孟　飛，俞萬能，王文斌

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 福建 廈門 361021，2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021)

0　引言

目前，分布式電源(distributed generation，DG)在陸地配電網(wǎng)中滲透率不斷提高，微電網(wǎng)運(yùn)行控制策略研究日趨成熟，為船舶微網(wǎng)的構(gòu)造和控制提供了研究思路。文獻(xiàn)[1-2]對(duì)分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)模式下的控制策略進(jìn)行研究，驗(yàn)證了微網(wǎng)在孤島和并網(wǎng)模式控制策略的有效性；文獻(xiàn)[3-4]對(duì)微網(wǎng)并網(wǎng)逆變器的切換控制策略進(jìn)行研究，驗(yàn)證了通過對(duì)環(huán)流的有效控制能實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)并網(wǎng)與孤島運(yùn)行的平滑切換；文獻(xiàn)[5]對(duì)微網(wǎng)的能量系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過合理的運(yùn)行控制策略實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的能量管理。船舶運(yùn)行工況復(fù)雜多變，其在構(gòu)造和關(guān)鍵技術(shù)上均與陸地微電網(wǎng)有所不同。文獻(xiàn)[6]對(duì)船舶微電網(wǎng)概念進(jìn)行了闡述，分析了可再生能源接入船舶微網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)與傳統(tǒng)船舶電力系統(tǒng)的區(qū)別，并探討了船舶微網(wǎng)需要研究的關(guān)鍵技術(shù)；文獻(xiàn)[7]對(duì)船舶微網(wǎng)儲(chǔ)能雙向DC/DC進(jìn)行研究，提出了儲(chǔ)能系統(tǒng)安全充放電管理的控制策略；文獻(xiàn)[8]針對(duì)由光柴儲(chǔ)(光伏電池，柴油發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能電池)組成的交流船舶微網(wǎng)系統(tǒng)，使用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行建模，提出并網(wǎng)模式下的功率分配策略，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

船舶微網(wǎng)不同于陸地微電網(wǎng)，船舶航行狀態(tài)復(fù)雜多變，負(fù)載功率波動(dòng)較大，上述文獻(xiàn)并未考慮在負(fù)荷波動(dòng)情況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，本文根據(jù)船舶設(shè)計(jì)時(shí)的基本參數(shù)和要求，對(duì)由光伏電池、柴油發(fā)電機(jī)和鋰電池組成的小型多能源船舶微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，提出適配于負(fù)荷動(dòng)態(tài)波動(dòng)下的能量管理策略，應(yīng)用MATLAB/SIMLINK搭建系統(tǒng)模型，對(duì)該能量管理調(diào)度策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1　多能源船舶微網(wǎng)的電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

船舶航行時(shí)負(fù)荷波動(dòng)頻繁，圖1為模擬負(fù)荷有功功率圖。多組逆變電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)不利于負(fù)載動(dòng)態(tài)變化下船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，為提高船舶微網(wǎng)系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)負(fù)載下的穩(wěn)定性，本文采用圖2的交流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)直流側(cè)由光伏電池、光伏控制器、雙向DC/DC變換器(bi-directional DC-DC converter,BDC)和儲(chǔ)能電池組成；交流微網(wǎng)由柴油發(fā)電機(jī)、逆變電源和交流負(fù)載組成；逆變電源負(fù)責(zé)把直流側(cè)電能輸送至交流微網(wǎng)。該微網(wǎng)系統(tǒng)中光伏電池經(jīng)控制器向直流母線輸出功率，BDC為儲(chǔ)能電池，負(fù)責(zé)充放電管理，逆變器具有獨(dú)立運(yùn)行的恒壓恒頻(V/F)控制運(yùn)行模式和并網(wǎng)運(yùn)行的恒功率(P/Q)控制運(yùn)行模式。

2　多能源船舶微網(wǎng)系統(tǒng)的建模

文中光伏陣列及其MPPT控制器建模參照文獻(xiàn)[9]；儲(chǔ)能電池采用SIMULINK系統(tǒng)庫(kù)中LiFePO4電池；柴油發(fā)電機(jī)建模參照文獻(xiàn)[10]；船舶微網(wǎng)其他單元建模如下。

2.1　BDC建模

雙向Buck-Boost變換器電路模型如圖3所示，其中電池輸出端接Buck-Boost變換器V2端，V1端接直流母線。直流母線的電壓穩(wěn)定控制，對(duì)于直流側(cè)的穩(wěn)定運(yùn)行有重要作用。直流母線連接著光伏陣列、儲(chǔ)能裝置和逆變電源，本文中直流母線電壓控制策略由儲(chǔ)能裝置的BDC控制實(shí)現(xiàn)。BDC采用圖4的雙閉環(huán)控制策略，外環(huán)是電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)。圖4中，Uref為給定外環(huán)母線參考電壓值；Udc為外環(huán)母線電壓反饋值；Iref為電壓外環(huán)計(jì)算得到的DC/DC輸出電流內(nèi)環(huán)參考值；Ibat為DC/DC輸出內(nèi)環(huán)電流反饋值；G1和G2為開關(guān)控制信號(hào)。

2.2　逆變器建模

當(dāng)船舶微網(wǎng)處于光伏、儲(chǔ)能電池和柴油發(fā)電機(jī)聯(lián)合供電時(shí)，逆變器采用P/Q控制模式，柴油發(fā)電機(jī)為微網(wǎng)提供頻率和電壓支撐，原理如圖6所示。采用電流內(nèi)環(huán)、功率外環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，功率外環(huán)給定功率Pdref、Qref，通過idref=2Pref/(3uod)和iqref=-2Qref/(3uod)計(jì)算出參考電流idref和iqref，電流內(nèi)環(huán)控制與V/F控制相同，最后經(jīng)SVPWM控制得到逆變器IGBT的開關(guān)信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)逆變器的恒功率控制。

3　多能源船舶微網(wǎng)能量管理調(diào)度策略

相對(duì)于陸地微電網(wǎng)來說，船舶微網(wǎng)未與大電網(wǎng)并網(wǎng)，整船處于孤島模式。目前國(guó)內(nèi)投放市場(chǎng)的小型多能源電力推進(jìn)船舶能源管理多以光伏電池和柴油發(fā)電機(jī)為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，船舶設(shè)備供電主要由儲(chǔ)能系統(tǒng)提供，而光伏電池、柴油發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)并未并網(wǎng)運(yùn)行。

一般地，相對(duì)于光伏電池和儲(chǔ)能系統(tǒng)部分存在兩種運(yùn)行模式：并網(wǎng)運(yùn)行模式與獨(dú)立運(yùn)行模式。其中光伏電池和儲(chǔ)能系統(tǒng)與柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行稱為并網(wǎng)運(yùn)行模式，柴油機(jī)未并網(wǎng)時(shí)稱為獨(dú)立運(yùn)行模式。本文能量管理針對(duì)這兩種運(yùn)行模式提出相應(yīng)的能量管理策略和運(yùn)行模式切換策略。

根據(jù)系統(tǒng)功率平衡關(guān)系：Pload=Pg+Pbat+Ppv，在不同負(fù)載接入情況下，船舶微網(wǎng)有5種工作狀況。

工況1Pload，

工況2Pload>Ppv且SOC>SOClow時(shí),Pload=Pbat+Ppv；

工況3Pload>Ppv+Pbat時(shí)，Pload=Pg+Ppv+Pbat；

工況4初始時(shí)PloadPpv+Pbat；

工況5初始時(shí)Pload=Pg+Ppv+Pbat，某一時(shí)刻負(fù)載突降，使得Pload

其中：Pload為負(fù)荷需求功率；Ppv為光伏輸出功率；Pbat為鋰電池充放電功率；Pg為柴油發(fā)電機(jī)輸出功率；SOC為鋰電池荷電狀態(tài)；SOClow為鋰電池荷電狀態(tài)下限值。

在工況1和工況2情況下，系統(tǒng)處于獨(dú)立運(yùn)行，逆變器采用V/F控制，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率自治；工況3情況下，系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，逆變器采用P/Q控制，此時(shí)直流微網(wǎng)以最大恒定功率輸出，負(fù)載功率變化由柴油發(fā)電機(jī)提供；工況4情況下，系統(tǒng)由獨(dú)立運(yùn)行切換到并網(wǎng)運(yùn)行；工況5情況下，系統(tǒng)由并網(wǎng)運(yùn)行切換到獨(dú)立運(yùn)行，如圖7所示。

4　仿真分析

通過MATLAB/SIMULINK搭建船舶微網(wǎng)模型，如圖8所示，其中：直流母線電壓為640 V；交流母線線電壓為380 V；頻率為50 Hz；鋰電池額定電壓為537.6 V，且容量為100 A·h；光伏電池指定輸出功率為25 kW；逆變電源并網(wǎng)功率輸出功率為40 kW；柴油發(fā)電機(jī)最大輸出功率可達(dá)到100 kW，采用圖1所示動(dòng)態(tài)負(fù)荷，仿真時(shí)長(zhǎng)為12 s。

當(dāng)T在0～6 s時(shí)，船舶微網(wǎng)處于獨(dú)立運(yùn)行，其中：0～3 s時(shí)PloadPpv且Pload

T=6 s時(shí)負(fù)荷突增，系統(tǒng)檢測(cè)到Pload>Ppv+Pbat，船舶微網(wǎng)系統(tǒng)處于工況4狀態(tài)，獨(dú)立運(yùn)行切換至并網(wǎng)運(yùn)行，逆變電源由V/F控制模式切換至P/Q控制模式，這一階段電壓和頻率最大變化率分別為4.47%和0.38%，恢復(fù)時(shí)間分別為0.16 s和0.12 s，逆變電源切換較為平滑。

當(dāng)T在6～9 s時(shí)，Pload>Ppv+Pbat，船舶微網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行且Pload=Pg+Ppv+Pbat，系統(tǒng)處于工況3狀態(tài)，這一階段柴油機(jī)發(fā)電機(jī)并入船舶微網(wǎng)，交流母線電壓保持不變，受柴油機(jī)的調(diào)速特性影響，交流母線頻率略有波動(dòng)，負(fù)荷波動(dòng)下系統(tǒng)功率自治且穩(wěn)定性較高。

T=9 s時(shí)負(fù)荷突降，系統(tǒng)檢測(cè)到Pload

上述過程的仿真波形見圖9～圖11。圖9表明，通過上述電能變換器的協(xié)調(diào)運(yùn)行控制，各微源能較好地實(shí)現(xiàn)能量管理調(diào)度策略。圖10～圖11表明，在獨(dú)立運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行以及兩種運(yùn)行方式的切換中，船舶微網(wǎng)電壓和頻率均滿足我國(guó)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[11]的要求。圖12表明，船舶微網(wǎng)輸出功率Pout能及時(shí)跟隨實(shí)際運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)負(fù)荷需求功率Pload。

5　結(jié)論

本文提出了動(dòng)態(tài)負(fù)荷下的光柴儲(chǔ)船舶微網(wǎng)能量管理策略，應(yīng)用MATLAAB/SIMULIK進(jìn)行建模仿真。仿真結(jié)果表明：

1)船舶微網(wǎng)處于獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，BDC對(duì)直流母線進(jìn)行穩(wěn)壓控制，逆變器處于恒壓恒頻控制，在負(fù)荷波動(dòng)欠載和過載時(shí)，光儲(chǔ)輸出功率能及時(shí)的滿足負(fù)荷需求。

2)船舶微網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，逆變器處于恒功率控制，柴油發(fā)電機(jī)輸出功率跟隨負(fù)荷波動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)了船舶微網(wǎng)在動(dòng)態(tài)負(fù)荷下的穩(wěn)定運(yùn)行。

3)船舶微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行向并網(wǎng)運(yùn)行切換時(shí)，電壓和頻率瞬時(shí)波動(dòng)分別為4.47%和0.38%，恢復(fù)時(shí)間分別為0.16 s和0.12 s；并網(wǎng)運(yùn)行向獨(dú)立運(yùn)行切換時(shí)，電壓和頻率瞬時(shí)波動(dòng)分別為4.73%和0.32%，恢復(fù)時(shí)間分別為0.11 s和0.08 s，較好地實(shí)現(xiàn)了平滑切換。