陶 寧， 郭 燚

(上海海事大學 物流工程學院， 上海 201306)

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基于超級電容荷電狀態(tài)控制功率分配的能量管理

陶 寧， 郭 燚

(上海海事大學 物流工程學院， 上海 201306)

基于一艘超級電容為動力來源的全電力推進船舶，加入燃料電池后組成混合儲能動力船舶，使得不同的儲能元件發(fā)揮其優(yōu)勢，平衡復雜的負載功率波動，延長船舶續(xù)航里程，優(yōu)化能量的使用效率。超級電容和燃料電池分別以雙向半橋DC-DC變換器和Boost變換器作為媒介，與600 V直流母線連接，通過雙閉環(huán)控制策略對總線電壓和各儲能元件電流進行控制；同時,采用一種新型的能量管理方法，以超級電容荷電狀態(tài)為基礎，使得能量分配保持動態(tài)平衡。Matlab/Simulink仿真結果表明，該方法有效地利用了各儲能元件的優(yōu)勢，發(fā)揮了超級電容平復負載波動的作用，超級電容作為儲能元件的能量也得到充分利用。

超級電容； 燃料電池； 能量管理； 負載波動； Simulink

船舶在實際航行中會遇到不同的狀況，如雨雪天氣，避讓其他船舶，加、減速過程等，都會使得負載的功率有很大程度的波動。傳統(tǒng)的柴油動力船舶為了滿足這種大功率需求，需要增加發(fā)動機組的數量來保證充足的裕量。但是，當船舶平穩(wěn)航行時，卻是保持較低的功率狀態(tài)，這就使能量消耗不在柴油機的最佳能耗區(qū)間，造成能源的浪費。相較之下，混合儲能電力推進技術很好地解決了這一難題。電力推進的優(yōu)勢在于機動性強，可以應對不同負載變化，且儲能元件布局靈活，運行噪聲低，安全性能也更有保障，尤其是在城市環(huán)境中使用的船舶，對于溫室氣體排放有限制要求。因此，混合儲能電力推進技術取代傳統(tǒng)柴油機動力將是未來的趨勢[1]。

依托于新能源產業(yè)的發(fā)展，對于混合儲能動力船舶的研究已取得了一些成果。早在2000年，澳大利亞研發(fā)出世界上第一艘商用太陽能/風能混合動力“Solar Sailer”號雙體輪渡客船；2008年，德國Proton Power System 公司研發(fā)的混合動力船舶“Alsterwasser”采用超級電容、鋰電池和燃料電池作為動力來源，配合能量管理系統(tǒng)工作[2]。在國內，2010年的上海世博會上，由我國自主研發(fā)的“尚德國盛”號參加展覽，該船使用柴油機組、鋰電池和太陽能混合動力，是我國第一艘使用太陽能的混合動力船舶[3]。對于混合儲能系統(tǒng)，文獻[4]中闡述了燃料電池與超級電容混合儲能系統(tǒng)在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的應用，以超級電容為備用能源，總線電壓作為約束條件。文獻[5]中闡述了混合儲能的優(yōu)點，分別舉了燃料電池與超級電容混合儲能、燃料電池與鋰電池混合儲能在電動汽車上的應用。文獻[6]中以模糊控制理論為基礎，研究了對超級電容、鋰電池和燃料電池混合儲能的能量管理。由此可見，關于混合儲能在電動汽車與家庭微電網中的應用已十分廣泛。

目前，對于船舶混合儲能的能量管理研究還處于初級階段，本文以位于法國Lorient市的超級電容輪渡Vag Ar Treden為研究對象,主要研究混合儲能在船舶上的應用；本文設計的混合儲能系統(tǒng)結構與汽車以及微電網儲能系統(tǒng)相似，因此，在設計中很具有借鑒意義；同時，在船舶中加入其他儲能元件組成混合儲能系統(tǒng)，進行相應的能量管理，平復負載功率的波動。

1 儲能元件選擇

位于法國Lorient市的超級電容輪渡Vag Ar Treden，制造商為STX France Lorient，2013年投入使用，外觀如圖1所示。該輪渡最大的特點是儲能單元僅由超級電容構成，是一艘純電力推進船舶[7]。

圖1 Vag Ar Treden外觀圖

圖2為該輪渡航行的路線圖以及航程中的功率特性曲線。該輪渡每次往返需要充電一次，每天航行往返35次;從港口R處完成充電后出發(fā)，反復經過階段1和2，到達港口A后，重新載客再以同樣的方式返回港口R。由圖2(b)可見，當功率P<0時，表示渡輪正在航行過程中，超級電容放電；當P>0時，表示渡輪在港口R停靠，超級電容在充電[8]。

(a)航行路線圖(b)功率特性曲線

圖2 輪渡的航行路線圖與功率特性曲線

Fig.2 Sailing route and power profile of the ferry

Vag Ar Treden每次的航行路線較短，且每次往返均需充電，表明該輪渡航行的機動性較差，當遇到惡劣天氣或執(zhí)行特殊任務、需要增加航行里程時，負載需要額外提供能量；此時，若以簡單地增加超級電容模組的方式提供能量，不僅輪渡本身的空間無法承載較大的超級電容模組，且超級電容價格昂貴，成本上會有更大負擔。因此,本文考慮以超級電容為輔助能源，加入其他儲能元件，組成混合儲能動力系統(tǒng)。目前市場上的新能源材料很多，如鋰電池、燃料電池、飛輪儲能、鉛酸電池等。圖3給出了各儲能元件的能量與功率對比曲線。

圖3 儲能元件性能比較

由圖可見，超級電容的功率密度較高，能量密度卻很低。因此，考慮加入的儲能單元的能量密度應較高，以彌補超級電容在能量密度上的短板。圖3中，鋰電池的功率密度和能量密度特性都介于燃料電池與超級電容之間，從能量密度角度考慮，燃料電池的能量密度明顯高于鋰電池，幾乎高出2個數量級；從功率密度角度考慮，鋰電池的功率密度高于燃料電池。由于該輪渡中的超級電容本身就擁有極高的功率密度，已經完全可以滿足系統(tǒng)對功率密度的要求，因此，燃料電池作為混合儲能元件更為合適。同時，燃料電池轉換效率高，在額定功率下效率高達60%，而且產物只有水，沒有溫室氣體排放[9]。因此，本文選擇加入燃料電池，與超級電容組成混合儲能動力系統(tǒng)。

文獻[9]中研究了燃料電池和超級電容搭配構成的混合儲能系統(tǒng)的應用。超級電容的動態(tài)響應速度遠快于燃料電池，當船舶處于加速或減速過程中，負載功率需求發(fā)生突變，此時,超級電容將承擔起負載功率中的高頻分量的部分，燃料電池負責低頻分量的部分。

3 混合儲能動力系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結構

圖4所示為超級電容與燃料電池組成的混合動力系統(tǒng)結構圖。系統(tǒng)總線電壓為600 V，燃料電池通過Boost變換器與母線連接，超級電容通過雙向半橋DC/DC變換器與母線連接，負載則通過逆變器與母線連接。

圖4 混合動力系統(tǒng)結構示意圖

本文設計由超級電容與燃料電池組成的混合動力系統(tǒng)結構，與家庭微電網以及新能源汽車的設計類似，通過精確控制變換器，實現(xiàn)能量交換。系統(tǒng)中的能量交換模式主要有以下3種[11]：

(1) 系統(tǒng)過載時，燃料電池與超級電容共同提供負載所需要的能量，即

PFC+PSC=PL

(1)

式中，PFC為燃料電池功率;PSC為超級電容功率;PL為負載功率。

(2) 系統(tǒng)輕載時，燃料電池提供負載所需能量，且為超級電容充電，即

PFC=PL+PSC

(2)

(3) 負載回饋制動時，回饋的能量由超級電容吸收，即

PL+PSC=0

(3)

當PSC>0，超級電容放電；PSC<0，超級電容被充電。

3.2 DC/DC變換器

超級電容與直流母線通過雙向半橋DC/DC變換器(見圖5)連接，實現(xiàn)充、放電功能。燃料電池與母線通過Boost變換器(見圖6)連接，使得燃料電池將能量傳輸給直流母線。雙向半橋DC/DC變換器和Boost變換器的模型搭建需要確定其中低通濾波器的參數，再根據參數在Matlab中搭建相關模型，其中,電容C并聯(lián)在直流母線之間，兩個直流變換器共用一個電容器。

圖5 雙向半橋DC/DC變換器

圖6 Boost變換器

本文中,變換器參數的確定建立在其所有元器件都是理想狀態(tài)的條件下，不包含任何形式的能量損失，故可計算得到變換器中電感與電容值分別為[12]

(4)

(5)

ΔUbus=0.05Ubus

(6)

式中，Uin為輸入端電壓;Uo為輸出端電壓;P0為最大負載功率;開關頻率fs=10 kHz;IL為電感電流;Ubus為母線電壓;ΔUbus為母線電壓波動的數值。

根據超級電容端電壓USC和燃料電池端電壓UFC以及Ubus才能計算出所需低通濾波器參數的大小，其中混合儲能系統(tǒng)具體參數如表1所示；超級電容在港口R處充電功率為200 kW。

2個變換器中的低通濾波器共用1個電容，電容連接在母線之間。由表1的數值，結合式(4)～(6)，可計算得到直流變換器中低通濾波器的參數值，如表2所示。表中，LBoost為燃料電池端Boost變換器電感；Lbidi為超級電容端雙向半橋DC/DC變換器電感；Cbus為并聯(lián)在母線中間共用的電容。

表1 給定參數

表2 變換器參數

4 控制參數

4.1 控制原理介紹

負載功率的波動將導致直流母線電壓的波動，當負載增大時，直流母線電壓降低；反之，直流母線電壓則回升。本文采取超級電容雙閉環(huán)控制策略，通過控制直流母線電壓間接地平復母線電壓的波動[13]。雙閉環(huán)控制原理圖如圖7所示。圖中，IFC和IFC_ref為燃料電池電流測量值和參考值；ISC和ISC_ref為超級電容電流的測量值和參考值，Ubus_ref為母線電壓參考值。Ubus_ref=600 V，與實時反饋的直流母線電壓進行做差比較，經PI調節(jié)器后輸出作為電流環(huán)參考值，再利用PWM技術控制開關的通斷，以達到對儲能元件功率精確控制的目的。

圖7 雙閉環(huán)控制策略

4.2 PI參數確認

雙閉環(huán)控制策略中包含了3個閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)中阻尼比ξ是系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標[4]。在欠阻尼情況下(0<ξ<1),閉環(huán)控制系統(tǒng)有超調量，通常阻尼比ξ=0.4～0.8;若ξ=1，系統(tǒng)動態(tài)響應無超調。開關頻率fs取值一般為10～20 kHz;轉折頻率為

ωC≤2πfs/50

(7)

本文設ωC=200 Hz，ξ=0.7。由文獻[14]中可知，PI環(huán)節(jié)的加入不改變系統(tǒng)的自然頻率，但可增大系統(tǒng)的ξ，使得階躍響應的超調量下降，調節(jié)時間縮短，且不影響穩(wěn)態(tài)誤差以及系統(tǒng)自然頻率。PI的參數設定可以簡要歸納為[14]

信息技術發(fā)展快、更新快，由于缺乏既懂農業(yè)信息化，又懂農業(yè)技術的專業(yè)人才，先進信息技術難以在生產中推廣應用，技術服務也跟不上群眾需求。貧困戶文化水平低，先進信息技術接受能力弱。

kP=2ξωCL

(8)

(9)

由此可計算出PI的參數如表3所示。

表3 PI環(huán)節(jié)參數確定

需要注意的是，對于超級電容電流環(huán)而言，其ωC應較直流母線電壓環(huán)縮小10倍，即

ωv=ωC/10=20 Hz

其中，ωv為超級電容內環(huán)轉折頻率。

5 新型能量管理策略(EMS)

本文利用Matlab 2015b進行仿真研究?？紤]到系統(tǒng)仿真的穩(wěn)定性與準確性，燃料電池和超級電容元件直接從電力電子模型庫SimPowerSystem中選擇，模塊中可以針對燃料電池的額定電壓、額定電流、層數等重要參數進行設定。變換器模型以及PI控制環(huán)節(jié)的模型將使用本文搭建的模型來進行構建。

5.1 SOC限定功率策略

能量管理的目的是確保超級電容和燃料電池的功率合理分配，以兩種儲能元件的優(yōu)勢來滿足負載功率變化。

式中，ESC為超級電容中包含的能量；UC為超級電容現(xiàn)有的電壓；iSC為通過超級電容的電流；CSC為超級電容的電容值。

超級電容的荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)為

式中，UCb、UCM分別為超級電容的測量電壓和額定電壓。

為了避免超級電容過充、過放，其充滿電的電壓值應與額定電壓相當，放電的最低值應約為總電量的30%[15]，這樣才能保證其在穩(wěn)定的環(huán)境中使用。本文設定超級電容的SOC為0.25～1，當SOC降到最低點0.25時，由燃料電池提供全部負載所需要的能量，而當SOC=1時，則以超級電容的能量優(yōu)先使用。

文獻[16]中運用模糊控制策略對混合儲能系統(tǒng)進行能量管理。該模糊控制策略根據負載功率需求和超級電容的SOC值強行規(guī)定燃料電池的功率大??；缺點是燃料電池功率依然受到負載功率的牽制，當負載功率突變時，燃料電池同樣要承擔較大的功率波動，這與其動態(tài)響應速度較慢的特性是相違背的。本文借鑒文獻[16]中的方法，提出了一種新型的能量管理策略：不考慮負載功率PL的變化，只考慮超級電容SOC值與燃料電池功率PFC之間的比例關系。由于SOC總是緩慢變化的，設計PFC與SOC成反比，這樣保證了PFC不會發(fā)生突變。其設計思路是以超級電容提供PL為基礎，PFC以反比的形式與超級電容SOC值掛鉤，以避免PFC與PL之間有任何聯(lián)系，燃料電池只需要根據超級電容的SOC值提供能量。SOC模塊設計如圖8所示。

圖8 SOC模塊設計

Fig.8 Design of SOC block

圖8中，SOC_max=1，為滿充時的超級電容SOC值；K為能量系數，為限制PFC達到最大值而設定。

本文設定SOC為0.25～1，燃料電池功率最大值PFC_max=64.5 kW。

當超級電容SOC=0.25時，根據負載功率動態(tài)特性曲線，負載最大需求功率為64.5 kW，故可設定燃料電池可提供的最大負載功率為64.5 kW，此時若負載為滿載，則所有的功率將由燃料電池提供，即PFC=PL，超級電容不放電；若此時負載不是滿載，則燃料電池除了給為負載提供能量外，還要為超級電容充電。此時，隨著SOC的增加，PFC隨之減小，而超級電容參與放電的比例也隨之提高。

當超級電容SOC=1時，則PFC的數值與K相當，即由超級電容為負載提供絕大部分的能量，隨著SOC降低，PFC隨之升高。當SOC=0.25時，PFC=64.5 kW，滿足負載最大功率需求，此時完全由燃料電池為負載提供能量，超級電容不需要放電。故

可計算得到

K=64 500/4=16 125

圖9所示為基于超級電容SOC控制功率分配的能量管理策略。該模塊(見圖左側)通過一個低通濾波器，配合雙閉環(huán)控制系統(tǒng)進行能量管理。超級電容SOC控制燃料電池功率策略的思路是使超級電容也能夠利用其既有電量,當SOC很高時，則由超級電容作為主要能源提供負載功率，而燃料電池承擔少部分功率；當SOC很低時，則由燃料電池承擔主要負載功率，超級電容不放電。SOC與PFC呈相反趨勢發(fā)展，SOC的變化必然是緩慢的，這樣PFC增加的速度也必然緩慢，工作狀態(tài)正好符合了燃料電池動態(tài)響應速度慢的特性。

圖9 基于超級電容SOC控制功率分配的能量管理策略

Fig.9 Energy management for SOC of supercapacitor control power distribution

5.2 混合儲能動力系統(tǒng)仿真分析

為驗證本文研究的混合儲能動力系統(tǒng)的可行性與有效性，利用Matlab 2015b軟件進行仿真研究。圖10給出混合儲能動力系統(tǒng)的仿真模型，其中方框部分為超級電容SOC控制功率分配模塊。

圖10 混合儲能動力系統(tǒng)仿真模型

Fig.10 Hybrid source powertrain model simulation

本文設定儲能元件仿真參數如表4所示，低通濾波器的參數與PI環(huán)節(jié)參數見表2、3。

仿真實驗以負載功率特性曲線作為輸入信號，為分析混合儲能系統(tǒng)的有效性，本文中將混合儲能系統(tǒng)仿真結果與單一的超級電容儲能系統(tǒng)仿真結果進行比較，圖11所示為混合儲能系統(tǒng)各儲能元件與以超級電容為單一儲能系統(tǒng)的功率特性曲線比較。

表4 儲能元件仿真參數

(a) 混合儲能系統(tǒng)各儲能元件

圖11 混合儲能系統(tǒng)各儲能元件與以單一儲能系統(tǒng)的功率特性曲線

Fig.11 Hybrid source power profile compared with single source power profile

由圖11可見，混合儲能系統(tǒng)中，超級電容不僅承擔了高頻分量的功率，且在負載高功率狀態(tài)下也承擔了相當一部分的低頻功率，而燃料電池功率保持平緩的變化。當超級電容作為單一儲能系統(tǒng)工作時，其功率特性曲線幾乎跟隨負載功率變化，這與超級電容動態(tài)響應速度較快的特性是相吻合的。

圖12所示為混合儲能系統(tǒng)與單一儲能系統(tǒng)的超級電容SOC曲線比較。由圖可見，采用混合儲能系統(tǒng)后，超級電容SOC在航行結束時仍保持在0.55左右，這是由于在航行中期接受了燃料電池充電的緣故。從SOC的角度出發(fā)，只要燃料足夠，船舶的航行距離可以得到相當程度的提高。

圖13所示為混合儲能系統(tǒng)與單一儲能系統(tǒng)的儲能元件電壓比較。由圖可見，混合儲能系統(tǒng)超級電容的電壓下降明顯，這說明超級電容不僅承擔了

圖12 混合儲能系統(tǒng)與以超級電容為單一儲能系統(tǒng)的超級電容SOC曲線變化比較

Fig.12 Behavior of supercapacitor SOC with hybrid source and single source system respectively

平復負載波動的作用，同時也承擔了大量的負載能量供應；但是，與單一儲能系統(tǒng)相比，電壓并沒有下降至最低，這是由于在中期接受了燃料電池的充電，與超級電容的SOC數值表現(xiàn)保持一致。

圖14所示為混合儲能系統(tǒng)儲能元件與單一儲能系統(tǒng)的電流比較。由圖14(a)可見，燃料電池的電流波動不大，這與圖11(a)中的功率波動比較一致；而超級電容的電容波動較大，但由于采用SOC控制功率分配的策略，將電流峰值很好地控制在150 A以內；而超級電容作為單一的儲能元件時，電流隨著電壓的下降而發(fā)生劇烈波動，峰值接近400 A。

(a) 混合儲能元件電壓

圖13 混合儲能系統(tǒng)儲能元件與單一儲能系統(tǒng)的電壓比較

Fig.13 Voltage behavior with hybrid source and single source system respectively

(a) 混合儲能元件電流

(b) 單一儲能的電流

圖14 混合儲能系統(tǒng)儲能元件與單一儲能系統(tǒng)電流比較

Fig.14 Current behavior with hybrid source and single source system respectively

6 結 語

本文以超級電容輪渡Vag Ar Treden為研究對象，研究混合儲能在船舶上的應用，設計了一種新型的基于超級電容SOC控制功率分配策略。該策略設定了SOC與燃料電池功率的關系，使得超級電容和燃料電池組成混合儲能系統(tǒng)給負載提供能量。超級電容作為唯一儲能元件，在加入新的儲能元件后，保證既平復了負載波動，又可充分利用其既有能量?；诔夒娙軸OC控制功率分配策略以超級電容電荷狀態(tài)為基礎,較好地解決了能量分配的動態(tài)平衡。

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Energy Management Based on Power Distribution Control with Supercapacitor State of Charge

TAO Ning， GUO Yi

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

This paper consider a full electric propulsion ship using pure supercapacitor as the powertrain, combined with fuel cell consisting of a hybrid source storage. The aim is to let each part of the storages make full use of its strengths, balance power fluctuation, extend mileage, and optimize the energy utilization rate. The supercapacitor and the fuel cell are connected to a 600V DC bus with a half-bridge DC-DC converter and a boost converter respectively. The bus voltage and the current of each energy storage are controlled with a double closed-loop control strategy. Meanwhile, an energy management method, based on the state of charge (SOC) of supercapacitor, dynamic balance of energy distribution is maintained. Results of Matlab/Simulink simulation show that the method can make full advantage of each energy storage, keep the load fluctuation flat. The supercapacitor is also used as energy storage.

supercapacitor; fuel cell; energy management; load power ripple; PI controller

2017 -03 -25

陶 寧(1990-)，男，碩士生,主要研究方向為新能源儲能,E-mail:53826975@qq.com

2095 - 0020(2017)03 -0147 - 08

U 665.12； TM 714

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