張逸峰，王錫淮

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混合動(dòng)力船舶的建模與能量管理

張逸峰，王錫淮

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 200001）

考慮到能源和環(huán)境的問(wèn)題日益突出，開(kāi)發(fā)低能耗、低排放的綠色船舶成為當(dāng)今船舶工業(yè)的首要任務(wù)。設(shè)計(jì)混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的架構(gòu)，采用光伏電池和燃料電池等清潔能源與柴油發(fā)電機(jī)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)船舶，加上蓄電池作為儲(chǔ)能元件對(duì)多余的功率的吸收或缺少功率的補(bǔ)充。并且使用能量管理中心對(duì)其進(jìn)行調(diào)度管理。

混合動(dòng)力船舶 能量管理 雙有源橋式變換器

0 引言

在近幾年，人們?cè)诖罅﹂_(kāi)發(fā)發(fā)展全電氣船。船舶的各種系統(tǒng)，包括泵，電機(jī)，傳感器，甚至電腦系統(tǒng)全部依賴(lài)電力能源。在船舶工業(yè)上，燃料價(jià)格的上升和減少污染物氣體排放的必要性導(dǎo)致對(duì)新能源資源的發(fā)展的持續(xù)上升的關(guān)注。船舶是溫室氣體的主要生產(chǎn)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(huì)是一個(gè)巨大的進(jìn)步，特別再減少二氧化碳的排放上，能夠與高度不可預(yù)測(cè)的燃料價(jià)格相獨(dú)立。

所以使用混合動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)在節(jié)約燃料和減少二氧化碳排放的細(xì)節(jié)研究有著深遠(yuǎn)的影響。電力電子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是能夠靈活的提供整個(gè)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(guò)多的計(jì)算時(shí)間來(lái)仿真這些系統(tǒng)是它不可能適當(dāng)?shù)姆治鲞@些系統(tǒng)。因此，建模和仿真環(huán)境的發(fā)展是更進(jìn)一步的研究的必要需求。

圖1是整個(gè)混合動(dòng)力船舶的方框圖。混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是能量管理及其控制策略，其目的是: 在滿(mǎn)足船舶動(dòng)力性能的前提下，控制策略能夠根據(jù)混合動(dòng)力系統(tǒng)特性和實(shí)時(shí)運(yùn)行工況，將多種能源合理分配、協(xié)調(diào)控制，使各部件高效率運(yùn)行，以達(dá)到最大的燃油經(jīng)濟(jì)性、最少的排放。國(guó)內(nèi)外對(duì)混合動(dòng)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(jù)半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)原理，制成一種能夠把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)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(jù)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(shè)備之一所謂的燃料電池就是一種將氫氣和氧氣結(jié)合成水的過(guò)程中能夠釋放大量的電荷的設(shè)備，因?yàn)槠涫褂玫氖强稍偕臍錃?，并且化合物是水，?shí)現(xiàn)了零排放。這種燃料電池?fù)碛休^高的能量轉(zhuǎn)換效率，無(wú)可移動(dòng)的部件以至于維護(hù)成本較低并且沒(méi)有充電過(guò)程等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想用于船舶發(fā)電的設(shè)備。

質(zhì)子交換膜燃料電池其由陽(yáng)極，陰極以及電解質(zhì)膜組成。從圖3中可以看出，氫氣到達(dá)多空陽(yáng)極在陽(yáng)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(guò)電解質(zhì)膜到達(dá)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(yīng)生成水并放出熱量。于此同時(shí)電子通過(guò)外電路，對(duì)負(fù)載供電，然后到達(dá)陰極。以上就是燃料電池發(fā)電的全過(guò)程。

圖3 質(zhì)子交換膜燃料電池原理示意圖

質(zhì)子交換膜燃料電池在工作過(guò)程中，存在不可逆的損失，電池輸出電壓會(huì)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(dòng)力船舶中，作為能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)的的蓄電池起到了關(guān)鍵的作用。在后文中能量管理系統(tǒng)中，蓄電池起到了至關(guān)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(xiàn)了許多中，如內(nèi)阻模型、阻容模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等等。

阻容模型等效為三個(gè)電阻和兩個(gè)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(chǔ)存容量；而C較小，代表了電池的極化效應(yīng)。和內(nèi)阻模型相比較，阻容模型更能反映出電池充放電過(guò)程中的動(dòng)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(jī)建模

為了增加設(shè)計(jì)船舶的可靠性，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)被混合了兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)。

柴油機(jī)建模：柴油機(jī)產(chǎn)生一個(gè)依賴(lài)輸入燃料的轉(zhuǎn)矩。柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩和輸入燃料的關(guān)系如下所示；

延遲時(shí)間如下定義：

時(shí)間常數(shù)如下定義：

圖5是柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的建模：

圖5 柴油發(fā)電機(jī)調(diào)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(zhuǎn)換器十分重要，因?yàn)榭稍偕Y源的輸出功率依賴(lài)于環(huán)境條件。雙有源橋式直流變換器普遍應(yīng)用在風(fēng)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(dāng)于兩個(gè)單向DC/DC 變換器，所以能減小系統(tǒng)的體積、質(zhì)量和成本，并且能夠容易實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)、系統(tǒng)慣性小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 雙有源橋式變換器

1）升壓操作模式

所有的低壓側(cè)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟超過(guò)50%的開(kāi)關(guān)周期。在重疊的時(shí)間間隔內(nèi)，輸入電感被充電。在這個(gè)操作模式中高壓側(cè)開(kāi)關(guān)關(guān)閉，電流流過(guò)開(kāi)關(guān)的內(nèi)部二極管。每當(dāng)這些開(kāi)關(guān)對(duì)關(guān)閉時(shí)，電感開(kāi)始放電。

2）降壓操作模式

在這操作模式中，鉗位回路的開(kāi)關(guān)和轉(zhuǎn)換器的低壓側(cè)開(kāi)關(guān)是off，電流流過(guò)開(kāi)關(guān)內(nèi)部的二極管。電感在任意一個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)在ON時(shí)充電。當(dāng)所有開(kāi)關(guān)在OFF時(shí)，電感放電。

在小信號(hào)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(yīng)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(nèi)部源電阻被使用是為了使電壓被用于作為輸入。但是，內(nèi)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(wèn)題，基于非線性平均開(kāi)關(guān)模型的雙向雙有源橋式一個(gè)統(tǒng)一模型在中實(shí)現(xiàn)。穩(wěn)態(tài)方程能夠由通過(guò)電感的平均電流L，電容的電壓C2，開(kāi)關(guān)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(shè)置為零，改進(jìn)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?yàn)檫@模型在兩方向是統(tǒng)一的。

6 能量管理中心

混合動(dòng)力船舶的綜合電力系統(tǒng)需要能量管理中心來(lái)平衡生產(chǎn)，儲(chǔ)存和使用的能量的總數(shù)。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?yàn)閷?duì)于電池壽命擴(kuò)展有必要對(duì)電壓進(jìn)行限制。換句話(huà)說(shuō)，過(guò)電壓導(dǎo)致過(guò)熱和短路，欠電壓導(dǎo)致電極材料的漸進(jìn)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(kù)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(dāng)電池的荷電狀態(tài)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)所使用的能量管理的算法。兩種操作模式都被認(rèn)為是電池的能量管理。在第一個(gè)操作模式下，電池通過(guò)下垂控制調(diào)節(jié)直流電電壓。這操作模式發(fā)生在兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)同時(shí)關(guān)閉和電池操作再第一個(gè)模式來(lái)調(diào)節(jié)直流線電壓。當(dāng)直流線電壓被柴油發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)是，電池選擇第二操作模式?？紤]到電池充電狀態(tài)級(jí)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(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的情況。

7 實(shí)驗(yàn)仿真

在MATLAB/SIMULINK環(huán)境中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)建模。40個(gè)并聯(lián)光伏電池模塊，在額定溫度和額定光照強(qiáng)度下，能夠發(fā)出0.2兆瓦的電力；一臺(tái)0.1兆瓦的燃料電池；兩臺(tái)1.25兆瓦柴油發(fā)電機(jī)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(shí)間內(nèi)，船舶沒(méi)有啟動(dòng)，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(chǔ)存。第二段時(shí)間內(nèi)，船舶開(kāi)始啟動(dòng)速度加快，控制能量在0.85兆瓦。這種情況下，第一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)打開(kāi)，生產(chǎn)額定功率的60%。電池任然被剩余電量充電，接下來(lái)時(shí)間內(nèi)，船舶的速度達(dá)到最大，需要的功率達(dá)到2.1兆瓦，第一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)在最大功率，第二臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)打開(kāi)，生產(chǎn)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(shí)，第二臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)關(guān)閉，但是第一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)生產(chǎn)額定功率。剩余功率由電池提供。

仿真結(jié)果如圖9到圖13所示。

圖8 電池荷電狀態(tài)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的能量管理算法

圖9 負(fù)載功率

圖10 第一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的功率

圖11 第二臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的功率

圖12 電池的功率曲線

圖13 電池的荷電狀態(tài)

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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。