闞志偉，王錫淮

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混合動(dòng)力船舶能量管理系統(tǒng)控制與優(yōu)化

闞志偉，王錫淮

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306）

本文介紹使用頻率方法改進(jìn)混合電動(dòng)船（HEB）能量管理系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)做適當(dāng)優(yōu)化。柴油發(fā)電機(jī)通過超級(jí)電容器和鋰電池的配合出力來滿足混合動(dòng)力船的負(fù)荷需求。超級(jí)電容器和鋰電池通過兩個(gè)雙向DC/DC連接到直流母線，柴油發(fā)電機(jī)使用三相pwm整流器連接到直流總線。DC/AC轉(zhuǎn)換器連接到使用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)作為推進(jìn)器模擬混合動(dòng)力船（HEB）在航行過程需求的推進(jìn)負(fù)載。利用粒子群優(yōu)化算法來整定柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)PID控制器參數(shù)，使其有更快的速度響應(yīng)。本文通過柴油發(fā)電機(jī)，超級(jí)電容器和鋰電池這些電源的功率分配來滿足動(dòng)態(tài)負(fù)荷需求。理論結(jié)果通過MATALB/Simulink軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

混合動(dòng)力船舶 鋰電池 超級(jí)電容器 功率分配 粒子群算法

0 引言

如今，多源系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各類交通工具以此來減少能源消耗和溫室氣體的排放。在船舶領(lǐng)域，由于混合動(dòng)力船舶（HEB）負(fù)載的波動(dòng)，船用發(fā)電機(jī)需要在暫態(tài)過程獲得一定的功率補(bǔ)充，以免發(fā)電機(jī)性能惡化。使用鋰電池和超級(jí)電容器能夠減少功率波動(dòng)對(duì)于發(fā)電機(jī)的擾動(dòng)，以提高HEB動(dòng)態(tài)性能。能量存儲(chǔ)系統(tǒng)能夠在一定時(shí)間內(nèi)平滑的緩解負(fù)荷波動(dòng)的影響。本次研究使用鋰電池和超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能設(shè)備，使用直流電網(wǎng)作為主系統(tǒng)，這是由于相當(dāng)一部分設(shè)備需要直流電源為其供電。相比于交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)能減少電力電子轉(zhuǎn)換器數(shù)目，降低了成本，同時(shí)也降低控制系統(tǒng)復(fù)雜程度。

本文主要研究應(yīng)用頻率法進(jìn)行能量管理，基本原理是通過負(fù)荷曲線在超級(jí)電容器、鋰電池和發(fā)電機(jī)之間的分配來解決暫態(tài)功率補(bǔ)償問題。這種方法能明顯減輕負(fù)荷對(duì)于發(fā)電機(jī)的影響。

將負(fù)荷功率曲線分解為低、中、高三個(gè)不同頻率分量主要是降低負(fù)荷對(duì)發(fā)電機(jī)的影響，這直接影響發(fā)電機(jī)使用壽命。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1，發(fā)電機(jī)直接與整流器連接，鋰電池和超級(jí)電容器通過buck-boost電路連接母線。圖中，推進(jìn)器用來模擬船舶的能量需求。

圖1 混合動(dòng)力船結(jié)構(gòu)

1 儲(chǔ)能裝置和柴油機(jī)模型

1.1 超級(jí)電容器模型

此電容器數(shù)學(xué)模型為：

1.2 鋰電池模型

1.3 柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)模型

永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可表示為式（3）：

機(jī)械轉(zhuǎn)矩J可由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)獲得。

2 DC/DC和AC/DC變流器模型

2.1 雙向buck-boost模型

人際情緒管理問卷最終版包含4個(gè)分量表，每個(gè)分量表含有5個(gè)項(xiàng)目，共20個(gè)項(xiàng)目.研究表明，分量表均具有著較好的內(nèi)部一致性信度，強(qiáng)化積極情緒分量表α=0.89，觀點(diǎn)采擇分量表α=0.91，尋求撫慰分量表α=0.94，社交模型分量表α=0.93[21].除此之外，研究還考察了人際情緒管理問卷和自我-他人情緒調(diào)節(jié)量表、情緒管理問卷等多個(gè)相關(guān)量表之間的關(guān)系，結(jié)果表明人際情緒管理問卷具有較好的聚合效度和區(qū)分效度[21].

2.2 AC/DC變流器模型

此模型為三相可控整流器，整流器數(shù)學(xué)模型可表示為式（7），其中直流電壓電容值可視為常數(shù)。

3 基于頻率法的混合動(dòng)力船舶能量管理

3.1 負(fù)載電流分解為高、中、低頻率成分

本文所用方法基本原理是利用兩個(gè)低通濾波器來將負(fù)載曲線分頻，如圖2所示。這些頻率成分必須與各電源輸出功率曲線保持一致。其中，高頻成分HF分配給超級(jí)電容器，中頻成分MF分配給鋰電池，低頻成分分配給柴油發(fā)電機(jī)，可表示為式（8）。

3.2 高頻和中頻成分控制策略

基于頻率法的能量管理，其超級(jí)電容和鋰電池的參考電流可由圖2進(jìn)行估計(jì)，其中低通濾波器各自的時(shí)間常數(shù)為0.05 s和0.3 s。

圖2 基于頻率法的功率分配

為了控制超級(jí)電容和鋰電池電流，buck-boost變流器控制策略需從建模中設(shè)計(jì)?？刂撇呗灾衎uck模式對(duì)應(yīng)式（10），boost模式對(duì)應(yīng)式（11）。這些控制策略和三角波比較后給PWM調(diào)制，最后給buck-boost變流器。

3.3 直流電壓控制策略

圖3 高頻和中頻電流成分控制策略

圖4 直流電壓控制策略

3.4 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速參考速度可由式（12）計(jì)算得到，其中，Q為燃料指數(shù)，此數(shù)值根據(jù)柴油機(jī)需求功率得到，T1為受轉(zhuǎn)速限制的時(shí)間常數(shù)，T2為根據(jù)轉(zhuǎn)矩變化周期確定的時(shí)間常數(shù)，額定功率設(shè)置為P=400 kW。

4 基于粒子群算法的PID優(yōu)化

4.1 問題描述

在基于PID控制的柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，為使轉(zhuǎn)速較好的跟蹤參考值，需獲得較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。PID控制器的優(yōu)化問題就是確定一組合適的參數(shù)K、K、K，使得指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。這里選用的誤差性能指標(biāo)為ITAE，其定義為

可在simulink下建立柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)及性能指標(biāo)。

4.2 優(yōu)化過程

優(yōu)化過程如下：PSO產(chǎn)生粒子群，將該粒子群中的粒子一次賦值給PID控制器的參數(shù)K、K、K，然后運(yùn)行simulink模型，得到該組參數(shù)對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)，該性能指標(biāo)傳遞到PSO中作為該粒子的適應(yīng)值，最后判斷是否可以退出算法。

粒子在搜索空間中的速度和位置根據(jù)以下公式確定：

其中，表示粒子的位置；表示粒子的速度；1、2為加速常數(shù)；1、2為[0, 1]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)；P是粒子迄今為止搜索到的最優(yōu)位置。

5 仿真驗(yàn)證

5.1 仿真參數(shù)

混合動(dòng)力船舶包括一臺(tái)發(fā)電機(jī)，其額定值為500 kVA/50 Hz/1500 rpm/cos(φ)=0.8，一個(gè)鋰電池，其最大電壓為325 V，兩個(gè)雙向斬波電路和負(fù)載。各參數(shù)如下：

5.2 仿真結(jié)果

仿真使用simulink隨機(jī)產(chǎn)生的負(fù)載波形，采樣時(shí)間為2 s，電流值為[100 600]范圍內(nèi)隨機(jī)負(fù)荷，這個(gè)電流被分解為高、中、低頻成分，其中超級(jí)電容器提供高頻成分，如圖5（上）所示。鋰電池提供的電流值如圖5（下），它提供了負(fù)載所需的中頻電流成分。圖5說明實(shí)際電流值幾乎完全與參考電流值保持一致，這就減少了負(fù)載波動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)造成的影響。實(shí)際電流值雖然與參考值基本保持一致，但與母線側(cè)電流值不同，這是由于變流器的電壓變化所引起的，因此參考電流值也不同，可以通過功率守恒得到變換器兩側(cè)物理量的關(guān)系。

圖5還表明：1)由于暫態(tài)過程負(fù)載突然增大，超級(jí)電容器提供的負(fù)載的高頻成分，這導(dǎo)致了模型的急劇放電。2)由于暫態(tài)過程負(fù)載突然減小，電容器吸收了負(fù)荷的高頻成分，致使模型處于充電狀態(tài)。

圖5 電容電流（上）與電池電流（下）

鋰電池電流超級(jí)電容器類似，其電流變化變化表明：1)當(dāng)暫態(tài)過程負(fù)載突然增大，鋰電池提供中頻電流成分，處于放電狀態(tài)。2)當(dāng)暫態(tài)過程負(fù)載突然減小，鋰電池吸收了中頻電流成分，處于充電狀態(tài)。

直流電壓控制特性如圖6（上），在此將參考電壓限定為500 V，曲線表明電壓控制策略對(duì)于變化負(fù)載效果是理想的，在初始階段，系統(tǒng)還未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，因此電壓有較大波動(dòng)。

進(jìn)行PSO優(yōu)化后過程如圖7，其中K參數(shù)始終為0，即為PD控制，K=190.5，K=196.5，此時(shí)適應(yīng)值=1.27×10-3。由最優(yōu)控制器產(chǎn)生的階躍響應(yīng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)均比較理想。如圖6（下），在最優(yōu)PID參數(shù)控制器下，給出轉(zhuǎn)速參考值，可發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速跟蹤效果是理想的。

6 結(jié)論

本文討論了基于頻率法的功率分配問題。仿真結(jié)果顯示，在多源系統(tǒng)中應(yīng)用此方法能夠得到理想的動(dòng)態(tài)特性。本次研究表明了，超級(jí)電容器提供高頻負(fù)載電流分量，鋰電池提供中頻負(fù)載電流分量，發(fā)電機(jī)提供低頻負(fù)載電流分量。此能來管理系統(tǒng)考慮了電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題，因此能夠降低負(fù)載波動(dòng)對(duì)于發(fā)電機(jī)的影響，并且最小化儲(chǔ)能設(shè)備體積。

圖6 電壓（上）與轉(zhuǎn)速（下）響應(yīng)

圖7 適應(yīng)值優(yōu)化曲線

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Control and Optimization of Energy Management System for Hybrid Ships

Kan Zhiwei, Wang Xihuai

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM73

A

1003-4862（2018）08-0036-05

2018-04-03

闞志偉（1992-），男，碩士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。E-mail:1056341048@qq.com