張澤輝， 高海波， 陳 輝， 林治國, 宮文峰

(武漢理工大學(xué) a. 高性能艦船技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b. 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 武漢 430063)

隨著電力電子技術(shù)和新能源技術(shù)不斷發(fā)展,越來越多的船舶使用電力推進(jìn)系統(tǒng)[1]，而頻繁的負(fù)載波動(dòng)會(huì)對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)造成惡劣影響[2]。使用儲(chǔ)能裝置可使船舶的電網(wǎng)柔性化，降低負(fù)載波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響。近年來，儲(chǔ)能技術(shù)快速發(fā)展，以復(fù)合電源為動(dòng)力源的電動(dòng)船逐步得到應(yīng)用，對(duì)推進(jìn)綠色水運(yùn)的發(fā)展具有重要意義。[3]

2010年東京海洋大學(xué)研發(fā)出采用速充鋰電池的電池推進(jìn)船“雷鳥1”號(hào)[4]；2015年西門子公司與挪威造船廠合作建造世界第一艘以動(dòng)力電池為能量源的電動(dòng)渡船[5]；2017年湖州市港航管理局、上海瑞華(集團(tuán))有限公司和武漢理工大學(xué)等聯(lián)合研發(fā)出全國首艘500噸級(jí)新能源電動(dòng)貨船；當(dāng)前廣州發(fā)展瑞華新能源電動(dòng)船有限公司正在建設(shè)世界上第一艘千噸級(jí)電動(dòng)船。

本文以基于復(fù)合電源的電動(dòng)船為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)能量管理策略，創(chuàng)新性地將支持向量機(jī)(Support Vector Machine，SVM)與濾波器功率控制相結(jié)合，建立能量管理策略評(píng)價(jià)模型，對(duì)濾波器時(shí)間常數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 純電動(dòng)船電力推進(jìn)系統(tǒng)

將超級(jí)電容和動(dòng)力電池組合成復(fù)合電源，結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)，以滿足船舶運(yùn)營的能量需求和船舶瞬時(shí)功率需求。超級(jí)電容在高負(fù)載時(shí)迅速釋放能量，從而延長(zhǎng)電池使用壽命并提高電能質(zhì)量。復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為被動(dòng)式、主動(dòng)式和半主動(dòng)式等3種。被動(dòng)式為超級(jí)電容與電池直接并聯(lián)，主動(dòng)式為超級(jí)電容與電池經(jīng)直流-直流(DC/DC)變換器之后并聯(lián)。被動(dòng)式不可控，能量效率高；主動(dòng)式控制設(shè)計(jì)復(fù)雜，能量效率較低。半主動(dòng)式為超級(jí)電容經(jīng)DC/DC升壓之后與電池并聯(lián)，該結(jié)構(gòu)結(jié)合前兩種復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，能提高超級(jí)電容的使用率，對(duì)負(fù)載波動(dòng)的響應(yīng)能力好，系統(tǒng)成本較低。[13]

“Alsterwasser”號(hào)是一艘燃料電池客船，設(shè)計(jì)參數(shù)：船長(zhǎng)25.5 m,船寬5 m,吃水1.3 m,額定載客100名，最高時(shí)速15 km/h，每天運(yùn)營約8 h。分析該船在阿爾斯特湖上的典型工況可知，該船平均功率需求為41.6 kW,峰值功率為112 kW。[14]圖1為電動(dòng)船動(dòng)力系統(tǒng)，將該船的燃料電池系統(tǒng)模擬改裝為半主動(dòng)式復(fù)合電源動(dòng)力系統(tǒng)，采用該船的典型工況數(shù)據(jù)進(jìn)行能量管理策略設(shè)計(jì)，并對(duì)該策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2 能量管理策略的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

能量管理策略由支持向量機(jī)、低通濾波器和閾值規(guī)則等3部分構(gòu)成。能量管理策略控制見圖2，功率需求Pload先通過低通濾波器得到低頻功率需求PLload，PLload通過規(guī)則控制器分解出動(dòng)力電池承擔(dān)的功率Pbat，總的功率需求Pload減去電池承擔(dān)的功率得到超級(jí)電容承擔(dān)的功率Puc。

2.1 基于支持向量機(jī)的船舶工況識(shí)別

支持向量機(jī)最早由VAPNIK等依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論提出，該技術(shù)依靠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)理論，使用少量的樣本訓(xùn)練便可獲得優(yōu)異的性能[15]。船舶航行主要有定速航行和機(jī)動(dòng)航行2種工況。在定速航行工況下，功率需求較為穩(wěn)定，但存在輔機(jī)設(shè)備啟動(dòng)造成的脈沖性負(fù)載。在機(jī)動(dòng)航行工況下，功率需求有較大波動(dòng)。采用一個(gè)固定的濾波器難以滿足全工況需求，故采用支持向量機(jī)選擇相應(yīng)的濾波器控制。

支持向量機(jī)輸入?yún)?shù)為Pload(t-1),Pload(t),(Pload(t)-Pload(t-1))/Ts,輸出參數(shù)Gt={1,2}(1為定速航行，2為機(jī)動(dòng)航行)。從標(biāo)記的典型工況點(diǎn)中隨機(jī)選取80%作為訓(xùn)練集，剩下的20%作為驗(yàn)證集。在標(biāo)準(zhǔn)化處理之后，采用RBF核函數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練。對(duì)向量機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，訓(xùn)練集錯(cuò)誤率為0.011 8，驗(yàn)證集錯(cuò)誤率為0.012 5。2個(gè)集合的錯(cuò)誤率結(jié)果相近，可知該算法具有良好的泛化能力。引入隨機(jī)噪聲(均值為0，方差為0.01)，支持向量機(jī)在隨機(jī)噪聲干擾下的識(shí)別結(jié)果見圖3。由圖3可知，支持向量機(jī)對(duì)船舶工況的判別有很高的準(zhǔn)確性。

2.2 低通濾波器設(shè)計(jì)

濾波器時(shí)間常數(shù)T可控制船舶動(dòng)力系統(tǒng)的功率分配。在定速航行和機(jī)動(dòng)航行工況下選擇的低通濾波器分別為

(1)

式(1)中：T1和T2為濾波器時(shí)間常數(shù)。

2.2.1評(píng)價(jià)模型的建立

在滿足工況要求的前提下，Ibat的波動(dòng)越小越好，VDC的波動(dòng)越小越好，復(fù)合電源的能量損失JE越小越好，設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)公式如下。

(1) 動(dòng)力電池?fù)p耗評(píng)價(jià)公式為

(2)

(2) 母線電壓波動(dòng)評(píng)價(jià)公式為

(3)

(3) 系統(tǒng)能量損失評(píng)價(jià)公式為

(1-ηDC)PDC(i)]}

(4)

式(2)～式(4)中：Ibat(i)為i時(shí)刻的電池電流；VDC(i)為i時(shí)刻的直流母線電壓；t為仿真時(shí)間步長(zhǎng)；Ruc為超級(jí)電容內(nèi)阻；Iuc(i)為i時(shí)刻的超級(jí)電容電流；Rbat為電池內(nèi)阻；ηDC為DC/DC變換器效率;PDC(i)為DC/DC變換器i時(shí)刻功率。

對(duì)式(2)～式(4)進(jìn)行組合，得到評(píng)價(jià)函數(shù)為

minJ=αJbat+βJDC+λJE

(5)

該函數(shù)的目標(biāo)是減小電池的電流波動(dòng)，從而延長(zhǎng)其使用壽命，提升電網(wǎng)電能質(zhì)量，提高復(fù)合電源的能量效率。該能量管理策略為純電動(dòng)船設(shè)計(jì)，電池?fù)p傷權(quán)重α與電網(wǎng)波動(dòng)權(quán)重β為最重要的因素，采用半主動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)能量效率較高,因此經(jīng)濟(jì)型權(quán)重λ取值最小，故設(shè)權(quán)重系數(shù)依次為0.5、0.4、0.1。約束條件為

(6)

式(6)中：第1個(gè)約束條件為超級(jí)電容與動(dòng)力電池的輸出功率等于船舶需求功率；第2個(gè)約束條件為超級(jí)電容的電壓不得低于最大電壓的1/2，若超級(jí)電容電壓太低，電壓變換器便不能穩(wěn)定工作；第3個(gè)約束條件和第4個(gè)約束條件為超級(jí)電容與電池都不能過電流充放電。

2.2.2濾波器時(shí)間常數(shù)優(yōu)化

優(yōu)化過程分為參數(shù)設(shè)定、仿真運(yùn)行、計(jì)算性能函數(shù)和選取最優(yōu)值等4部分，流程說明：

(1) 設(shè)定電動(dòng)船的動(dòng)力系統(tǒng)模型的低通濾波器參數(shù)；

(2) 進(jìn)行仿真，若仿真結(jié)果不滿足邊界條件，則退出，重新設(shè)定低通濾波器參數(shù)；

(3) 使仿真結(jié)果數(shù)據(jù)無量綱化，用式(5)計(jì)算；

(4) 設(shè)定低通濾波器的時(shí)間范圍和時(shí)間步長(zhǎng)，依次代入模型進(jìn)行計(jì)算，選取最優(yōu)時(shí)間常數(shù)值。

針對(duì)機(jī)動(dòng)航行工況，優(yōu)化結(jié)果為T2=16.8 s。船舶在定速航行中,設(shè)定較小的時(shí)間常數(shù)既能滿足船舶工況需求，又可減少使用超級(jí)電容，提高能量效率，同時(shí)動(dòng)力電池的輸出電流有細(xì)微的波動(dòng)，有助于活化電池，延長(zhǎng)電池的使用壽命?？紤]到小型船舶副機(jī)啟動(dòng)時(shí)間為數(shù)秒，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，T1=5 s能較好地滿足定速工況要求。

2.3 閾值規(guī)則

規(guī)則的輸入是功率需求的低頻部分，輸出為動(dòng)力電池設(shè)定功率和超級(jí)電容設(shè)定功率。該規(guī)則設(shè)計(jì)的目的：控制超級(jí)電容的荷電狀態(tài)(State Of Charge，SOC)在合理范圍內(nèi)，并防止動(dòng)力電池瞬時(shí)大功率充放電?？刂埔?guī)則見表1，其中：PLload為低頻負(fù)載功率；Pbmin為電池輸出功率最低值；Pbmax為電池輸出功率最大值；Pbat為電池輸出功率；Puc2為超級(jí)電容在規(guī)則控制部分的輸出功率；Pcharge_uc1為超級(jí)電容在充電模式1下的充電功率；Pcharge_uc2為超級(jí)電容在充電模式(2)下的充電功率。

1)當(dāng)超級(jí)電容SOC>90%，PLloadPLload>Pbmin時(shí)，僅由電池承擔(dān)低頻負(fù)載；當(dāng)PLload>Pbmax時(shí)，電池限制輸出功率為Pbmax。

2)當(dāng)超級(jí)電容70%≤SOC≤90%，PLloadPLload>Pbmin時(shí)，電池輸出功率為Pbmax與(PL+Pcharge_uc2)中的較小值，超級(jí)電容進(jìn)入充電模式2；當(dāng)PLload>Pbmax時(shí)，電池限制輸出功率為Pbmax，超級(jí)電容不充電。

3)當(dāng)超級(jí)電容SOC<70%，PLloadPLload>Pbmin時(shí)，電池輸出功率為Pbmin+Pcharge_uc1與Pbmax中的較小值，超級(jí)電容進(jìn)入充電模式1；當(dāng)PLload>Pbmax時(shí)，電池限制輸出功率為Pbmax，超級(jí)電容不充電。

表1 閾值規(guī)則

3 仿真試驗(yàn)分析

3.1 電動(dòng)船仿真模型

圖4為電動(dòng)船仿真模型，在SIMULINK環(huán)境下建立電動(dòng)船動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型。系統(tǒng)包括復(fù)合電源模塊、負(fù)載模塊和能量管理模塊等3部分，其中：動(dòng)力電池容量為500 A·h，額定電壓為600 V;超級(jí)電容容量為23.6 F,額定電壓為336 V。

3.2 脈沖負(fù)載仿真

在0.5 s時(shí)，對(duì)半主動(dòng)式和被動(dòng)式復(fù)合電源模型施加10 kW負(fù)載，持續(xù)時(shí)間為0.5 s。被動(dòng)式的電池參數(shù)設(shè)置與半主動(dòng)式的相同，超級(jí)電容容量為11.8 F。圖5脈沖負(fù)載下的功率分配，在施加負(fù)載期間，被動(dòng)式的電池輸出功率為6～7 kW，超級(jí)電容輸出功率為3～4 kW，電壓瞬間下降近0.9 V。半主動(dòng)式復(fù)合電源的超級(jí)電容近乎承擔(dān)全部負(fù)載，電壓略微下降，有效減輕瞬態(tài)負(fù)載對(duì)電池和電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)電池的使用壽命，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

3.3 船舶典型工況仿真

對(duì)電動(dòng)船模型進(jìn)行典型工況仿真，與被動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)合電源相對(duì)比，船舶典型工況負(fù)載如圖5所示,仿真結(jié)果見圖6。

由圖6a)和圖6b)可知：在90～140 s期間，半主動(dòng)式復(fù)合電池的超級(jí)電容有效抑制了電池的功率輸出波動(dòng)；在140～260 s期間，被動(dòng)式復(fù)合電源的電池輸出功率為103.8 kW，而半主動(dòng)式復(fù)合電源的電池最大輸出功率僅為73.88 kW，降低29%。由圖6c)可知：在90～140 s期間，被動(dòng)式結(jié)構(gòu)的母線電壓劇烈波動(dòng)，波動(dòng)幅度最大達(dá)到14 V；半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)的最大電壓波動(dòng)僅為被動(dòng)式結(jié)構(gòu)的15.7%。

仿真結(jié)果表明，在能量管理策略控制下，半主動(dòng)式復(fù)合電源中的超級(jí)電容承擔(dān)較大的功率波動(dòng)，減小動(dòng)力電池的電流變化，從而延長(zhǎng)電池的使用壽命，同時(shí)抑制船舶機(jī)動(dòng)航行工況下母線電壓的波動(dòng)，提高電網(wǎng)的供電品質(zhì)。

4 結(jié)束語

本文對(duì)某型采用燃料電池和動(dòng)力電池做動(dòng)力源的游船進(jìn)行模擬改裝，采用以動(dòng)力電池、超級(jí)電容和DC/DC變換器為核心設(shè)備的半主動(dòng)式復(fù)合電源做動(dòng)力源。針對(duì)其典型工況負(fù)載，設(shè)計(jì)能量管理系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明：所提出的半主動(dòng)式復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，匹配以支持向量機(jī)、濾波器和閾值規(guī)則控制為核心的能量管理策略，能很好地適應(yīng)脈沖性負(fù)載和典型工況負(fù)載，能有效減緩動(dòng)力電池電流突變、延長(zhǎng)其使用壽命；同時(shí)，能降低直流母線電壓波動(dòng)，提高供電品質(zhì)。