郭 燚， 于士振， 郭將馳， 李 晗, 張權(quán)寶

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院， 上海 201306)

艦船動力系統(tǒng)的大小取決于艦載載荷總功率需求[1]，電力需求在不久的將來將達(dá)到數(shù)百兆瓦[2]。艦船上有間歇性的脈沖載荷(電磁飛機(jī)發(fā)射系統(tǒng)、軌道電磁炮)、雷達(dá)、推進(jìn)負(fù)載和服務(wù)性負(fù)載等，由于脈沖載荷的瞬態(tài)特性，它要求具有極高振幅的脈沖功率；而傳統(tǒng)的艦船電力系統(tǒng)難以支持脈沖負(fù)載功率需求。大功率脈沖性載荷接入中壓直流電力(Medium Voltage Direct Current, MVDC)系統(tǒng)會造成母線電壓大范圍跌宕，降低系統(tǒng)電能質(zhì)量。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，MVDC系統(tǒng)母線電壓需要保持在標(biāo)稱電壓的10%范圍內(nèi)[3]。高功率密度的超級電容器組由于具有快速反應(yīng)能力可以滿足脈沖性載荷功率需求[4-6]，高能量密度的鋰電池組可以長期支持發(fā)電機(jī)組來響應(yīng)艦載載荷功率需求，避免啟動輔助發(fā)電機(jī)組，提升系統(tǒng)能源效率。因此，使用高能量密度的鋰電池組和高功率密度的超級電容器組組成混合能量存儲系統(tǒng)(Hybrid Energy Storage System, HESS)[7]成為解決此問題非常有應(yīng)用前景的解決方案。由于艦船MVDC系統(tǒng)中的原動機(jī)與推進(jìn)系統(tǒng)脫鉤，并與發(fā)電機(jī)相結(jié)合，所產(chǎn)生的電能可能會超出艦載載荷功率需求，HESS系統(tǒng)可以將這部分多余的能量存儲在儲能系統(tǒng)中，并在需要時返還MVDC系統(tǒng)。因此，能量儲能管理(Energy Storage Management，ESM)技術(shù)成為MVDC系統(tǒng)的重要選擇[4-5]。在文獻(xiàn)[8]中，模糊邏輯控制器用來控制電池和超級電容器，為電動車的儲能系統(tǒng)提供控制支持。文獻(xiàn)[9-11]設(shè)計了基于HESS混合動力船舶的能量管理策略。

本文對基于ESM和低通濾波器(Low Pass Filter，LPF)的模糊邏輯控制能量管理策略和PI控制器能量管理策略進(jìn)行了比較分析，并對不同艦載載荷模式下的模糊邏輯能量管理策略進(jìn)行仿真分析。通過仿真，驗證了所提方案的可行性。

1 ESM和LPF的模糊邏輯能量管理策略

ESM和LPF的模糊邏輯能量管理策略如圖1所示。

圖1 基于ESM和LPF的模糊邏輯能量管理框圖

模糊邏輯控制器根據(jù)母線電壓(UBUS),母線電流變化量(ΔI),鋰電池組荷電狀態(tài)(SOCBat)，超級電容器組荷電狀態(tài)(SOCSC)估計HESS系統(tǒng)功率需求PStor-ref，經(jīng)LPF功率高低分頻后分配給鋰電池組和超級電容器組來維持艦船MVDC系統(tǒng)功率的平衡。模糊邏輯控制器的輸入變量UBUS，ΔI，SOCBat,SOCSC，輸出變量Pstor-ref隸屬度函數(shù)如圖2所示。

(a) 母線電流變化量隸屬度函數(shù)

(b) 母線電壓隸屬度函數(shù)

(c) 鋰電池荷電狀態(tài)隸屬度函數(shù)

(d) 超級電容器荷電狀態(tài)隸屬度函數(shù)

(e) 輸出功率隸屬度函數(shù)

圖2模糊邏輯控制器輸入輸出變量隸屬度函數(shù)

對應(yīng)的模糊邏輯控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊規(guī)則(P tot-ref)

注：L為低區(qū)間；M為適中區(qū)間；H為高區(qū)間;N為負(fù)功率；Z為零區(qū)間；P為正功率

2 ESM和LPF的PI控制器能量管理

基于ESM和LPF的PI控制器能量管理構(gòu)架如圖3所示。

圖3 基于ESM和LPF的PI控制器能量管理框圖

PI控制器能量管理策略的目的是用來參考估計HESS系統(tǒng)功率(Pstor-ref)需求[12-13]。

圖3中有兩個PI控制器，第1個PI控制器根據(jù)艦載載荷(Pload)和艦船發(fā)電機(jī)組總發(fā)電功率(Pgen)保持艦船MVDC系統(tǒng)功率的平衡；第2個PI控制器用來維持艦船MVDC系統(tǒng)母線電壓的穩(wěn)定。HESS系統(tǒng)功率需求PStor-ref通過LPF后分離出適合鋰電池組特性的低頻功率分量PBat-ref和超級電容器組特性的高頻功率分量。

LPF的傳遞函數(shù)為

(1)

式中：fc為截止頻率[14]，因超級電容器組的工作時間為秒級，這里設(shè)置截止頻率為1 Hz[15]。

3 混合儲能系統(tǒng)變換器的設(shè)計

3.1 雙向DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PSC-ref和PBat-ref分別對DC/DC變換器進(jìn)行充放電控制，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)框圖如圖4和圖5所示(圖5中PWM為脈沖寬度調(diào)制)。

圖4 雙向DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖5 鋰電池組和超級電容器組電流控制

3.2 HESS結(jié)構(gòu)

HESS混合儲能結(jié)構(gòu)如圖6所示。HESS系統(tǒng)中5組鋰電池組和5組超級電容器組，均為輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)，5組鋰電池組模塊輸出與5組超級電容器組模塊輸出采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，斷路器用來保護(hù)HESS系統(tǒng)，在系統(tǒng)需要維護(hù)或出現(xiàn)故障時，斷開與MVDC系統(tǒng)的聯(lián)接。

圖6 HESS混合儲能結(jié)構(gòu)圖

這種結(jié)構(gòu)的好處是通過串聯(lián)可以降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，交錯并聯(lián)可以降低開關(guān)管的電流應(yīng)力，同時可以降低電壓電流紋波，減輕了鋰電池組和超級電容器因電流紋波引起的發(fā)熱現(xiàn)象[16]；同時，該結(jié)構(gòu)適合大電流、大功率傳輸。而且鋰電池組模塊和超級電容器模塊分別分為5組，在1組損壞時，其他鋰電池組和超級電容器組還可以繼續(xù)工作，提高了可靠性。不足之處是沒有實現(xiàn)電氣隔離。

4 仿真分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

MVDC電力系統(tǒng)參數(shù)：電源MGT1功率為36 MW，AGT2功率為4 MW，MVDC總發(fā)電功率為40 MW；負(fù)載：恒功率負(fù)載為40 MW，脈沖負(fù)載為4 MW，總負(fù)載功率為44 MW。

Hess系統(tǒng)參數(shù)：鋰電池組額定容量為544 Ah，額定電壓為800 V，充滿電壓為931 V，初始荷電狀態(tài)為85%；超級電容器組額定容量為200 F，額定電壓為850 V，初始電壓為723 V，初始荷電狀態(tài)84.8%。

4.2 PI控制器和模糊邏輯控制器對比分析

鋰電池組和超級電容器組的初始荷電狀態(tài)分別設(shè)置為85%。MVDC母線電壓和電流如圖7所示。

圖7 MVDC母線電壓、電流波形

從圖7可以看出：1.5～3.5 s，4 MW脈沖負(fù)載加載到MVDC系統(tǒng)上，系統(tǒng)母線電壓瞬時跌落，母線電流瞬時增加。在6.5～8.5 s，4 MW載荷從MVDC系統(tǒng)瞬時解列，母線電壓瞬時增加，母線電流減小。

ESM和LPF的模糊控制器預(yù)測的HESS系統(tǒng)功率參考如圖8所示。

圖8 HESS總存儲參考功率及其功率分配圖

圖8中，因SOCBat，SOCSC高達(dá)85%和84.8%,HESS系統(tǒng)存儲有大量能量，因此，1.5～3.5 s模糊邏輯控制器產(chǎn)生的HESS實際參考功率約為4.5 MW而不是4 MW。在這種情況下，艦船總可用功率約為44.5 MW，而總載荷需求為40 MW。此時發(fā)電機(jī)組將通過控制燃?xì)廨啓C(jī)自動減少0.5 MW的能量供應(yīng)。在6.5～8.5 s，4 MW的載荷從MVDC系統(tǒng)解列，模糊邏輯控制器產(chǎn)生的HESS參考功率約為-2.5 MW，由于此時鋰電池組和超級電容器組荷電狀態(tài)較高，HESS不需要快速充電。此時發(fā)電機(jī)組將通過控制燃?xì)廨啓C(jī)自動減少1.5 MW的能量供應(yīng)。

ESM和LPF的PI控制器產(chǎn)生的HESS系統(tǒng)功率參考如圖9所示。

圖9 HESS總存儲參考功率及其功率分配圖

從圖9中可以看出：PI控制器可以較為準(zhǔn)確地估計負(fù)載變化，通過LPF高低功率分頻后控制HESS充放電，避免了MVDC系統(tǒng)的母線電壓因負(fù)荷突升突降引起的母線電壓大范圍跌宕的發(fā)生。

仿真結(jié)果表明：基于ESM和LPF的PI控制器能量管理策略能夠較為準(zhǔn)確地估計Pstor-ref，從而對HESS進(jìn)行充放電管理，維持MVDC系統(tǒng)功率的平衡，防止因脈沖性負(fù)載突升突降引起的MVDC系統(tǒng)母線電壓大范圍跌宕的發(fā)生。模糊邏輯控制器不但能夠預(yù)測Pstor-ref，而且能夠根據(jù)SOCBat和SOCSC的狀態(tài)調(diào)整Pstor-ref的基準(zhǔn)，對HESS系統(tǒng)進(jìn)行充放電管理。由此可知，基于ESM和LPF的模糊邏輯能量管理策略優(yōu)于基于ESM和LPF的PI控制器能量管理策略。

4.3 不同艦載載荷模式下模糊能量管理仿真分析

艦船MVDC系統(tǒng)負(fù)荷功率需求曲線和MVDC系統(tǒng)母線電壓如圖10和圖11所示。

從圖10可以看出：在t=2 s, 艦船總負(fù)荷功率需求為39 MW，其推進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)118 r/min，艦船處于正常巡航狀態(tài)。這種狀態(tài)一直持續(xù)到t=2.5 s。在t=2.5 s,艦船因特殊工作需要加速行駛，其轉(zhuǎn)速在t=3 s達(dá)到120 r/min,其負(fù)荷功率需求達(dá)41 MW，超出艦船發(fā)電機(jī)組總發(fā)電功率40MW。在這種狀態(tài)下，HESS系統(tǒng)需向艦船MVDC系統(tǒng)提供能量去支持發(fā)電機(jī)組，降低艦船發(fā)電機(jī)組供電壓力。這種狀態(tài)一直持續(xù)到t=4.5 s。模糊邏輯控制器在此階段產(chǎn)生的HESS功率參考約為2.5 MW，因為此時鋰電池組和超級電容器組的SOC分別為75%和75.01%，處于適中狀態(tài)。HESS有足夠的能量去響應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷功率需求。

圖10 艦船MVDC系統(tǒng)負(fù)載荷功率需求曲線圖

圖11 MVDC系統(tǒng)母線電壓圖

ESM和LPF模糊能量管理預(yù)測HESS系統(tǒng)功率需求如圖12所示。

圖12 HESS系統(tǒng)功率需求圖

在t=5 s,艦船減速行駛，其推進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速由118 r/min降到115 r/min。在t=6 s，2 MW的艦載載荷從系統(tǒng)瞬間解列，MVDC系統(tǒng)能量盈余，模糊邏輯控制器產(chǎn)生的HESS需求功率約為-2 MW，MVDC系統(tǒng)多余能量被HESS吸收，在系統(tǒng)需要時再返還MVDC系統(tǒng)，避免能源的浪費(fèi)，提升MVDC系統(tǒng)總體能源利用效率。

7 結(jié) 語

本文對基于ESM和LPF的模糊邏輯控制器能量管理策略和PI控制器能量管理策略進(jìn)行了分析比較，通過仿真分析得出：基于ESM和LPF的模糊邏輯控制器能量管理策略優(yōu)于基于ESM和LPF的PI控制器能量管理策略；同時對HESS的能量管理，平滑抑制了艦船MVDC系統(tǒng)母線電壓大范圍跌宕的發(fā)生，提升了艦船MVDC系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生存能力。針對艦船不同載荷功率需求模糊能量管理策略，當(dāng)推進(jìn)電動機(jī)全速運(yùn)行，負(fù)載載荷功率超出發(fā)電機(jī)總發(fā)出功率時，HESS響應(yīng)MVDC系統(tǒng)功率需求，維持系統(tǒng)功率的平衡，提升了MVDC系統(tǒng)的穩(wěn)定性、電網(wǎng)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)整體能源利用效率。