楊祥國(guó) 楊 誠(chéng) 陳 輝 治 國(guó) 陶烽偉 周 科 田 畾

(武漢理工大學(xué)船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 武漢 430063)(武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院2) 武漢 430063)

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船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)復(fù)合儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)*

楊祥國(guó)1)楊 誠(chéng)2)陳 輝2)治 國(guó)2)陶烽偉2)周 科2)田 畾2)

(武漢理工大學(xué)船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1)武漢 430063)(武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院2)武漢 430063)

電力推進(jìn)船舶處于減速制動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)存在直流母線的泵升問(wèn)題，傳統(tǒng)電力推進(jìn)系統(tǒng)大多采用制動(dòng)電阻或單一儲(chǔ)能裝置來(lái)解決該問(wèn)題.針對(duì)該問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套復(fù)合儲(chǔ)能裝置，并利用MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真分析.結(jié)果表明，復(fù)合儲(chǔ)能裝置可以很好地滿足制動(dòng)能量回饋利用的技術(shù)要求.

電力推進(jìn)船舶；制動(dòng)能量；復(fù)合儲(chǔ)能

0 引 言

電力推進(jìn)船舶與傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)相比具有靈活性強(qiáng)、效率高、空間布置簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[1]，是今后船舶行業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)趨勢(shì)，但由于電子設(shè)備的大量使用，相應(yīng)的電力安全也隨之而來(lái).船舶制動(dòng)回饋能量對(duì)直流環(huán)節(jié)造成的泵升電壓是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題.通常采用消耗電阻對(duì)之進(jìn)行處理，但是這樣不僅降低了能量利用率，而且消耗后產(chǎn)生的熱能會(huì)對(duì)周圍電力電子器件的正常工作造成一定的影響，從而導(dǎo)致電力事故，甚至直接影響整船的正常工作和船員的人身安全.

因此，對(duì)這部分能量進(jìn)行合理的處理是很有必要的.目前對(duì)這部分能量的處理的研究很少.石繼升[2]提出了利用超級(jí)電容對(duì)這部分能量進(jìn)行儲(chǔ)存再利用，該方法雖然能對(duì)這部分能量進(jìn)行儲(chǔ)存利用，在船舶啟航或者加速時(shí)能夠提高較高的瞬態(tài)功率，但是超級(jí)電容的能量密度很低，單位容量很低，不適合在船舶正常航行時(shí)向其提供能量.若需要很大的存儲(chǔ)容量則需要采用多個(gè)電容器串聯(lián)，這樣大大增加了存儲(chǔ)裝置的體積和重量.對(duì)此，文中設(shè)計(jì)了蓄電池與超級(jí)電容并聯(lián)的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)兼容了兩者的特點(diǎn)，相互彌補(bǔ)了各自的不足，適用于各種工況，有效地提高了能量利用率.

1 復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)及特點(diǎn)

超級(jí)電容功率密度大，瞬間放電電流大，當(dāng)船舶加速或者啟動(dòng)時(shí)，可以為船舶提供很大的瞬時(shí)功率；其次，超級(jí)電容的充放電過(guò)程是利用電荷之間的移動(dòng)，屬于物理過(guò)程.因此，壽命周期很長(zhǎng)，充放電次數(shù)可達(dá)上萬(wàn)次，可以很好地應(yīng)用于經(jīng)常啟停的電力推進(jìn)船舶上[3]；最后，超級(jí)電容的充放電速度很快.但是超級(jí)電容的能量密度較低，當(dāng)能量需求較大時(shí)，不得不采用多個(gè)超級(jí)電容串聯(lián)，這樣會(huì)導(dǎo)致整個(gè)裝置的體積和重量增加.

蓄電池與超級(jí)電容相反，它具有很高的能量密度，在船舶正常行駛和巡航時(shí)可以采用蓄電池放電提高船舶行駛的能量.但是蓄電池的充放電過(guò)程屬于化學(xué)過(guò)程，其能量密度較大，壽命周期較短[4].當(dāng)船舶需要加速或者啟動(dòng)時(shí)，由于需要較大的瞬間功率，若采用蓄電池供電會(huì)導(dǎo)致蓄電池的放電電流超過(guò)其本身的額定電流，這樣會(huì)造成蓄電池使用周期縮短.而且蓄電池壽命周期短，不利于經(jīng)常充放電.

復(fù)合儲(chǔ)能裝置的特點(diǎn)是把蓄電池與超級(jí)電容分別串聯(lián)一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器后再并聯(lián)，見(jiàn)圖1.該方法很好的結(jié)合了超級(jí)電容功率密度大和蓄電池能量密度大的優(yōu)勢(shì)，不僅有效減小了加速或者啟動(dòng)時(shí)瞬時(shí)大功率對(duì)蓄電池造成的沖擊，而且減輕了在正常行駛或者巡航時(shí)超級(jí)電容的體積和重量.此方法可以很好地提高船舶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，增強(qiáng)負(fù)載的適應(yīng)能力.

圖1 復(fù)合儲(chǔ)能裝置的簡(jiǎn)圖

2 DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

DC/DC轉(zhuǎn)換器采用雙向的兩象限半橋轉(zhuǎn)換器[5-7]，圖2為直流母線通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器分別與超級(jí)電容和蓄電池相連.對(duì)于超級(jí)電容，DC/DC轉(zhuǎn)換器由2個(gè)IGBT(S1和S2)分別并聯(lián)二極管D1，D2組成.當(dāng)船舶制動(dòng)時(shí)，直流母線電壓增加，利用PWM控制S1閉合，S2斷開(kāi).S1與D2構(gòu)成一個(gè)Buck電路，見(jiàn)圖3.直流母線通過(guò)Buck電路降壓后向超級(jí)電容充電.

圖2 DC/DC轉(zhuǎn)換器電路圖

圖3 Buck電路

當(dāng)制動(dòng)時(shí)，直流母線向超級(jí)電容充電的過(guò)程是一個(gè)連續(xù)導(dǎo)電過(guò)程，這時(shí)通過(guò)Buck電路把直流母線的高電壓轉(zhuǎn)化為相對(duì)較低的電壓后向超級(jí)電容充電，這時(shí)直流母線作為電源，超級(jí)電容作為負(fù)載.這時(shí)的電壓增益為

(1)

式中：DC為IGBT的占空比.占空比定義為開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期的比值，即

(2)

當(dāng)船舶加速或者起航所需的功率較大時(shí)，利用PWM控制S1斷開(kāi)，S2閉合.S2和D1組成Boost電路，見(jiàn)圖4.超容電容通過(guò)Boost電路向直流母線放電，供加速或者起航使用.

圖4 Boost電路

超級(jí)電容向直流母線放電的過(guò)程也是一個(gè)連續(xù)導(dǎo)電過(guò)程，這時(shí)超級(jí)電容相當(dāng)于電源，直流母線為負(fù)載.這時(shí)的電壓增益為

(3)

要調(diào)節(jié)電壓的增益，即調(diào)節(jié)IGBT的導(dǎo)通時(shí)間，采用PWM的方法控制其開(kāi)關(guān)頻率，從而起到調(diào)節(jié)增益的目的.

蓄電池串聯(lián)同樣的DC/DC轉(zhuǎn)化器，其工作原理與超級(jí)電容的基本一致.充電時(shí)直流母線為電源，蓄電池為負(fù)載，直流母線通過(guò)Buck電路向蓄電池充電；放電時(shí)，蓄電池為電源，直流母線為負(fù)載，蓄電池通過(guò)Boost電路向直流母線充電.

3 控制策略

儲(chǔ)能裝置合理的充放電不僅有利于儲(chǔ)能裝置的整體壽命，提高儲(chǔ)能裝置的效率，而且有利于穩(wěn)定船舶電網(wǎng)的工作狀態(tài)，保證船舶的正常作業(yè).本設(shè)計(jì)采用電壓、電流雙閉環(huán)的控制方式，內(nèi)環(huán)為蓄電池或者超級(jí)電容的電流環(huán)，外環(huán)為船舶中間直流環(huán)節(jié)的電壓環(huán)，其框架圖見(jiàn)圖5.

圖5 系統(tǒng)控制框架圖

Ud(s)為中間直流環(huán)節(jié)電網(wǎng)電壓，其經(jīng)過(guò)濾波器Hud(s)后與給定電壓Ud*(s)進(jìn)行比較后的偏差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后進(jìn)行電流分配.由于超級(jí)電容具有較高的功率密度，可以提供很大的瞬間功率，而且具有很高的壽命周期，因此進(jìn)行電流分配后的動(dòng)態(tài)分量提供給超級(jí)電容；由于蓄電池的能量密度很大，壽命周期很短，動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)導(dǎo)致其壽命較弱，因此分配后的穩(wěn)態(tài)分量提供給蓄電池.電流內(nèi)環(huán)應(yīng)滿足低頻增益的要求，截止頻率一般大于電壓外環(huán)的10倍以上.超級(jí)電容和蓄電池電流內(nèi)環(huán)補(bǔ)償控制器的傳遞函數(shù)分別為

(4)

(5)

電壓外環(huán)獲得的是總體電網(wǎng)的電流，它在分配時(shí)要同時(shí)兼顧超級(jí)電容和蓄電池，使兩者都要具有很好的控制性能.電壓外環(huán)補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為

(6)

4 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

4.1 仿真模型的建立

系統(tǒng)的Matlab/Simulink的模型見(jiàn)圖6.

圖6 Matlab/Simulink仿真模型

系統(tǒng)由電站模塊(異步電機(jī))、逆變模塊和儲(chǔ)能單元模塊組成.電站模塊通過(guò)逆變模塊連接到直流母線，直流母線通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器與儲(chǔ)能單元模塊相連.仿真系統(tǒng)的主要參數(shù)見(jiàn)表1.

4.2 充放電性能仿真

當(dāng)系統(tǒng)處于制動(dòng)時(shí)，復(fù)合儲(chǔ)能裝置處于充電狀態(tài)，儲(chǔ)能單元的電壓變化見(jiàn)圖7.蓄電池和超級(jí)電容處于充電狀態(tài)，根據(jù)蓄電池和超級(jí)電容能量密度的特點(diǎn)設(shè)置控制單元，制動(dòng)回饋的能量按照一定的比例儲(chǔ)存在蓄電池和超級(jí)電容.超級(jí)電容的充電速率明顯高于蓄電池，制動(dòng)開(kāi)始時(shí)的瞬間響應(yīng)很大；蓄電池的瞬間響應(yīng)較為緩慢，整個(gè)充電過(guò)程較為平穩(wěn).

表1 仿真系統(tǒng)的主要參數(shù)

圖7 儲(chǔ)能裝置充電電壓圖

當(dāng)系統(tǒng)處于加速或巡航時(shí)，復(fù)合儲(chǔ)能裝置處于放電狀態(tài)，儲(chǔ)能單元的電壓變化見(jiàn)圖8.超級(jí)電容放電瞬態(tài)功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蓄電池，但蓄電池的容量大于超級(jí)電容.當(dāng)船舶需要加速或者起航時(shí)，功率密度較大的超級(jí)電容可以提高較大的瞬時(shí)功率，這時(shí)超級(jí)電容放電，提供起航加速的瞬態(tài)功率；當(dāng)船舶航行處于穩(wěn)定時(shí)，能量密度較大的蓄電池放電，提供相應(yīng)的巡航功率.

圖8 儲(chǔ)能裝置放電電壓圖

4.3 復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能仿真

對(duì)于儲(chǔ)能裝置的充放電控制，采用電壓電流雙閉環(huán)的控制方式，中間直流母線的電壓變化圖見(jiàn)圖9.由圖9可知直流母線的電壓在充放電過(guò)程中雖然有波動(dòng)，但是波動(dòng)幅度在可控范圍內(nèi)，總體的電壓能夠穩(wěn)定在1 150 V左右，使直流母線具有較好的可靠性和動(dòng)態(tài)性.

圖9 直流母線的電壓變化

結(jié)果表明，復(fù)合儲(chǔ)能裝置能夠很好的結(jié)合蓄電池和超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)，很好地改善了目前單一的儲(chǔ)能裝置的不足.既彌補(bǔ)了超級(jí)電容能量密度小的不足，又解決了蓄電池功率密度小的缺點(diǎn)，使儲(chǔ)能裝置適用于船舶航行的各種工況，有效地提高了能量利用率.復(fù)合儲(chǔ)能裝置在對(duì)能量進(jìn)行回饋再利用的同時(shí)，對(duì)船舶功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，保持其直流母線電壓保持穩(wěn)定，不僅有利于船舶電力設(shè)備的安全工作，而且大大減少了燃油的消耗.

5 結(jié) 束 語(yǔ)

針對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)制動(dòng)過(guò)程中存在直流環(huán)節(jié)的泵升電壓?jiǎn)栴}，將復(fù)合儲(chǔ)能裝置引入船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了Matlab/Simulink仿真.結(jié)果表明該裝置很好的結(jié)合了超級(jí)電容功率密度大和蓄電池能量密度大的特點(diǎn)，可以向各種工況下航行的船舶供電，解決了單一儲(chǔ)能裝置(超級(jí)電容)能量密度小，單位容量低，不適合在船舶正常航行時(shí)向其提供能量的不足.該方法不僅對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行了回饋再利用，而且對(duì)船舶運(yùn)行工況具有功率調(diào)節(jié)的作用，使得船舶電站能夠保持相對(duì)穩(wěn)定( 柴油發(fā)電機(jī)始終工作在最佳工作點(diǎn)附近) ，提高了能源的利用率.雖然目前儲(chǔ)能裝置的成本較高，但是大容量蓄電池與超級(jí)電容器技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合儲(chǔ)能裝置的價(jià)格也會(huì)大幅下降，復(fù)合儲(chǔ)能裝置在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中具有較好的應(yīng)用前景.

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Wuhan430063,China)2)

Design of Complex Energy Storage Device for Marine Electric Propulsion System

YANG Xiangguo1)YANG Cheng2)LIN Zhiguo2)TAO Fengwei2)ZHOU Ke2)TIAN Lei2)

(KeyLaboratoryofMarinePowerEngineering&Technology,WuhanUniversityOfTechnology,Wuhan430063,China)1)(SchoolofEnergyandPowerEngineering,WuhanUniversityOfTechnology,

In the working state of the deceleration brake, electric propulsion ship has pump lift problem with DC link. In the traditional electric propulsion system, the problem is mostly solved by using the brake resistance or a single energy storage device. According to this problem, this paper designs a set of complex energy storage device creatively. The simulation in MATLAB/Simulink shows that the complex energy storage device can meet the technical requirements of braking energy feedback.

electric propulsion ship; braking energy; complex energy storage

2016-08-29

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51507121)、湖北省自然基金項(xiàng)目(2014CFB843)、船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(KLMPET2015-04)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2015Ⅲ07)資助

U664.14 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.019

楊祥國(guó)(1981- )：男，博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)橄到y(tǒng)仿真與控制