn)船舶的節(jié)能減排等目標(biāo)，有重要的理論意義。