混合動力船舶的建模與能量管理

張逸峰，王錫淮

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混合動力船舶的建模與能量管理

張逸峰，王錫淮

（上海海事大學物流工程學院，上海 200001）

考慮到能源和環(huán)境的問題日益突出，開發(fā)低能耗、低排放的綠色船舶成為當今船舶工業(yè)的首要任務。設計混合動力船舶電力推進系統(tǒng)的架構，采用光伏電池和燃料電池等清潔能源與柴油發(fā)電機混合動力驅動船舶，加上蓄電池作為儲能元件對多余的功率的吸收或缺少功率的補充。并且使用能量管理中心對其進行調度管理。

混合動力船舶 能量管理 雙有源橋式變換器

0 引言

在近幾年，人們在大力開發(fā)發(fā)展全電氣船。船舶的各種系統(tǒng)，包括泵，電機，傳感器，甚至電腦系統(tǒng)全部依賴電力能源。在船舶工業(yè)上，燃料價格的上升和減少污染物氣體排放的必要性導致對新能源資源的發(fā)展的持續(xù)上升的關注。船舶是溫室氣體的主要生產者之一，每年占全球二氧化碳排放量的3%.在船舶的電力系統(tǒng)中使用可再生能源資源會是一個巨大的進步，特別再減少二氧化碳的排放上，能夠與高度不可預測的燃料價格相獨立。

所以使用混合動力發(fā)電系統(tǒng)在節(jié)約燃料和減少二氧化碳排放的細節(jié)研究有著深遠的影響。電力電子轉換系統(tǒng)是能夠靈活的提供整個電力系統(tǒng)和減少它的大小和重量的最重要原件之一。但是，過多的計算時間來仿真這些系統(tǒng)是它不可能適當的分析這些系統(tǒng)。因此，建模和仿真環(huán)境的發(fā)展是更進一步的研究的必要需求。

圖1是整個混合動力船舶的方框圖?；旌蟿恿Υ半娏ν七M系統(tǒng)的關鍵技術是能量管理及其控制策略，其目的是: 在滿足船舶動力性能的前提下，控制策略能夠根據混合動力系統(tǒng)特性和實時運行工況，將多種能源合理分配、協(xié)調控制，使各部件高效率運行，以達到最大的燃油經濟性、最少的排放。國內外對混合動力船舶的能量管理及其控制策略已做一些研究。

1 光伏電池建模

光伏電池是根據半導體的光伏效應原理，制成一種能夠把太陽輻射能轉換為電能的轉換裝置。其等效電路如圖2所示。

圖1 多能源船舶的電力系統(tǒng)示意圖

圖2 光伏電池的模型

根據圖2可以得出光伏電池的輸出特性曲線：

2 燃料電池的建模

燃料電池是目前在世界上最成熟的新能源供電設備之一所謂的燃料電池就是一種將氫氣和氧氣結合成水的過程中能夠釋放大量的電荷的設備，因為其使用的是可再生的氫氣，并且化合物是水，實現了零排放。這種燃料電池擁有較高的能量轉換效率，無可移動的部件以至于維護成本較低并且沒有充電過程等優(yōu)點，是一種理想用于船舶發(fā)電的設備。

質子交換膜燃料電池其由陽極，陰極以及電解質膜組成。從圖3中可以看出，氫氣到達多空陽極在陽極催化劑的作用下解離成帶正電氫離子并釋放出電子。帶正電的氫離子通過電解質膜到達多孔陰極，在陰極催化劑的作用下與氧氣和電子發(fā)生反應生成水并放出熱量。于此同時電子通過外電路，對負載供電，然后到達陰極。以上就是燃料電池發(fā)電的全過程。

圖3 質子交換膜燃料電池原理示意圖

質子交換膜燃料電池在工作過程中，存在不可逆的損失，電池輸出電壓會隨之下降。這種損失主要分為三種：活化極化作用、歐姆極化作用以及濃差極化作用。

輸出電壓方程如下所示

3 蓄電池的建模

在混合動力船舶中，作為能量儲存系統(tǒng)的的蓄電池起到了關鍵的作用。在后文中能量管理系統(tǒng)中，蓄電池起到了至關重要的作用，因此蓄電池的建模也是重要的一環(huán)。隨著新能源的發(fā)展，蓄電池的仿真模型也出現了許多中，如內阻模型、阻容模型、神經網絡模型等等。

阻容模型等效為三個電阻和兩個電容組成的電路，如下圖4所示。其中C為較大容量，代表了電池的儲存容量；而C較小，代表了電池的極化效應。和內阻模型相比較，阻容模型更能反映出電池充放電過程中的動態(tài)特性。

圖4 蓄電池的阻容模型

阻容模型的空間狀態(tài)方程如下所示

4 柴油發(fā)電機建模

為了增加設計船舶的可靠性，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)被混合了兩臺柴油發(fā)電機。

柴油機建模：柴油機產生一個依賴輸入燃料的轉矩。柴油機的轉矩和輸入燃料的關系如下所示；

延遲時間如下定義：

時間常數如下定義：

圖5是柴油發(fā)電機調速系統(tǒng)的建模：

圖5 柴油發(fā)電機調速器模型

5 雙有源橋變換器建模

在混合電力系統(tǒng)中使用電力電子轉換器十分重要，因為可再生資源的輸出功率依賴于環(huán)境條件。雙有源橋式直流變換器普遍應用在風力和光伏直流母線電壓以及工業(yè)、住宅和船舶等環(huán)境中，由于其功能上相當于兩個單向DC/DC 變換器，所以能減小系統(tǒng)的體積、質量和成本，并且能夠容易實現軟開關、系統(tǒng)慣性小、動態(tài)響應快等優(yōu)點。

圖6 雙有源橋式變換器

1）升壓操作模式

所有的低壓側開關開啟超過50%的開關周期。在重疊的時間間隔內，輸入電感被充電。在這個操作模式中高壓側開關關閉，電流流過開關的內部二極管。每當這些開關對關閉時，電感開始放電。

2）降壓操作模式

在這操作模式中，鉗位回路的開關和轉換器的低壓側開關是off，電流流過開關內部的二極管。電感在任意一個開關對在ON時充電。當所有開關在OFF時，電感放電。

在小信號平均電壓模型和狀態(tài)空間平均電壓模型中，電壓分別作為狀態(tài)變量和輸出。因此，正常情況下電壓應該被控制。但是，在船舶電力系統(tǒng)中，輸出功率控制需要優(yōu)先考慮。內部源電阻被使用是為了使電壓被用于作為輸入。但是，內部源電阻是不確定的值還有減少控制系統(tǒng)的可靠性。為了克服問題，基于非線性平均開關模型的雙向雙有源橋式一個統(tǒng)一模型在中實現。穩(wěn)態(tài)方程能夠由通過電感的平均電流L，電容的電壓C2，開關周期Ts組成。注意，變壓器的漏感被忽視。升壓操作模式的非線性狀態(tài)空間方程如下所示：

圖7 雙有源橋變換器的等效電路

同樣，降壓操作模式的空間狀態(tài)方程如下所示：

把平均電感電流和電容電壓設置為零，改進的雙有源橋式變換器的統(tǒng)一等效模型在圖7中展示。值得提及的是d()在升壓和降壓模式中相同，因為這模型在兩方向是統(tǒng)一的。

6 能量管理中心

混合動力船舶的綜合電力系統(tǒng)需要能量管理中心來平衡生產，儲存和使用的能量的總數。荷電狀態(tài)（SOC）是電池剩余電荷和它必須被能量管理中心。因為對于電池壽命擴展有必要對電壓進行限制。換句話說，過電壓導致過熱和短路，欠電壓導致電極材料的漸進性故障。這就解釋了限制電池充電狀態(tài)操作范圍的重要性。另一方面，電池效率被許多因素影響。電池的庫倫效率再USABC（1996）中定義：放電能力和再放電前從初始狀態(tài)充電的能力比率。

圖8展示了當電池的荷電狀態(tài)在標準范圍內所使用的能量管理的算法。兩種操作模式都被認為是電池的能量管理。在第一個操作模式下，電池通過下垂控制調節(jié)直流電電壓。這操作模式發(fā)生在兩臺柴油發(fā)電機同時關閉和電池操作再第一個模式來調節(jié)直流線電壓。當直流線電壓被柴油發(fā)電機調節(jié)是，電池選擇第二操作模式?？紤]到電池充電狀態(tài)級別，電池被充電或者放電在額定容量的20%或20%以下。在這篇論文中只介紹電池荷電狀態(tài)在標準范圍內的情況。

7 實驗仿真

在MATLAB/SIMULINK環(huán)境中設計的系統(tǒng)建模。40個并聯光伏電池模塊，在額定溫度和額定光照強度下，能夠發(fā)出0.2兆瓦的電力；一臺0.1兆瓦的燃料電池；兩臺1.25兆瓦柴油發(fā)電機也被考慮。在仿真中只考慮了荷電狀態(tài)在正常范圍的情況。

如圖9所示，在第一段時間內，船舶沒有啟動，電力需求0.1兆瓦。光伏電池和燃料電池的剩余電量在電池中儲存。第二段時間內，船舶開始啟動速度加快，控制能量在0.85兆瓦。這種情況下，第一臺柴油發(fā)電機打開，生產額定功率的60%。電池任然被剩余電量充電，接下來時間內，船舶的速度達到最大，需要的功率達到2.1兆瓦，第一臺柴油發(fā)電機在最大功率，第二臺柴油發(fā)電機打開，生產額定功率的60%，電池充電。然后船舶速度下降，能量控制在1.65兆瓦。這時，第二臺柴油發(fā)電機關閉，但是第一臺柴油發(fā)電機生產額定功率。剩余功率由電池提供。

仿真結果如圖9到圖13所示。

圖8 電池荷電狀態(tài)在標準范圍內的能量管理算法

圖9 負載功率

圖10 第一臺柴油發(fā)電機的功率

圖11 第二臺柴油發(fā)電機的功率

圖12 電池的功率曲線

圖13 電池的荷電狀態(tài)

[1] M. Cupelli, S. K. Gurumurthy and A. Monti, "Modelling and control of single phase DAB based MVDC shipboard power system," IECON 2017 - 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Beijing, 2017:6813-6819.

[2] M. R. Banaei and R. Alizadeh, "Simulation-Based Modeling and Power Management of All-Electric Ships Based on Renewable Energy Generation Using Model Predictive Control Strategy," in IEEE Intelligent Transportation Systems Magazine, 2016,8(2): 90-103.

[3] R. Chattopadhyay and S. Bhattacharya, "ZVS analysis and power flow control for three limb transformer enabled SiC Mosfet based three port DAB integrating PV and Energy Storage(ES)," 2016 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Milwaukee, WI, 2016: 1-8.

[4] M. I. Marei, H. El-Helw and M. Al-Hasheem, "A grid-connected PV interface system based on the DAB-converter," 2015 IEEE 15th International Conference on Environment and Electrical Engineering (EEEIC), Rome, 2015: 161-165.

[5] 韓闖. 質子交換膜燃料電池建模與控制研究[D].鄭州大學, 2016.

[6] 高迪駒,沈愛弟,褚建新,黃細霞. 混合動力船舶的能量管理與控制策略[J].上海海事大學學報, 2015, 36(01):70-74.

[7] 蔣成龍. 柴油發(fā)電機組建模及轉速控制研究[D].北京理工大學, 2015.

[8] 馮樹輝. 基于同步發(fā)電機參數辨識的最優(yōu)勵磁控制系統(tǒng)設計與仿真研究[D]. 重慶大學, 2012.

[9] 楊永恒,周克亮. 光伏電池建模及MPPT控制策略[J].電工技術學報, 2011, 26(S1):229-234.

[10] 廖志凌,阮新波. 一種獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)雙向變換器的控制策略[J]. 電工技術學報, 2008, (01):97-103.

[11] 吳斌. 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的仿真研究[D].南昌大學, 2007.

Modeling and Energy Management of Hybrid Dynamic Ships

Zhang Yifeng，Wang Xihuai

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 200001, China)

U665

A

1003-4862（2018）07-0032-06

2018-03-23

張逸峰（1994-），男，碩士。研究方向：船舶工程。